（岩土工程专业论文）波浪和涌潮荷载作用下排桩的动力响应.pdf

摘要 排桩在波浪荷载下的动力响应以及排桩丁坝在涌潮作用下的受力特性一直 是工程界关注的问题，它们都属于“流体一群桩一土体”的耦合振动问题。本文 对波浪和涌潮荷载作用下排桩和排桩丁坝的动力响应问题进行了比较系统的研 究。 基于b i o t 固结理论，采用均匀多孔弹性介质土模型，推导了波浪作用下海 床的动力响应，获得了海床模量在波浪作用下的竖向分布情况，为“流体一群桩 一土体”的耦合振动问题提供了计算依据。 对于大尺度桩的波浪受力问题，建立了“势流一弹性桩一土”解析模型，既 考虑桩和流体耦合振动，又考虑埋置土层对动力响应的影响，通过桩的水平振动 速度等于耦合面上的流体速度建立方程。对土模量，淘空深度，桩身刚度等参数 对桩顶位移和桩身弯矩的影响进行了分析和研究。 对于小尺度弹性桩的波浪受力问题，采用修正m o r i s o n 公式计算波浪力，分 别建立桩土单元振动模型和桩水单元振动模型，把桩土单元刚度矩阵和桩水单元 刚度矩阵组合后，形成总体刚度矩阵。将m o r i s o n 力等效为单元节点荷载，求得 小尺度弹性桩土系统在波浪力下的动力响应数值解，相对于6 倍桩径法和忽略桩 水耦合的计算结果，更准确合理。 对于波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题，以小尺度弹性桩在波浪力下的动 力响应数值解为基础，采用规范法分析桩水相互作用的群桩效应，采用w i n k l e r 地基梁模型分析桩土相互作用的群桩效应。计算结果表明，埋置弹性群桩的受力 比较复杂，其动力响应和波浪力的入射角度、桩间距、群桩排列方式都有关系。 本方法综合考虑了桩水耦合振动、桩水相互作用的群桩效应、桩土相互作用的群 桩效应和埋置土层等因素，真实的模拟了埋置群桩在波浪荷载下的受力状态。 钱塘江排桩丁坝在涌潮下的动力响应问题属于“桩一土一流体”耦合振动问 题的一种特殊情况。通过现场测试获得了钱塘江涌潮压力的时程曲线及其涌潮压 力在竖向空间的分布，基于波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题求解方法，将实 测涌潮压力傅立叶级数展开之后，作为横向荷载输入，求得钱塘江丁坝的动力响 应，并和实测数据相对比。探讨了涌潮高度，丁坝桩径，桩距，海床土参数对排 桩丁坝动力响应的影响。通过研究排桩丁坝的位移和内力响应随涌潮的变化情 况，得到了不同涌潮高度下丁坝响应的规律。建议了排桩丁坝的结构优化计算方 法，以指导排桩丁坝的结构设计。 关键词：埋置群桩；排桩式丁坝；动力响应；b l o t 固结理论；m o r i s o n 方程； 耦合振动；钱塘江涌潮。 ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo c e a nt e c h n i q u e s ，m o r ea n dm o r eo c e a nc o n s t r u c t i o n s ， s u c ha sh i g hp i l ed o c k ，o c e a nf l a t ，s p a no c e a nb r i d g e ，a r eb u i l t p i l ef o u n d a t i o ni st h e m o s tp o p u l a rf o u n d a t i o n t h ec o u p l i n gv i b r a t i o no f “l i q u i d p i l eg r o u p s o i l h a sb e e n t h ek e yp r o b l e m ，r e c e n t l y i na d d i t i o n ，t h ep i l eg r o i n sa r et h en e wt y p ec o n s t r u c t i o n s ， w h i c hw e r ef i r s tu s e di nq i a n t a n g ji a g nr i v e r t h es t r e n g t hm e c h a n i s mi ss i m i l a rt o o c e a nf l a t ，h i g hp i l ed o c k i t su r g e n tt os o l v et h ed y n a m i cr e s p o n s et od i r e c tt h e p r o j e c td e s i g n f i r s t ，b a s e do nt h eb i o tc o n c r e t i o nt h e o r ya n dt h eu n i f o r mp o r o - e l a s t i cm e d i u m m o d e l ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h er i v e r b e d i sd e d u c e d t h es o