畢建巍, 蘇 雷,, 解立波, 張 昱, 凌賢長,3

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 青島 266520; 2. 大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024; 3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱 150090)

隨著我國海運(yùn)事業(yè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,對外貿(mào)易規(guī)模不斷擴(kuò)大,碼頭吞吐量逐年增加,推動(dòng)了港口碼頭建設(shè)日益加快.高樁碼頭因其泊穩(wěn)條件好、受力明確合理等諸多優(yōu)點(diǎn),在我國港口工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用.由于海岸線資源相對緊張,港口工程建設(shè)逐漸向外海發(fā)展.在外海復(fù)雜環(huán)境中,波浪作用對碼頭結(jié)構(gòu)的影響不可忽視.因此,波浪作用對碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響逐漸引起了學(xué)者的關(guān)注.調(diào)查表明[1-3],波浪作用對港工結(jié)構(gòu)的影響主要分為兩個(gè)方面:一是波浪作用直接引起結(jié)構(gòu)破壞;二是波浪作用引起海床液化進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn).后者引起的破壞更為常見.

波浪對海床的作用是一種循環(huán)動(dòng)力作用,這種作用會(huì)引起海床土體孔壓上升,有效應(yīng)力降低,導(dǎo)致海床失去承載能力.為明確波浪作用對海床的影響機(jī)理,許多學(xué)者從理論與試驗(yàn)入手,展開了大量的研究.如王小雯等[4]提出了一種飽和砂土在隨機(jī)波浪作用下超靜孔壓瞬時(shí)變化和液化過程的彈塑性動(dòng)力分析方法.王立忠等[5]通過試驗(yàn)對比研究了不同粒徑土海床孔壓響應(yīng)問題,并總結(jié)了3種超靜孔壓增長模式.李安龍等[6]通過水槽試驗(yàn)研究了波浪作用下粉土海床的孔壓變化規(guī)律.Zhang等[7]通過一系列波浪水槽試驗(yàn)研究了黏性土海床的液化機(jī)理.鐘佳玉等[8]對比研究了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下砂質(zhì)海床的孔壓變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)二者存在明顯差異.Liu等[9]利用一維圓筒對深水作用下砂土孔壓及液化情況進(jìn)行了研究.上述研究推動(dòng)了波浪作用對自由場海床孔壓及液化機(jī)理的理解.

波浪作用對樁周海床土體孔壓的影響同樣引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注.如金小凱等[10]通過縮尺試驗(yàn)研究了樁周土孔壓變化規(guī)律及單樁對孔壓的影響,并分析了波浪對樁基承載力的影響.Qi等[11]通過水槽試驗(yàn)研究了波流聯(lián)合作用下孔壓的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)波流聯(lián)合作用產(chǎn)生的孔壓小于波浪單獨(dú)作用產(chǎn)生的孔壓.Qi等[12]進(jìn)行了一系列的水槽試驗(yàn),觀測了波浪作用下樁周孔壓響應(yīng),并討論了孔壓與樁周局部沖刷的聯(lián)系.Wang等[13]進(jìn)行水槽試驗(yàn)研究了波浪作用下樁周孔壓和樁底孔壓的分布情況.張啟博[14]利用模型試驗(yàn)研究了單樁附近海床的孔壓變化.試驗(yàn)表明:樁前離樁越近孔壓越大,樁后則會(huì)減小.胡翔[15]通過試驗(yàn)對比研究了波浪作用下有/無結(jié)構(gòu)影響的海床響應(yīng)試驗(yàn).試驗(yàn)表明:樁的存在會(huì)增加孔壓的相位延遲,樁徑對孔壓的分布也有明顯的影響.呂豪杰等[16]利用圓筒試驗(yàn)研究了波浪周期、波高和土體相對密實(shí)度對樁周土體孔壓的影響,發(fā)現(xiàn)樁端處孔壓會(huì)出現(xiàn)放大效應(yīng).Zhang等[17]基于COMSOL建立了波浪和海床的子模型,對比研究了波浪對有無平臺(tái)樁基周圍海床土響應(yīng)的影響.結(jié)果表明:平臺(tái)的存在會(huì)減小樁身彎矩和位移最大值,而對孔壓并無影響.Tong等[18]進(jìn)行了波浪作用下雙樁-海床響應(yīng)三維模擬.結(jié)果表明:雙樁周圍的波動(dòng)孔壓和液化深度沿雙樁的中心線有衰減趨勢且與單樁有明顯差異.前述研究說明了波浪作用下,樁的尺寸及群樁布置等因素對樁周土體孔壓的變化有直接的影響.

