高桩承台桩基波浪荷载试验研究

仇正中，刘建波，代浩

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210000）

高桩承台桩基波浪荷载试验研究

仇正中1，刘建波1，代浩2

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210000）

基于典型的冲刷坑形态，通过改变冲刷深度，对单桩、五桩和九桩进行了冲刷前、后波浪力试验，研究了波浪荷载的变化规律。根据试验数据，对Morison公式的速度力系数和惯性力系数进行修正。结果表明，随着冲刷深度增大，桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势。同一冲刷深度条件下，桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中速度力系数和惯性力系数取值相对保守，规范计算得出的速度力和惯性力约为实验室实测值的2.7倍和2.1倍。

桩基础；物理模型试验；波浪荷载；速度力系数；惯性力系数

0 引言

在近海、海岸工程设计施工中，桩基结构所承受的波浪荷载通常是结构设计的控制荷载，研究桩基波浪荷载很有必要。桩基础一般为小尺度构件，波浪荷载一般采用Morison方程进行计算，方程中关于速度力系数和惯性力系数的取值主要基于JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[1]取值[2]。实际上，不同国家针对这两个系数的取值并不相同，且有一定差距。另外，深水处的跨江、跨海桥梁基础，受力情况复杂，桥梁桩基在水流冲刷作用下，桩周土体在水流形成的漩涡中不断被掏空，导致桩基周围产生冲坑，冲坑的存在对桩基波浪荷载也有一定的影响[3]。本文通过室内模型试验，基于典型冲刷坑形态，通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用对典型的单桩、五桩和九桩基础进行了冲刷前后的波浪荷载变化规律研究，并比较实验室实测的速度力和惯性力系数与规范值，对桩基波浪荷载的计算提供参考[4-5]。

1 试验概况

1.1 模型桩制作

本次试验模型比尺为1∶30，单桩、五桩和九桩基础示意见图1，其中五桩波浪荷载加载方向为0°和45°。桩采用外径D=6 cm，壁厚d=3 mm的钢管制成，桩长L=100 cm，群桩的桩间距取3D。承台底部采用厚1 cm的钢板制成，内部焊接1 cm厚格构栅钢板，侧面采用3 mm薄钢片焊接而成，钢片高5 cm[6]。

图1 桩基础结构示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of pile foundation structure（cm）

1.2 试验场地条件

试验在宽水槽中进行，水槽总长40 m，净宽5.0 m，其铺砂厚度为0.6 m，桩基础布置在试验段的中央。试验水槽一端为摇摆式造波装置，可产生规则波，事先在宽水槽内率定好波要素，试验时根据相应波要素产生规则波，形成波浪动力。

在进行波浪力试验时，分别对3种结构方案进行了不同桩基长度的波浪总力试验，3种桩基础长度分别为70 cm、55 cm和40 cm。本次试验波要素为原型波高3.0 m，波周期为8.25 s，模型波高为10 cm，波周期1.5 s。本次波流力试验主要针对单桩、五桩和九桩基础进行研究，选取了2种模型水深条件，模型水深分别为25 cm和35 cm，冲刷选用2种冲坑，分别为15 cm和30 cm，将其与未冲刷工况进行对比。

1.3 试验设备和布置

波浪总力测试主要采用南京水利科学研究院生产的CSW-Ⅱ型压强和总力测量系统测量。

模型桩基结构按1∶30的几何比尺缩小制作，模型与原型保持几何相似，桩基结构按刚性结构进行模拟。将桩基结构放置在水槽中，以单桩基础，水深35 cm，冲深30 cm为例，桩基础试验布置见图2，桩基结构在波浪作用下所受的速度力和惯性力的测力仪布置见图3。

图2 桩基试验布置Fig.2 Testing arrangement of pile foundation

图3 单桩总力传感器布置示意图Fig.3 Schematic diagram of totalforce sensor layout of single pile

1.4 试验组次

波浪荷载试验组次如表1所示。

表1 波浪荷载试验组次Table 1 Test group of pile wave load

2 结果分析

2.1 模型试验结果分析

同一水深条件下，桩基础所受波浪力随冲刷深度的变化如图4所示。由图可知，随着冲刷深度增大，桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势，冲刷深度0 cm时，桩基础所受波浪荷载最大，冲刷深度15 cm和30 cm时，荷载变化并不明显。同一冲刷深度条件下，桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。

表2 桩长70 cm速度力及惯性力的最大值Table 2 Maximum value of drag and inertia force when pile length 70 cm

表3 桩长55 cm速度力及惯性力的最大值Table 3 Maximum value of drag and inertia force when pile length 55 cm

表4 桩长40 cm速度力及惯性力的最大值Table 4 Maximum value of drag and inertia force when pile length 40 cm