i ls k e t e t o n d i s p l a c e m e n ti so b t a i n e d ，c o n s i d e r e dt h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so ft h ew a v e sa n dt h e s o i l s ，t h em o d u l e sc h a n g ed u et ot h ew a v e si ss t u d i e d ，a n dt h i sw o r kp r o v i d e s d e p e n d a b l e r e f e r e n c et ot h ec a l c u l a t i o no fc o u p l i n gv i b r a t i o n o f “l i q u i d p i l e g r o u p - s o i l ” f o rt h el a r g es c a l ee m b e d d e dp i l e b a s e do nt h ev e l o c i t yp o t e n t i a le i g e n f u n c t i o n e x p a n s i o n ，t h ep i l ea n dt h es o i la r ea s s u m e d a se l a s t o m e ra n dw i n k l e rf o u n d a t i o n ，t h e c o n d i t i o nt h a tt h es t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h ep i l ea r ec o n t i n u o u so nt h es o i l s u r f a c ee s t a b l i s h e st h ee q u a t i o n s ，w h i c hf i g u r et h a tt h ep i l ec o u p l e r st h el i q u i d ，o rt h e l a t e r a lv e l o c i t yo ft h ep i l ee q u a l st h el a t e r a lv e l o c i t yo ft h el i q u i do nt h ep i l es u r f a c e ， t h ea n a l y t i c a lr e s o l u t i o no ft h ee m b e d d e dp i l e sv i b r a t i o ni nn o n - v i s c o u sl i q u i di s f o u n d t h es t u d yi n d i c a t e st h a tt h en o n v i s c o u sl i q u i d sa c t i n gf o r c eo nt h ee l a s t i cp i l e d i f f e rt h ef o r c eo nt h er i g i dp i l eg r e a t l y , e s p e c i a l l yw h e nt h ep i l es t i f f n e s sa n dt h es o i l m u d u l ea r es m a l l w h e nt h ef r e q u e n c yo ft h ei n c i d e n tw a v ea p p r o a c h e st h en a t u r a l v i b r a t i o nf f e q u e n c y ，t h es w i n go ft h ep i l er e a c h e sp e a k ，w h i l et h ea c t i n gf o r c ei s r e l a t i v e l yl e s s f o rt h es m a l ls c a l ee m b e d d e dp i l e 。t h ew a v ef o r c et h a ta c t so nt h es m a l ls c a l e p i l ea d o p t st h em o d i f i e dm o r i s o ne q u a t i o n t h ep i l e s o i l e l e m e n tm o d e la n dt h e p i l e w a t e re l e m e n tm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，b yt h en u m e r i c a lm e t h o d ，t h ed y n a m i c r e s p o n s eo fp i l et ot h ew a v el o a di sc a l c u