針對波浪作用對橋墩及其周圍土體的影響,研究者進(jìn)行了大量的深入研究.如向?qū)毶降萚19]通過數(shù)值模擬表明:橋墩所受波浪力隨波浪入射角的增大而增大.潘良等[20]研究了波浪作用下單樁與群樁在不同土層中動(dòng)力響應(yīng)的差異.段倫良等[21]著重研究了極端波浪作用下箱梁下方海床液化響應(yīng)情況,發(fā)現(xiàn)迎浪側(cè)海床瞬態(tài)液化深度大于背浪側(cè).黃雯等[22]通過數(shù)值模擬分析了樁位置對樁受力的影響,優(yōu)化了群樁中樁基的布置.陳林雅等[23]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):波浪條件、海床特性和結(jié)構(gòu)埋置深度會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)物所受波浪力.Zhang等[24]在Morison方程的基礎(chǔ)上,給出了一種可用于計(jì)算小尺度結(jié)構(gòu)波浪力的方法.雷欣欣[25]通過試驗(yàn)研究了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下波浪引起群樁效應(yīng)的差異性.陳連鑫[26]基于能量法來衡量波浪作用并研究波浪力對橋墩的影響.

針對高樁碼頭所受波浪力,學(xué)者通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究.如王元戰(zhàn)等[27-28]對全直碼頭水平受力進(jìn)行了深入研究,并提出了基于p-y曲線,以“塑性鉸”作水平承載力判斷標(biāo)準(zhǔn)的全直碼頭簡化計(jì)算方法和基于單自由度系統(tǒng)位移動(dòng)力法的簡化計(jì)算方法,均得到了很好的驗(yàn)證.肖文智等[29]通過高樁碼頭模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)所受最大波浪上托力和水平力并不同時(shí)出現(xiàn)、存在相位差.Zhang等[30]利用數(shù)值模擬研究了全直樁碼頭的動(dòng)力特性,提出了全直樁碼頭動(dòng)力響應(yīng)的簡化模擬方法.盧生軍等[31]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):波浪作用下碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力動(dòng)力計(jì)算結(jié)果明顯小于靜力計(jì)算.

綜上所述,雖波浪作用對純海床、單樁、橋墩及其周圍土體孔壓的影響已有一定研究,但針對海工結(jié)構(gòu)的研究需充分考慮波浪-結(jié)構(gòu)-海床三者之間的相互所用,前述研究大多只考慮了波浪-海床或波浪-結(jié)構(gòu)兩者之間的相互作用,少數(shù)研究考慮了波浪-結(jié)構(gòu)-海床三者之間的相互作用,但也只針對于簡單的單樁結(jié)構(gòu),且研究只重視海床的孔壓響應(yīng),忽略了結(jié)構(gòu)的響應(yīng).針對高樁碼頭的研究關(guān)注于高樁碼頭所受波浪力,且只考慮了波浪-高樁碼頭兩者之間的相互作用,并未考慮海床的影響,而綜合考慮波浪-高樁碼頭-海床三者相互作用的研究鮮有報(bào)道.鑒于此,本文利用大型造波設(shè)備進(jìn)行波浪作用下液化場地高樁碼頭動(dòng)力響應(yīng)模型試驗(yàn),考慮波浪、結(jié)構(gòu)和土層三者之間的相互作用,以高樁碼頭整體作為研究對象,真實(shí)再現(xiàn)高樁碼頭工作環(huán)境,對碼頭樁身彎矩、動(dòng)水壓力、樁周土體孔壓等動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行研究,探究高樁碼頭內(nèi)部動(dòng)力響應(yīng)的差異,分析液化場地高樁碼頭在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,對比研究自由場土與樁周土的孔壓和加速度響應(yīng).同時(shí),探討了不同波高對高樁碼頭體系動(dòng)力響應(yīng)的影響.試驗(yàn)結(jié)果對高樁碼頭的設(shè)計(jì)和防波浪侵襲提供一定的借鑒和參考.同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室抗震分室中地震-波流聯(lián)合試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)中進(jìn)行,如圖1所示.該系統(tǒng)是世界上首套可同時(shí)實(shí)現(xiàn)在地震、流、波浪等多種荷載聯(lián)合作用下海工結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng),可滿足大型試驗(yàn)使用需求.該系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、造波機(jī)、造流機(jī)、消波板和控制系統(tǒng)組成.本次試驗(yàn)主要用到造波機(jī)、消波板和控制系統(tǒng),主要技術(shù)參數(shù)如下:水槽幾何尺寸長×寬×高為21.6 m×5.0 m×1.0 m,工作水深為0.2～0.8 m;試驗(yàn)最大波高為0.33 m,穩(wěn)態(tài)波高誤差小于3%;試驗(yàn)波浪周期為0.5～4 s,穩(wěn)態(tài)周期誤差小于1%.

