关键词:
海洋工程
大直径管桩
水平振动
动水压力
解析解
摘要:
随着海洋强国战略的推进,我国海洋资源开发工程发展十分迅速,高桩码头、跨海桥梁、海洋平台、风电机组和输电塔等海上构筑物不断涌现,各种大直径管桩也因各自的优点和特点广泛应用于上述大型海洋工程中。海洋大直径管桩在其使用寿命内不可避免地需要承受风荷载和波浪荷载等水平动荷载,当桩基的固有频率接近这些水平动荷载的激励频率时会发生共振从而导致海洋桩基承载失效或水平位移过大,引起上部结构的严重安全问题。因此,准确计算海洋大直径管桩在水平动荷载作用下的动力响应和固有频率,对于避免不同频率的外荷载引起共振至关重要,然而现有海洋桩基动力设计中均未考虑海水的存在和海床土模量分布的不均匀性对桩基动力特性及桩-水-土系统固有频率的影响。此外,由于海洋大直径管桩内部存在大横截面的腔内海水,其对海洋桩基动力响应的影响尚不清楚。因此,考虑管桩与桩周和桩芯海水的相互作用,对均质和层状海床地基中的海洋大直径管桩基础在水平动荷载作用下的动力响应特性进行系统和全面的研究,具有重要的科学意义和工程应用价值。
本文首先考虑海水的可压缩性,利用分离变量法并结合边界条件求得桩周和桩芯海水作用于桩身的动水压力,并基于弹性动力学和Biot饱和多孔介质理论对单相海床地基和饱和两相海床地基中的海洋大直径管桩基础水平动力响应特性进行研究。而后进一步考虑到实际工程中海床地基的物理和力学性质往往成层状分布,建立层状海床土中海洋管桩水平振动理论模型,探讨了桩芯海水的作用以及海床土的模量分布对海洋大直径管桩水平动力响应特性的影响,主要工作与相关成果如下:
(1)将桩周和桩芯海水考虑为无粘性可压缩流体建立其控制方程,利用分离变量法并结合边界条件求得作用于桩身的海水动水压力表达式。将桩周和桩芯土体考虑为三维粘弹性单相介质,根据弹性动力学,建立了桩周和桩芯土体的运动控制方程,并结合土体振动边界条件求解得到桩周和桩芯土体的位移和水平抗力表达式。根据一维杆波动理论和各桩段上水平力的平衡建立管桩的运动控制方程,结合桩身的边界条件和连续条件直接求解得到均质海床土中海洋大直径管桩水平动力响应简化解,给出了桩顶位移解析表达式。基于该解,探讨了海洋管桩的性质和尺寸参数对其动力响应的影响,并分析了相同截面积的管桩和实心桩在水平动荷载作用下的动力响应差异。
(2)将海床土体考虑为饱和两相介质,基于Biot饱和多孔介质理论,建立考虑固液耦合效应的桩周和桩芯土体的运动控制方程,结合土体振动边界条件求解得到桩周和桩芯土体的位移和水平抗力表达式。进而根据一维杆波动理论结合作用在桩身的动水压力和土体抗力,给出了饱和海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析解,探究了海水动水压力作用对混凝土管桩和钢管桩的影响,以及海洋管桩关键的桩身尺寸参数对海水动水压力作用的影响。
(3)将海床土体视为层状分布的粘弹性单相介质,基于平面应变模型并根据弹性动力学,建立了层状地基中桩周和桩芯土体的运动控制方程,结合土体振动边界条件解得桩周和桩芯土体的位移和水平抗力表达式。进而根据一维杆波动理论结合作用在桩身的动水压力和土体抗力,利用传递矩阵法给出了层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应简化解,研究了桩周和桩芯海水的动水压力作用以及表层和底层海床土的模量和厚度对桩顶位移和桩-水-土系统固有频率的影响。
(4)将海床土体视为层状分布的饱和两相介质,基于Biot饱和多孔介质理论,建立层状地基中考虑固液耦合效应的桩周和桩芯土体的运动控制方程,结合土体振动边界条件求解得到层状地基中桩周和桩芯土体的位移和水平抗力表达式。进而利用传递矩阵法给出了层状饱和海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析解,研究了桩身尺寸参数变化对动水压力作用的影响,并讨论了不同模量分布的层状海床土对管桩水平动力响应的影响及其与均质海床土中管桩水平动力响应的差异。