l a t e d t h e nt h i sm u m e r i c a lm e t h o di s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l6 - d i a m e t e rm e t h o da n dt h em e t h o dt h a ti g n o r e st h e c o u p l eo fw a t e ra n dp i l e f o rt h es m a l ls c a l ee m b e d d e dp i l eg r o u p ，t h ew a v ef o r c ei sc a l c u l a t e dw i t h c r i t e r i o ns t a n d a r d ，a n dp i l eg r o u pe f f e c ti sc o n s i d e r e dw h e nt h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o ni s a n a l y s e d t h en u m e r a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r e n g t hm e c h a n i s mo fe m b e d d e d p i l eg r o u pi sv e r yc o m p l e x ，t h ed y n a m i cr e s o p o n s ei sr e l a t i v et ot h ef a c t o r s ，s u c ha s i n c i d e n c ea n g l e ，s p a c eb e t w e e np i l e s ，a n dt h ea r r a n g em o d eo fp i l e s t h em e t h o di n t h i st h e s i sc o n s i d e r st h ep i l e w a t e rc o u p l ea n dt h ee f f e c tt h a tt h ee m b e d d e ds o i lo nt h e p i l e ，s ot h ed y n a m i cr e s p o n s ei sf a c t u a l l ys i m u l a t e d t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ep i l i n gg r o i n su n d e rt h et i d a lb o r ei nq i a n t a n g ji a n g r i v e ri st h es p e c i a li n s t a n c eo ft h e “p i l e - s o i l l i q u i d ”c o u p l i n gv i b r a t i o np r o b l e m t h e t i d a lb o r eh a sh i g ht i d e ，l a r g ev e l o c i t yo fl i q u i da n ds t r o n gw a l l o p ，t h en e wt y p e h y d r a u l i cs y s t e m sd y n a m i cr e s p o n s ee m p h a s e st h ep a r t i c u l a r i t yo ft h et i d a lb o r eo f t h eq i a n t a n g j i a n gr i v e r t h et i d a lb o r ep r e s s u r e sh i s t o r ya n dt h ed i s t r i b u t i o n i s o b t a i n e db yl o c a t et e s t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b a s e do nt h er e s e a r c ha b o u tt h e e m b e d d e dp i l e sc o u p l i n gt h el i q u i d t h em e a s u r e dq i a n t a n g ji a n gr i v e rb o r el o a d i n g i sp r e s e n t e db ym e a n so ft h ef o u r i e rs e r i e st r a n s f o r ma n di n p u ta st h el a t e r a ll o a d t h ed y n a m i cr e s p o n s ei so b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd a t a t h ee f f e c to f t h ep a r a m e t e r ss u c ha st i d eh e i g h ，d i a m e t e ro ft h ep i l e ，d i s t a n c eo ft h ep i l e ，s o i li s d i s c u s s e da n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d ss u c ha smm e t h o d ， c o n s t a n tm e t h o d ，s t a t i ca n dd y n a m i cf e m t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h eb o r e s f r e q u e n c yk e e p sa w a yf r o mt h ep i l e sn a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c y t h o u g hi th a s s t r o n gw a l l o p ，t h es t a t i cm o d e lo ft h eb o r e i sp e r m i t t e dt o a p p l yi nd e s i g n i ft h e l e n g t ho fp i l ei nt h es e ai sl a r g ea n dt h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yi sl o w , i t s n e c e s s a r yt oa p p l yd y n a m i cm e t h o d ，e s p e c i a l l yw h e nt h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c y a p p r o a c h e st h ew a v el o a df r e q u e n c y k e yw o r d s ：e m b e d d e dp i l eg r o u p ；p i l i n gg r o i n s ； c o n c r e t i o n t h e o r y ；t h e m o r i s o n e q u a t i o n ；c o u p l i n g q i a n t a n g ii a n gr i v e r d y n a m i cr e s p o n s e ；b i o t v i b r a t i o n ；t i d a lb o r ei n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿太堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 浙江大学博士学位论文第一章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的、意义和研究方法 随着人类向海洋的不断探索，海洋工程发展十分迅速，高桩码头、海洋平台、 跨海大桥等海洋建造物不断得以修建，桩基础成为海洋工程中最常用的基础形 式。固定式海洋结构平台或者海洋独桩平台在海上作业时，受到风、波浪，海流、 地震等多种动力荷载的作用，其中以波浪荷载为最重要，在波浪动力荷载作用下， 整个振动体系由外力( 波浪) 结构( 桩) 周围介质( 土) 三者相互作用构成，“流体一 群桩一土体”的耦合振动问题也成为目前研究的重点课题。另外，在钱塘江上首 次使用的排桩式丁坝是一种新型的结构形式，其受力机理和海洋工程中的海洋平 台、高桩码头类似，其动力响应问题急待解决以指导工程设计工作。 “流体一群桩一土体”的耦合振动体系是比较复杂的，目前存在的主要问题 是：( 1 ) 在我国现有的港口工程和海洋工程设计中，仅考虑了由建筑物直接传给 海床的波浪荷载，而未计波浪作用下海床中附加孔隙水压力对海床的受力和变形 的影响。( 2 ) 计算波浪荷载时，一般假定桩为剐体，随着向深海的不断发展，海 洋平台桩基的长细比越来越大，应当考虑弹性桩的振动和流体的耦合作用。( 3 ) 计算波浪荷载以及桩身内力和位移时，往往假定桩在泥面以上f 或6 倍桩径深度 以上1 为悬臂梁，先计算波浪荷载，在分析桩土相互作用，实际上桩在泥面处不 是完全固接的边界条件，应当考虑土体埋置层对整个振动体系的影响。( 4 ) 修正 m o r i s o n 公式计算惯性力和速度力时，采用了一般形式m o r i s o n 公式的惯性力系 数c m 和速度力系数c d ，修正m o r i s o n 公式系数有待于进一步深化研究。 另外，河流上的新型水工结构也不断出现，比如钱塘江的入海i ：1 杭州湾的排 桩式丁坝( 如图1 1 、图1 2 ) 。