動(dòng)荷載條件下波浪樁力學(xué)性能分析

袁肇彥

（廣東省科達(dá)水利電力巖土工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

水工建筑物的設(shè)計(jì)中,常遇到建筑物地基地質(zhì)條件不好、豎向承載力和抗滑穩(wěn)定不滿足的情況[1-5]，采用樁基礎(chǔ)處理地基,是解決這些問題的有效措施之一[6]。波浪樁是一種新型的預(yù)制護(hù)岸結(jié)構(gòu)，采用工廠化預(yù)制，離心成型，高溫養(yǎng)護(hù)成樁。相比普通混凝土樁，其耐久性能好，其抗氯離子、抗硫酸鹽、抗凍、抗?jié)B等性能均達(dá)到國標(biāo)中強(qiáng)腐蝕環(huán)境下100年的要求，因此在沿海的水利工程中使用廣泛[7]。

目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)波浪樁的工作性能以及應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。王元戰(zhàn)等[8]采用改進(jìn)Morison波浪力計(jì)算公式研究了流固耦合對(duì)樁身波浪力的影響,并給出了考慮流固耦合影響的波浪力放大系數(shù)圖表；郭英等[9]針對(duì)黑龍江地區(qū)極寒地質(zhì)條件進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土波浪樁鉆孔和沉樁設(shè)備選型試驗(yàn)；劉田玉[10]針對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鋼管樁結(jié)構(gòu),考慮波浪荷載的周期性作用,計(jì)算分析了單樁式基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型；閆彭彭[11]采用AutoBank軟件對(duì)堤防各運(yùn)行工況進(jìn)行波浪樁穩(wěn)定分析；鐘可圳[12]在預(yù)應(yīng)力混凝土波浪樁技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)該工程?hào)|鳳鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土波浪樁鉆孔及沉樁設(shè)備的組合、施工工藝及具體施工過程等進(jìn)行了可行性論證；王靜[13]闡述了預(yù)應(yīng)力混凝土波浪樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；劉永利等[14]結(jié)合波浪樁護(hù)岸在沂河北島安全生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目中的應(yīng)用,介紹了波浪樁的施工工藝及施工控制要點(diǎn)。

從以上文獻(xiàn)分析可以得出，當(dāng)前國內(nèi)對(duì)波浪樁的研究主要集中于應(yīng)用和施工工藝方面，少有文獻(xiàn)對(duì)波浪樁的動(dòng)力性能進(jìn)行研究，而動(dòng)荷載是沿海樁基設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，因此有必要對(duì)波浪樁在波浪荷載和地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。因此，本文以廣東省臺(tái)山市新昌水波浪樁工程為例，采用有限元軟件分析了波浪荷載和地震荷載作用下，波浪樁的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

本次研究的波浪樁工程位于臺(tái)山市新昌水(四九河段)，治理河道總長為10.5km，護(hù)岸11.06km，清淤疏?？傞L7.0km，其中樁號(hào)S0+109—0+562段右岸共453m為波浪樁措施，波浪樁每根寬0.588m，長4m，共有770根。護(hù)岸采用雷諾護(hù)墊砌護(hù)，雷諾護(hù)墊尺寸6m×2m×0.3m，為減少岸坡滲漏，在雷諾護(hù)墊底部鋪設(shè)兩布一膜，規(guī)格尺寸為200g/m2，左岸岸坡頂設(shè)置7.5m寬堤頂?shù)缆?右岸岸坡頂設(shè)置6m寬堤頂?shù)缆?護(hù)岸水面以上超高部分和堤頂?shù)缆芬陨线吰略O(shè)1.65m×1.65m砼網(wǎng)格梁,內(nèi)填耕植土，人工播撒草籽。圖1為波浪樁。

圖1 波浪樁

3 數(shù)值模型

3.1 波浪壓力分析

本文的數(shù)值模擬分兩部分，第一部分先分析波浪樁在波浪荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。因此在進(jìn)行力學(xué)分析之前，首先必須知道波浪的變化規(guī)律，才能施加波浪壓力。本文在計(jì)算之前通過多次現(xiàn)場測(cè)試先獲得了波浪的波高變化規(guī)律，如圖2所示。圖中為測(cè)試時(shí)間約600—760s之間，其波高最高31cm，波動(dòng)由不同高度、不同周期的波浪組成的，在高度和周期上存在不明顯的變化規(guī)律，因此需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。當(dāng)前分析復(fù)雜波的主要方法有兩種，頻譜分析和逐波（波列）分析，本文采用更強(qiáng)大的頻譜分析方法。假設(shè)海況可以被視為具有不同頻率、高度和方向的大量規(guī)則正弦波分量的組合或疊加。也就是說，頻譜分析方法通過將波記錄的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為波譜來確定每個(gè)波頻率的波能量分布和平均統(tǒng)計(jì)信息，這本質(zhì)上是從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。