圖1 地震-波流聯(lián)合試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)

為了考查波浪作用下液化場地高樁碼頭動(dòng)力響應(yīng),將海床置于長×寬×高為3 m×1 m×0.6 m的土箱,如圖2所示.考慮到造波機(jī)位于水槽底部,為了防止波浪經(jīng)過土箱時(shí)發(fā)生破碎,使用光滑塑料板制作引水坡道、過渡段和流出段,引水坡道采用較緩的坡度設(shè)計(jì),過渡段和流出段頂面與土箱同高,從而更好地引導(dǎo)和穩(wěn)定波浪沿著土箱頂部流過,最終流入消波板處,如圖3所示.

圖2 試驗(yàn)所用土箱

圖3 引水坡道

1.2 飽和地基制備

考慮到試驗(yàn)時(shí)需要施加波浪荷載,海床表面若采用斜坡體將會(huì)影響作用于高樁碼頭波浪的穩(wěn)定性,不利于波浪作用下高樁碼頭及周圍土體響應(yīng)規(guī)律的分析;同時(shí),考慮到試驗(yàn)條件的限制和試驗(yàn)的可重復(fù)性;最終將復(fù)雜的近岸斜坡海床表面簡化為表面水平海床.采用單一標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行制作.試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂采用福州砂,試驗(yàn)前需對該砂進(jìn)行基本參數(shù)測定.圖4為試驗(yàn)用砂的顆粒級(jí)配曲線.圖中:D為小于指定粒徑的比例;d為粒徑.試驗(yàn)用砂基本物理特性為:密度ρ=1.68 g/cm3;最大孔隙比emax=0.69;最小孔隙比emin=0.47;砂土曲率系數(shù)Cc為1.02;砂土不均勻系數(shù)Cu為1.16,小于5,因此,試驗(yàn)用砂級(jí)配不良.

圖4 試驗(yàn)用砂顆粒級(jí)配

為盡可能模擬天然海床的實(shí)際狀態(tài),確保海床砂層達(dá)到較大飽和度與均勻度,采用砂雨法進(jìn)行飽和砂層制作.填筑時(shí)始終保持水位線高于砂層表面10 cm左右,保證干砂緩慢而均勻地落入水中.由于填砂量大,為保證飽和地基密度均勻,將填筑等分為6次,每次填砂完成后需靜置1 h,直至完成整個(gè)砂層鋪筑.試驗(yàn)地基成型后,需靜置24 h,確保地基完全飽和.

1.3 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型制作

本次試驗(yàn)為模型試驗(yàn),但是對于碼頭結(jié)構(gòu),參考墨西哥曼薩尼約港的全直樁鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu),按照剛度相似進(jìn)行設(shè)計(jì).實(shí)際高樁碼頭結(jié)構(gòu)中,樁基采用圓形截面Q345B鋼管樁,彈性模量E=206 GPa,樁徑R=1 m,壁厚r=18 mm,樁長約為35 m,埋深約為22 m,計(jì)算得到樁的慣性矩(I)和抗彎剛度(EI)分別如下:

(1)

EI=7.09×108N·m2

(2)

根據(jù)剛度相似法則要求:

(EI)p/(EI)m=n3.5

(3)

式中:n為原型與模型幾何相似比;p和m分別代表原型和模型.

考慮到試驗(yàn)條件的限制,設(shè)計(jì)相似比n=1/50,計(jì)算得到樁長為0.7 m,入土深度為0.44 m.按照相似比,可得模型樁EI約為8.02×102N·m2.