在强涌潮河段，涌潮对沿塘滩地有很大的冲刷作 用，给海塘等水工建筑物的建筑维护带来很大的困难，利用丁坝，可以阻流促淤、 保塘护堤。但是传统的堆石丁坝的基础较浅，且以散抛块石为基础，在涌潮的强 动力作用下非常不稳定。因此，人们提出了一种可生根的桩式丁坝结构，即以桩 为主体的排桩式直立丁坝。由于钱塘江涌潮潮头高，流速快，冲击力强，钱塘江 排桩丁坝的受力机理特别是该新型水工体系在强涌潮作用下的动力响应问题急 浙江大学博士学位论文第一章绪论 待工程科研人员去分析研究。虽然有学者对于排桩丁坝或类似结构的设计进行了 探讨，但目前还没有系统研究排桩丁坝或类似结构在涌潮荷载下的动力响应。 v 帽鬟 前排植前排桩 鱼 厂厂、羲壤碴匹厂 鳞_ | 日 | 石 一 l i lj l l l 1 i l i l l l l l l l l l l l l l i l l l l l l l 1 1 1 l l l i l l i i l l l l l l l i i i l l l l l l l l l l l l l l l 门d 口ddd 口口古口o 口dn 门n 口n 永 1 f 糖 0旦 口口口口口 且 口口_ 日日b 日d 廿口口口 d口口 一一 连系粱幽枢 上前 幽桩 1 图1 1钱塘江排桩丁坝平面示意图 图1 - 2 钱塘江排桩丁坝剖面示意图 由于钱塘江排桩丁坝是一种新型的水工结构体系，设计计算缺乏理论指导， 尤其是设计中的涌潮压力模型，桩土相互作用模型都亟需确定。排桩式丁坝的横 向动力响应问题可视为特殊的“流体一群桩一土体”的耦合振动问题：涌潮荷载 是冲击荷载，丁坝在海床以下部分和土体相互作用，丁坝在海床以上部分和流体 耦合振动。 2 渐江大学博士学位论文第一章绪论 “流体一群桩一土体”的耦合振动包括三大部分内容：( 1 ) 流体对土体的作 用问题；( 2 ) 流体对群桩的相互作用问题；( 3 ) 群桩和土体的相互作用问题。 ( 1 ) 流体对土体的作用问题。若干工程实例表明，桩的失稳在很大程度上 与海床中的孔隙水压力有关不同海床对波浪的响应也是不同的，海床的液化或 海床地基土的模量改变是不可忽略的，因此说海床土的动态响应是一个非常重要 的问题。海洋土的位移对于埋置的桩柱等结构物的稳定性至关重要，尤其是海洋 土的水平位移，在桩基的挠度和弯曲应力计算时就必须考虑到海洋土的横向位移 对桩基造成的影响；另外，波浪作用下海洋土的内部应力应变情况也是非常复杂 的，海床土体模量的改变，直接影响到桩体位移、应力计算。 ( 2 ) 流体对群桩的相互作用问题。流体对于桩体的作用力可以分为绕射力、 惯性力、速度力问题，海洋工程计算波浪力中根据桩径和波长的比例采用两种方 法：( a ) 若桩径较大，则认为速度力可以忽略，采用势流理论计算。其中有对于规 则几何形状的圆柱体可以解析求解，对于几何不规则的物体可采用g r e e n 函数求 解。( b ) 若桩径较小，则认为绕射力可以忽略，采用半理论半经验m o r i s o n 公式计 算。另外，由于流体对桩作用力不仅取决与流体的水质点运动速度，也取决于桩 的横向振动速度。在埋置桩在流体中振动的研究中，振动决定了他所受流体力的 大小；反过来，受力又影响了物体的运动，改变了桩的边界条件。因此，积分方 程和运动方程是互相耦合的，需要同时求解。应当全面的考虑流体和桩的耦合作 用时，波浪流体对桩体的绕射力、惯性力和速度力。 ( 3 ) 群桩和土体的相互作用问题。该问题属于岩土工程中的经典问题。桩 基是海洋工程的一种重要基础型式，除了承受垂直的轴向荷载外，更重要的是需 考虑承受来自波浪流体的侧向水平荷载，波浪侧向荷载作用下，桩基会因为抵抗 弯矩不足而发生断裂破坏，或产生过大位移而影响上部结构。因此桩基的设计是 海洋工程设计的一项重要内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 流体对土体的作用问题 自2 0 世纪4 0 年代初直到现在，人们对海床和孔隙水的物理性质，比如，土 的刚性、可渗透性、可压缩性以及饱和度等等性质作了各种假设，已经提出了许 3 浙江大学博士学位论文第一章绪论 多理论模型研究波浪引起孔隙水压力及剪应力变化归纳起来大致可分为三类： 第一类是把土看成是多孔连续介质，孔隙水为不可压流体( 【1 3 1 ) ；第二类仍是把土 看成是多孔连续介质，但同时考虑了孔隙水的可压缩性( m ；【5 1 ；等等) ；第三类 则除了把土体看作是可变形的多孔弹性介质外，还考虑了可压缩孔隙水和土骨架 之间的相互作用( 【6 】；川；t 8 1 ) 。前两种模型无论是否考虑孔隙水的可压缩性，都没 有考虑土骨架运动变形以及孔隙水渗透的耦合，控制方程简化为孔隙水压力满足 l a p l a c e 方程( 孔隙水不可压) 或满足扩散方程( 孔隙水可压) 。这样得到的孔隙水压 力只局限于特殊情况，比如：l a p l a c e 方程适用渗透性非常好的底床，如粗砂质 底床；扩散方程适用于底床非常硬而且渗透性比较弱的底床，如砂岩质底床而 且这两种模型无法给出土床中应力分布的信息。第三类模型是基于b i o t 的多孔 弹性介质模型建立的，它比较贴切地反映了砂土的特性。 