圖2 波浪的波高變化

在獲得規(guī)律變化的時(shí)頻圖后，開展一系列流體動(dòng)力學(xué)模擬，最后得到了波動(dòng)量變化圖，即后期數(shù)值模擬輸入的波浪壓力以波動(dòng)能代替，如圖3所示。

圖3 波動(dòng)量變化規(guī)律

3.2 地震荷載分析

本次分析將0.2g、0.3g、0.4g和0.5g的地震加速度施加在來自樁基底部，施加時(shí)間2s。為了獲得樁的最大響應(yīng)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2s的振動(dòng)時(shí)間滿足條件，因此，不再嘗試進(jìn)一步的時(shí)間性能分析。

3.3 模型建立

為探究一組波浪樁在波浪壓力下的力學(xué)性能，本次采用有限元軟件對(duì)波浪樁進(jìn)行建模分析。圖4為本次建立的有限元模型。圖中，地基土為密砂，高8m，波浪樁每根寬0.588m，長4m，采用三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量1 282個(gè)，材料采用彈塑性模型，波浪動(dòng)力與第三節(jié)中的分析結(jié)果保持一致。至于邊界條件，擋水面為應(yīng)力邊界，隔水面為自由表面，底板全約束。表1為數(shù)值計(jì)算參數(shù)。

圖4 波浪樁數(shù)值模型

表1 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 破浪荷載下樁基響應(yīng)

圖5給出了波浪荷載下，樁基頂部位移變化結(jié)果。由圖可知，樁基的位移呈非線性變化趨勢(shì)明顯，局部動(dòng)蕩較為明顯，位移先增大后減小。樁基在6s的動(dòng)荷載下，最大位移分別為0.011m，發(fā)生在2.5s的時(shí)間點(diǎn)上，之后回彈至0.09m。此外，從圖中還可得出，即使在正弦荷載下獲得了相似的最大振幅，但樁基的位移變化并非呈周期性變化，這是由于樁基產(chǎn)生共振效應(yīng)而引起的，因此在進(jìn)行波浪樁安全設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮樁體的共振效應(yīng)，提高樁基下沉位移設(shè)計(jì)的可靠性。

圖5 波浪荷載下樁基頂部位移變化結(jié)果

4.2 地震荷載下樁基響應(yīng)

了解波浪樁對(duì)地震荷載的響應(yīng)對(duì)于樁體動(dòng)力設(shè)計(jì)至關(guān)重要。因此，本節(jié)研究了密實(shí)砂土中樁在各種動(dòng)荷載加速度（即正弦振動(dòng)）下的響應(yīng)（加速度、垂直位移）。為了正確模擬波浪樁和砂之間的摩擦相互作用，根據(jù)砂的相對(duì)密度定義了接觸界面。此外，在樁頭估算樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（加速度、位移）。圖6給出了波浪樁在地震荷載作用下加速度變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，波浪樁頭的加速度和位移都隨著動(dòng)載荷的增加而增加，振幅響應(yīng)較大，能夠響應(yīng)0.5g至2.5g的加速度。圖7給出了波浪樁在地震荷載作用下樁頭位移變化規(guī)律。由圖可知，隨著地震加速度的增大，樁的位移同樣出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但最大位移峰值時(shí)間具有一定差異，在密實(shí)砂中樁產(chǎn)生的最大位移范圍為0.1m至0.5m。

圖6 波浪樁在地震荷載作用下加速度變化規(guī)律

圖7 不同水位下液壓壩的位移變化規(guī)律

5 結(jié)論

本文以廣東省臺(tái)山市新昌水波浪樁工程為例，采用有限元分析軟件分析了波浪荷載和地震荷載作用下，波浪樁的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，波浪荷載作用下，樁基的位移呈非線性變化趨勢(shì)明顯，位移先增大后減小。樁基在6s的動(dòng)荷載下，最大位移分別為0.011m，發(fā)生在2.5s的時(shí)間點(diǎn)上，之后回彈至0.09m。另一方面，在地震荷載作用下，波浪樁頭的加速度和位移都隨著動(dòng)載荷的增加而增加，振幅響應(yīng)較大，能夠響應(yīng)0.5g至2.5g的加速度，樁產(chǎn)生的最大位移范圍為0.1m至0.5m。研究成果可為工程提供參考?！?/p>