試驗(yàn)中,模型結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用6061鋁,其彈性模量為6.9 GPa.考慮材料的加工精度和試驗(yàn)土箱尺寸,管樁尺寸確定為外徑為30 mm,壁厚為 4 mm,樁長0.7 m,入土深度為0.45 m.計(jì)算得到其慣性矩和抗彎剛度分別為

(4)

EI=1.17×103N·m2

(5)

可見,選用的6061鋁管樁其抗彎剛度近似滿足相似比.模型的具體尺寸如圖5所示,樁與面板通過螺栓連接.由于樁為空心圓管樁,為防止試驗(yàn)時(shí)砂與水進(jìn)入樁內(nèi),影響高樁碼頭模型的動(dòng)力響應(yīng),采用定制的橡膠堵頭,堵在樁底的空心處.最終成型的高樁碼頭模型如圖6所示.

圖5 模型尺寸示意(cm)

圖6 高樁碼頭物理模型

1.4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c傳感器布置

如圖7所示,本次模型試驗(yàn)飽和砂層厚度為0.6 m,與土箱上表面齊平.高樁碼頭群樁入土深度為0.45 m,水中0.15 m,露出水面0.1 m.為了減小邊界效應(yīng)對試驗(yàn)的影響,沿土箱寬度方向,將高樁碼頭模型居中放置于土箱內(nèi);沿土箱長度方向,高樁碼頭模型分別距兩側(cè)壁距離為0.8 m和1.48 m.同時(shí),將距碼頭結(jié)構(gòu)前端0.68 m、距土箱前壁0.8 m處假定為自由場,認(rèn)為此處受碼頭結(jié)構(gòu)和土箱前壁的影響可忽略不計(jì).

圖7 高樁碼頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c傳感器布置(cm)

試驗(yàn)時(shí)選取B1、B2、E1和E2共4根樁(見圖7)作為測試樁,每根樁沿波浪傳播方向?qū)ΨQ布置5對防水應(yīng)變片.應(yīng)變片布置位置如圖7所示,用于測量樁身應(yīng)變.應(yīng)變片采用半橋的接線方式連接,可抵消溫度效應(yīng)對測量結(jié)果的影響,同時(shí)可提高數(shù)據(jù)測量的靈敏度,更好地捕捉結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

加速度傳感器分別布置于飽和地基和面板上,主要用于測量飽和地基和面板的加速度,其中埋設(shè)于飽和地基中的加速度傳感器需進(jìn)行防水處理.為測量飽和砂土中孔壓的變化,采用微型孔壓傳感器測量由波浪作用產(chǎn)生的樁周土孔壓變化和自由場土層孔壓變化.考慮到試驗(yàn)條件與數(shù)據(jù)采集問題,將加速度傳感器和孔壓傳感器布置于樁B2和E2附近及自由場,具體埋設(shè)位置如圖7和圖8所示.高精度激光位移計(jì)安裝在面板兩側(cè),用于測量模型在波浪作用下的位移,并可通過測量數(shù)據(jù)分析模型結(jié)構(gòu)在波浪作用下是否發(fā)生扭轉(zhuǎn),其安裝位置如圖7所示.在樁B2和E2側(cè)邊距水面10 cm處安裝波壓傳感器用于測量作用于群樁上的動(dòng)水壓力.為了測量作用于模型的波高變化且盡可能減少波高儀與結(jié)構(gòu)之間的距離,根據(jù)所選波浪參數(shù),將波高儀布設(shè)于面板前10 cm處且伸入水中10 cm.

圖8 樁B2和E2附近傳感器布置 (cm)

1.5 試驗(yàn)波浪荷載

試驗(yàn)中,波高的選取是基于以下兩個(gè)方面.

(1) 施加的工況應(yīng)在保證波浪不破碎的前提下選取,試驗(yàn)所施加的波浪參數(shù)應(yīng)滿足以下條件之一:

H/L≤0.142tanh(kh)

H/h≤0.78

其中:H表示波高;h表示水深;L表示波長;k表示波數(shù).

(2) 根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)場造波效果,選擇周期、波高穩(wěn)定的工況進(jìn)行響應(yīng)分析.