由于b i o t 固结理论真实模拟了波浪作用下海床的动力响应，很多学者采用 此模型研究海床在波浪荷载下的动力问题。张金凤等【9 】针对非均质各向异性海 床，建立了波浪作用下海床动力响应的二维有限元数值模型。王栋【1 0 】采用 k e l v i n v 0 i g t 模型描述海床土骨架的本构关系，从g a l e r k i n 加权余量法除非建立 以土骨架位移和孔隙流体全位移表达的有限元边值方程，采用n e w m a r k 逐步积 分法求解时域内动力方程。刘红军等【1 1 】分析了波浪作用下海床土体的体积应变随 深度的分布情况，考虑了不同土体参数和波浪参数对土体体积应变的影响。章根 德等【1 2 】采用b i o t 理论分析了有限厚度砂床对波浪荷载的响应。但目前很多工作 主要限于数值解，关于波浪荷载下弹性海床的动力响应问题的解析解并不多。 1 2 2 流体对群桩的相互作用问题 海洋工程中，波浪和桩的相互作用问题则属于经典问题。( 1 ) 在计算大尺度 物体和波浪的相互作用力，一般采用势流理论，即忽略流体的黏性，把波浪模型 的速度势级数展开，通过边界条件确定待定系数，考虑到了由于结构物存在对入 射波浪的散射作用而产生的散射效应以及结构物与流体自由表面接近而产生的 自由表面效应，即考虑了流体的惯性力和绕射力，忽略了流体黏性引起的速度力。 对于规则几何外形的物体如圆柱、圆球等一般采用解析方法；对于不规则几何外 形的物体一般采用g r e e n 函数法计算。( 2 ) 波浪与小尺度物体之间相互作用一般 采用m o r i s o n 公式计算，但m o r i s o n 方程是一个半经验半理论的公式，它忽略了 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 流体对物体的绕射力，考虑了由于流体黏性而引起的黏滞效应和由于流体的惯性 及结构物存在而引起的附加质量效应，正确选用阻力系数和惯性力系数则是一个 关键问题。 在大尺度物体波浪力解析分析中，h a v e l o c k 【1 3 】和m a c c a m ya n df u c h s t l 4 1 首先 对无限水深和有限水深中均匀直立圆柱做了研究，得到了波浪绕射问题的解析 解。之后，g a r r e t 1 5 1 和y e u n g 1 6 】分别得到了三维截断圆柱绕射问题和辐射问题的 解析解。m a l e n i c a 1 7 】等采用特征展开的方法得到了无限水深上波浪和流联合作用 下垂直圆桩的绕射和辐射情况的半解析解。h u l m e 1 8 】得到了无限水深中漂浮半球 附加质量和辐射阻尼的解析解。l o p e sa n ds a r m e n t o 1 9 】对有限水深中淹没圆球的 辐射问题进行了进一步的研究，得到了更为简单的表达式 采用势流理论解析分析方法，周叮1 2 0 】利用广义三角级数的正交完备性，求得 了悬臂梁与液体耦合振动的振型函数和频率方程的精确解析解。张绍文等【2 1 岍究 了水中两类悬臂结构的弯曲自由振动与水动力特性关系，指出扰动水压力对结构 的作用相当于在柱上附加分布质量，并给出了附加质量的确切算式。只是他们的 工作还局限于研究悬臂梁的水动力学特性。 但是解析解只能计算圆柱、圆球等简单形状的物体，对于实际中应用的各种 物体，如船舶、海洋平台等具有复杂形状的物体则无能为力，而数值方法却有着 这方面的优势( y r e u n g c 2 2 1 ) 。一般采用的数值方法有有限元方法( m e i 2 3 矧) ，有限 差分法( h a r l o w 【2 5 1 ，w a n g 2 6 1 ，邹志利【卅) 和边界元等方法 对于小尺度物体和波浪的相互作用，一般采用m o r i s o n 公式计算，而研究的 重点则是在c m 和c d 这两个系数的确定问题。m o r i s o n 公式在1 9 5 0 年由美国加 利福尼亚州伯克利大学的m o r i s o n 、o b r e n 及j o h n s o n 所提出，它是一个半经 验半理论方法，它认为当构件直径d 与波长相比很小：d l 0 1 5 时，波浪场将 基本不受桩柱存在的影响而传播。这时其所受波浪力可视为两部分组成，一部分 是由未扰动的波浪速度场所产生的速度力，另一部分是由波浪加速度所产生的加 速度力。有很多学者针对c m 和c d 的确定开展了研究。 在实际工程中，大直径圆柱结构通常不是单独存在，而是以群墩的型式存在。 因此，研究波浪与大直径结构群墩相互作用有十分重要的实际意义。 s p r i n g 等【2 8 】以理论模型为出发点，充分考虑各柱的位相关系，改进了l i n t o n 浙江大学博士学位论文第一章绪论 和e v a n s 的简化解【2 9 1 ，从理论上初步证明了柱间不连续的条件下，经改进后这类 解是存在的。朱大t 3 0 j 应用柱面上阻抗型边界条件分析单柱和圆柱群上波面高度 和总波浪力的分布规律。滕斌1 3 1 】应用映像原理，将直墙前单个圆桩对波浪的绕射 问题，变换为双柱对双向波浪的绕射问题，得到了解析解。通过数值计算研究了 圆柱与直墙间距离大小、波浪入射角等因素对圆柱上总波浪力的影响，直墙前圆 柱上的波浪力将成倍增加，且随着波数的变化而发生振荡。