2.2 波浪力系数计算

波浪对桩基的作用力可依据《港口与航道水文规范》的规定，对于D/L≤0.2的小尺度桩柱，波浪力可根据莫里森公式计算。

图4 桩基波浪荷载Fig.4 Wave load of pile foundation

表5 桩长70 cm速度力系数和惯性力系数计算值Table 5 Calculated value of drag and inertia force coefficient when pile length 70 cm

表6 桩长55 cm速度力系数和惯性力系数计算值Table 6 Calculated value of drag and inertia force coefficient when pile length 55 cm

表7 桩长40 cm速度力系数和惯性力系数计算值Table 7 Calculated value ofdrag and inertia force coefficient when pile length 40 cm

表8 各国规范对CD、CM的建议值Table 8 Recommended values of CDand CMin national specifications

3 结语

本文以物理模型试验为手段研究，通过改变冲刷深度，对单桩、五桩和九桩进行了冲刷前、后波浪力试验，主要研究结论如下：

1）随着冲刷深度增大，桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势，冲刷深度0 cm时，桩基础所受波浪荷载最大，冲刷深度15 cm和30 cm时，荷载变化并不明显。同一冲刷深度条件下，桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。

2）调研了国内外规范CD、CM值，国内《港口与航道水文规范》取值相对比较保守。根据国内的规范计算得出的速度力和惯性力约是实验室实测值的2.6倍和2.0倍，试验室实测的波浪荷载计算得出的CD、CM值约为0.47、1.0，与美国API规范结果接近。

3）针对临时工程构件考虑波浪荷载，如果有合理的物理模型试验结果作为支撑，可以考虑适当减小波浪荷载，可以大大减小构件尺寸，取得良好的经济社会效益。

[1]JTS 145—2015，港口与航道水文规范[S]. JTS 145—2015,Code ofhydrology for harbor and waterway[S].

[2]胡勇，雷丽萍，杨进先.跨海桥梁基础波浪（流）力计算问题探讨[J].水道港口，2012，33（2）：101-105. HU Yong,LEI Li-ping,YANG Jin-xian.Study of wave force on foundation of sea-crossing bridges[J].Journal of Waterway and Harbor,2012,33(2):101-105.

[3] 郭超.桥墩冲刷与波流力的试验研究[D].北京：清华大学，2012. GUO Chao.Experimental study on bridge pier scour and wavecurrentforces[D].Beijing:Tsinghua University,2012.

[4]兰雅梅，薛雷平，刘桦，等.东海大桥桥梁桩桩承台水动力模型试验研究-第一部分：作用于单个小尺度桩柱上的波流力[J].水动力学研究与进展：A辑，2004，19（6）：753-758. LAN Ya-mei,XUE Lei-ping,LIU Hua,et al.Experimentalstudies on hydrodynamic loads on piles and slab of Donghai Bridge Part I: hydrodynamic forces on a single pile in wave-currentcombinations [J].Journalof Hydrodynamics:Ser.A,2004，19(6):753-758.

[5]姚文伟.桩基结构物波浪力的工程计算方法[D].上海：上海交通大学，2009. YAO Wen-wei.An engineering approach for computation of wave loads on pile-slab structures[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.

[6]何泓男，戴国亮，杨炎华，等.局部冲刷下群桩水平承载试验研究[J].岩土力学，2015，36（10）：2 940-2 945. HE Hong-nan,DAI Guo-liang,YANG Yan-hua,et al.Experimental study of lateral bearing behavior of pile group foundation underlocalscour condition[J].Rock and Soil Mechanics,2015,36 (10):2 940-2 945.

Experiment research on wave load of high-capped-pile foundation

QIU Zheng-zhong1,LIU Jian-bo1,DAIHao2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd,Wuhan,Hubei430040,China; 2.SchoolofCivil Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu 210000,China）

Based on the typical shape of scour hole,we analyzed the change law of wave load by the experiment of the single pile,five piles and nine piles before and after scouring via to changing the scour depth.According to the experiment data,we corrected the drag force coefficient and inertia force coefficient of Morison formula.The result shows that the wave load of pile foundation is decreased with the increase of the scour depth.Under the condition of the same scour depth,the wave load ofthe pile foundation is decreased with the increase ofwater depth.Itis relatively conservative ofthe drag force coefficient and inertia force coefficient in JTS 145-2015 Code of hydrology for harbour and waterway.The drag force and inertia force calculated by rules is 2.7 and 2.1 times than the forces measured by experiment.

pile foundation;physical model experiment;wave load;drag force coefficient;inertia force coefficient

U655.544

A

2095-7874（2017）02-0048-05

10.7640/zggwjs201702010

2016-08-09

2016-11-10

交通运输部应用基础研究项目（2013319759060）

仇正中（1986— ），男，江苏盐城人，工学硕士，工程师，港口海岸及近海工程专业。E-mail：qiuzhengzhong@126.com