根據(jù)試驗(yàn)要求與試驗(yàn)?zāi)芰?參考已有的試驗(yàn)方案,試驗(yàn)時(shí)施加波高1.5 cm,周期0.75 s的規(guī)則波浪作為激勵(lì)荷載.圖9為試驗(yàn)時(shí)實(shí)測值與理論值的對比.圖中:t為時(shí)間.由圖可見,試驗(yàn)波浪規(guī)則穩(wěn)定,二者高度吻合,說明引水坡道和消波板起到了良好的作用,作用于模型的波浪符合試驗(yàn)要求.

圖9 波高實(shí)測值與理論值對比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在以下試驗(yàn)結(jié)果分析中,因?yàn)楸疚膬H針對模型試驗(yàn)結(jié)果展開分析,所以目前試驗(yàn)結(jié)果很難與規(guī)范結(jié)果進(jìn)行直接對比.對此,下面針對試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袆?dòng)水壓力、碼頭結(jié)構(gòu)響應(yīng)和地基響應(yīng)展開分析.

2.1 動(dòng)水壓力

圖10給出了樁B2和E2處所受的動(dòng)水壓力.圖中:p0為動(dòng)水壓力;p0,max為最大動(dòng)水壓力.由圖可見,樁B2處受到的動(dòng)水壓力略大于樁E2處受到的動(dòng)水壓力.由Morison方程可知,樁所受動(dòng)水壓力與波速和加速度有關(guān),由于樁B2位于迎水面,樁E2位于群樁內(nèi)部,群樁會(huì)阻礙波浪的傳播,導(dǎo)致波浪產(chǎn)生繞流,降低傳播速度.同時(shí),樁B2和E2所受動(dòng)水壓力的最大值差距很小,這是因?yàn)榍芭艠对斐傻牟ɡ搜苌浏B加作用于后排樁,增加了后排樁所受的動(dòng)水壓力.

圖10 動(dòng)水壓力時(shí)程

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)響應(yīng)

2.2.1碼頭結(jié)構(gòu)加速度 圖11為高樁碼頭面板的加速度響應(yīng)時(shí)程.圖中:a0表示面板加速度;a0,max表示面板峰值加速度.可以發(fā)現(xiàn)面板中部峰值加速度為面板角部峰值加速度的1.7倍左右,說明模型產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn),且扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致角部加速度在波浪傳播方向的分量小于中部加速度.同時(shí)可以看出,在波浪作用初期,面板中部加速度響應(yīng)與角部加速度響應(yīng)差異明顯,說明面板產(chǎn)生了輕微扭轉(zhuǎn);隨著波浪作用的持續(xù),二者差異逐漸減小,說明扭轉(zhuǎn)響應(yīng)減弱.這主要是由于波浪作用初期,群樁的存在會(huì)破壞原有的穩(wěn)定波浪場,導(dǎo)致各樁受力不同,使模型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn);隨著作用的持續(xù),波浪場趨于穩(wěn)定,模型扭轉(zhuǎn)劇烈程度降低.

圖11 面板加速度時(shí)程

2.2.2樁身彎矩 根據(jù)試驗(yàn)中樁上粘貼的應(yīng)變片記錄的應(yīng)變值,按照彈性梁基本理論,計(jì)算出樁身彎矩.圖12給出了樁B1、B2、E1和E2的樁身彎矩時(shí)程圖.圖中:M表示樁身彎矩,Mmax表示樁身彎矩最大值.由圖可見,由于面板的慣性作用,樁與面板連接處彎矩較大,最大彎矩可達(dá)0.058 N·m.對于埋入飽和砂土中的樁而言,樁B2所受彎矩大于其余樁的同位置處.這可能是兩個(gè)原因造成的:一是樁B2位于最前排,其受到波浪的直接沖擊;二是波浪對土層造成沖刷和擾動(dòng),導(dǎo)致土層對樁身產(chǎn)生擠壓,增大樁身彎矩.