s p r i n ga n d m o n k n e y e r 3 2 】将多桩柱对势流场绕射的计算应用得了波浪对多圆柱的分析中来， l i n t o na n de v a n s 3 3 】对桩柱周围的速度场做了简化，得到了桩柱上作用力的简单 表达式缪国平等【3 4 】对m a n i a r 和n e w m a n 从俘获波影响得出长柱列上波浪力有 几十倍增加现象讨论。 小直径桩一般是以群桩的形式出现在海洋工程建筑物中。在波浪力下，群桩 中各组成桩的受力常与孤立桩有较大的差别。这种变化的原因被称之为群桩效 应。群桩效应除与相对桩距、群桩排列方式、桩个数等几何因素有关，还与波要 素及波态有关。由于桩群周围的波动场是目前理论上难以描述的涡动场，故普遍 采用模型实验手段来研究群桩效应问题。 b u i i n e l l 3 5 】在振荡水洞中研究了两个桩和3 x 3 组合桩的相互干扰影响，指出 干扰影响随着相对流动位移的增加而增加，受遮蔽桩上的最大阻力可减小到孤立 桩的5 0 。s a r p k a y a 3 6 】用振荡水流进行了两个桩的实验，桩心距为1 5 - 3 5 倍桩 径。对于横向排列，当桩心距大于桩径2 5 倍时，阻力系数和惯性力系数与相应 孤立桩的系数值相当。g h a k r a b a n i 【3 7 】在波浪水槽中测量了并行排列的两个桩、三 个桩和五个桩，桩心距从4 1 0 倍桩径的波浪力，实验发现作用力系数依赖于k c 数和相对桩距。国内科学家对组合桩的波浪作用力也进行了实验研究，并得到一 些有益的结果。 m o s 协f a 【3 8 】采用动力p y 曲线和f f 曲线模拟桩土相互作用，用有限元法计 算波浪荷载下群桩的动力响应，但是忽略了流体和桩的耦合作用。刘笑海1 3 9 1 试验 研究了埋置刚性桩上的波压力，并没有考虑桩和流体的耦合作用。一般处理埋置 弹性桩在流体中的动力响应时，都是将海床以上部分假定为悬臂粱，考虑流体一 桩的耦合作用，再分析桩的埋置段在土体中的动力响应。 6 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 3 群桩和土体的相互作用问题 海洋平台、海洋建筑物的桩土相互作用模型，国内外许多学者其中大都以泥 面下6 倍桩径处嵌固端等效桩土相互作用或以静力p y 曲线法或m 法模拟桩土 间相互作用【4 0 4 3 1 ，桩侧土对桩的作用力简化为连续分布的线性弹簧】。王腾【4 5 】 针对独桩海洋平台横向受力连续体系建立刚度矩阵，求得了波浪力下桩身位移。 而目前埋置群桩在波浪荷载下的动力响应问题，基本都没有考虑桩土相互作用的 群桩效应。 1 2 4 钱塘江排桩式丁坝 钱塘江以往广泛使用的丁坝均为堆石丁坝，首次使用的桩式丁坝是一种新型 的水工结构，已经开展了关于钱塘江桩式丁坝的促於护岸效果研究和冲刷研究， 但对于桩式丁坝的受力分析，特别是涌潮作用下的受力分析研究还没有开展。 杨永楚等】对桩式丁坝的设计进行了探讨研究，但在结构体系和荷载都做了 许多假定和简化，给结构的安全性和经济性带来一定问题，需要进行大量的现场 观测。邵卫云等m 对钱塘江六桥桥墩上所受正面涌潮压力进行了全过程的动态测 试，认为涌潮压力值在涌潮高度所引起的静水压力附近波动，并且测量到涌潮的 冲击力近似于沿水深呈线性分布。对于排桩丁坝的类似结构，蔡袁强等【4 8 蝌对软 粘土地基基坑开挖中双排桩围护结构进行了数值分析，通过有限元方法探讨了桩 身刚度、排桩间距、对围护结构变形和内力的影响。 目前，研究钱塘江涌潮水文特性的文献较多，而涌潮压力的方面的研究较少。 仅有少数学者对涌潮压力进行现场观测，深入分析涌潮压力作用机理的文献尚未 见到。 周胜等【4 9 】曾做过涌潮的原型观测，并以此入手分析了流速随时间的变化规 律，其测试是在没有水工建筑物的江中进行的。陈希海f 5 0 l 在现场涌潮动力测试的 基础上，分析了影响涌潮强弱的主要因素，以及涌潮对建筑物的作用。林炳尧等 通过模型试验，研究了涌潮作用下堆石丁坝上游护面板内、外水压力及两者压力 差。林炳尧等 5 1 】对钱塘江丁坝的水力特性进行了深入的研究，分析了丁坝与涌潮 以及丁坝与海塘之间的关系，主要着眼于丁坝的水力特性。朱军政【5 2 】在排桩式模 型试验基础上研究了丁坝不同部位涌潮冲击力，认为涌潮破碎后，对露于潮前水 浙江大学博士学位论文第一章绪论 位的物体会有较大的冲击力，潮前水位以下建筑物受到的涌潮压力甚小，且随水 深增加降低较快，并得出了一些对工程中排桩式丁坝涌潮压力设计荷载有意义的 结论。赵渭掣5 3 】在水槽中采用动床模型试验研究了涌潮条件下不同透水率的排桩 式丁坝群的水力学冲淤特性。杨火其等【5 4 】研究了单、双排桩在块石保护下不同部 位的不同冲刷特性，但未分析桩身的内力情况。邵卫云等【5 5 】利用波浪力经验公式 对涌潮压力进行计算，并与实测的涌潮压力进行对比和分析，认为用于涌潮压力 初步估算的理论有浅水长波理论和驻波理论。 吴济难 5 6 1 在试验水槽试验的基础上，考虑了水流压缩比，水深，流量，槽底 糙率对丁坝涌潮压力的影响，得出不透水淹没直立丁坝涌潮压力的计算式，但是 该计算公式只能计算丁坝坝面的平均压力。陈海军 5 7 1 采用了标准七一占模型和 v o f 方法模拟了涌潮冲击排桩丁坝的全过程，研究了涌潮压力。宋洋【5 8 】把现场 实测涌潮压力作为荷载输入，应用动力方法有限差分法对丁坝的动力响应进行 分析计算j 揭示了不同土参数和结构形式对排桩丁坝动力响应的影响。 1 3 本文的研究工作 本文基于b i o t 固结理论，采用弹性多孔介质土模型和波浪线性波理论，结 合边界条件，应用解析方法得到了波浪作用下有限深度海床的动力响应。研究了 波浪荷载下土骨架的位移情况，以及不同土参数、波浪参数时海床的土体应力分 布，结合土的动力特性，国内首次研究了海床土动模量在波浪作用下的竖向分布 情况，并以此作为“流体一群桩一土体”的耦合振动问题中土体模量确定的计算 依据。 对于埋置大直径桩的波浪力，可忽略流体的黏性，只要考虑流体的绕射力和 惯性力部分，采用满足自由水面条件的速度势的级数展开方法，考虑桩身为弹性 体，土体为w i n k l e r 地基模型，利用泥面处的桩身的应力、位移连续条件，再利 用桩和流体的耦合振动即桩的水平振动速度等于耦合面上的流体速度建立方程， 综合考虑了桩和流体耦合振动和埋置层对动力响应的影响。运用斯特姆一刘维本 征值理论【5 9 1 ，获得了线性波浪作用下埋置大直径单桩的动力响应解析解。将埋置 桩退化为固定在海床底部的悬臂圆柱，用本文方法计算的波浪荷载作用力和 a b u l a z m 【删的柔性悬臂圆桩的波浪力相比较，吻合较好。利用给出的解析解， 8 浙江大学博士学位论文第一章绪论 分析了不同土参数和波浪参数对埋置大直径弹性桩动力响应的影响，对有限水深 上流体与埋置大直径桩相互作用的绕射和辐射问题进行了理论研究和数值计算。 对于埋置小直径弹性桩，采用修正m o r i s o n 公式计算波浪力，惯性力系数 c m 和速度力系数c d 的取值参考了前人的关于弹性桩修正m o r i s o n 公式系数的 实验，从而更加准确的计算流体附加质量和附加阻尼。由于m o r i s o n 公式中的速 度力和流体质点速度的平方成正比，给动力分析带来很大的困难，通过f o u r i e r 级数展开的方法将速度力线性化处理，分别建立了桩水耦合振动单元模型和桩土 耦合振动单元模型。利用e u l e r 梁的内力一位移关系，得到了桩水耦合振动单元 刚度和桩土耦合振动单元刚度，然后集合桩身单元刚度，形成总体刚度矩阵，把 m o r i s o n 力等效为单元节点荷载，用数值方法求得小直径埋置桩在波浪荷载下的 动力响应，同时分析了埋置小直径弹性桩动力响应的影响因素。针对不同土参数 和波浪参数，将本文方法与6 倍桩径法及忽略桩水耦合的计算方法进行对比。 对于波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题，以小尺度弹性桩在波浪力下的动 力响应数值解为基础，使用规范法分析桩水相互作用的群桩效应，采用双桩的桩 间土w i n k l e r 地基模型和波在土中传播的衰减函数y ( s ，妒) 1 6 1 l 来分析桩土相互作 用的群桩效应。数值计算了波浪荷载下群桩的横向相互作用因子。计算结果表明， 埋置弹性群桩的受力比较复杂，其动力响应和波浪力的入射角度、桩间距、群桩 排列方式都有关系，本方法综合考虑了桩水耦合振动、桩水相互作用的群桩效应、 桩土相互作用的群桩效应和埋置土层等因素，真实的模拟了埋置群桩在波浪荷载 下的受力状态。 钱塘江排桩式丁坝是一种新型的特殊水工结构，关键在于涌潮荷载的独特 性，以本文获得的波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题的数值解为基础，根据现 场实测涌潮压力时程曲线，把现场实测涌潮压力通过傅里叶变换，化为正弦荷载， 求解涌潮作用下桩式丁坝的动力响应并和现场实测相对比。探讨了涌潮高度，丁 坝桩径，桩距，砂质海床土参数对排桩丁坝动力响应的影响。 9 浙江大学博士学位论文第二章波浪荷载下海床的动力响应 2 1 前言 第2 章波浪荷载下海床的动力响应 海洋土和陆地土所处的环境不同，海洋土承受的加载条件更为恶劣。当波传 播时在水土交界面上存在一个循环压力，这一循环压力渗透到多孔床内部。由弹 性力学分析可知，对于土层中某一固定点，其主应力方向在波浪作用的一个周期 内，连续旋转1 8 0 ，而偏主应力保持常量。这种应力状态是波浪作用下的弹性体 内所特有的，其结果造成海洋土在波浪的循环载荷下抗剪强度大幅度降低，使得 海床失稳甚至液化。与陆地情况相比，海洋建造物及其地基的动力响应及变形存 在显著差别。根据土的动力特性，土体在波浪等流体作用下，土体模量也和静模 量不同，这对于埋置的海洋建筑物的动力响应的影响是必须考虑的。 波浪和海床相互作用的研究已有许多研究成果，但有的是把土看成是刚性多 孔连续介质，孔隙水为不可压流体一1 。3 1 ) ；有的仍是把土看成是刚性多孔连续介质， 但同时考虑了孔隙水的可压缩性( 刚；【5 1 ) ；有的采用了海床是弹性的连续介质， 在海床内没有流体流动的假定【6 2 1 。而在真实的海床中，孔隙水的流动、土体变形 和体积变化是同时发生的，为了将这