對比圖12(a)～12(d)發(fā)現(xiàn),除S7和S17位置外,樁B2的彎矩均大于樁E2,這是由于波浪作用于前排樁產(chǎn)生繞流,造成波浪一定程度的衰減,減弱了波浪對后排樁的作用.而S7和S17位于自由水體中,S17位置處樁身受前排樁和兩側(cè)樁造成的波浪衍射作用,導(dǎo)致該位置處彎矩大于S7.值的注意的是,邊樁的變化規(guī)律與中間樁并不相同,進(jìn)一步對邊樁研究可以發(fā)現(xiàn):樁B1露出土層部分和0.15 m埋深處的樁身彎矩大于樁E1,而地表處和0.30 m埋深處的彎矩則為樁E1大于樁B1.這可能是因?yàn)闃禘1地表處受到前樁下潛流的作用從而增大了樁身彎矩;同時(shí)波浪對樁E1較深處土層作用較小,樁周土對其有較大的約束作用,造成埋深0.30 m處樁E1彎矩大于B1.

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),除樁排B水面處彎矩,其余中間樁樁身彎矩大于邊樁樁身彎矩,這是由于波浪作用在兩側(cè)樁時(shí)會(huì)產(chǎn)生波浪衍射,這種衍射會(huì)疊加作用于中間樁排,一定程度上會(huì)增強(qiáng)波浪作用,從而增大樁的動(dòng)力響應(yīng).位于樁排B水面處的彎矩為兩側(cè)大于中間,這可能是由于波浪經(jīng)過前排樁時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度破碎導(dǎo)致的.值的注意的是,后排中間樁會(huì)受前排兩側(cè)樁產(chǎn)生的衍射影響,與同排兩側(cè)樁產(chǎn)生的衍射疊加,自由水體中的樁身直接承受波浪作用,因此這種衍射的疊加對后排自由水體中的樁身動(dòng)力響應(yīng)增強(qiáng)更為明顯.

2.2.3碼頭結(jié)構(gòu)位移 圖13為高樁碼頭結(jié)構(gòu)面板的位移響應(yīng)時(shí)程.圖中:d0表示面板位移;d0,max表示面板位移峰值.由圖可見,高樁碼頭結(jié)構(gòu)的位移較小,最大位移僅為2.5×10-4mm,這主要是由于面板的約束使得模型的剛度相對較大,而施加的波浪荷載相對較小.在模型承受波浪作用初期,群樁的存在造成波浪場產(chǎn)生復(fù)雜的衍射,模型兩側(cè)位移并不同步,發(fā)生輕微扭轉(zhuǎn).隨著波浪作用時(shí)間的持續(xù),波浪場逐漸穩(wěn)定,面板兩側(cè)位移扭轉(zhuǎn)程度減小.位移的響應(yīng)隨著波浪的持續(xù)作用逐漸明顯,這主要是由于波浪對表面樁周土的沖刷,造成飽和砂土松散,從而減小了對整個(gè)模型的約束.

圖13 面板位移時(shí)程

2.3 地基響應(yīng)

2.3.1孔壓響應(yīng) 圖14為自由場與樁B2和E2附近土層孔壓變化時(shí)程.圖中:p表示樁周土層孔壓;pmax表示樁周土層孔壓最大值.由圖可知,在波浪循環(huán)作用下,孔壓呈現(xiàn)振蕩變化,但并未看出明顯的孔壓積累.這主要是因?yàn)轱柡蜕巴凛^松散,波浪作用后其松散程度進(jìn)一步加大,排水效果良好,使得孔壓快速消散.

圖14 孔壓時(shí)程

進(jìn)一步,由圖14可知,除位于土層表層的孔壓外,自由場孔壓與樁周土層孔壓變化幅值沿深度逐漸減小.這主要是由于隨著埋深的增加,波浪形成的動(dòng)水壓力逐漸降低,水力梯度減小,滲流減弱.同時(shí)可以看出,自由場孔壓的衰減速率沿深度逐漸減慢,這是由于隨著土層深度的增加,孔壓的消散率降低.而對于土層表層的孔壓而言,其受到波浪的直接作用,造成表層砂土較為松散,導(dǎo)致孔壓的消散速率增大,孔壓的變化幅值較小.

對比圖14(a)～14(c)可知,自由場孔壓的變化幅值和衰減均大于樁周土層孔壓.這可能是兩方面原因造成:一是波浪作用時(shí)會(huì)對樁周土層造成擾動(dòng),增大了滲流阻力,降低了孔壓的消散速率,進(jìn)而影響樁周土層孔壓的變化;二是群樁的存在改變了原有的波浪場,削弱了波浪對砂層孔壓的影響.

2.3.2土層加速度 圖15為自由場與樁B2和E2附近土層加速度變化時(shí)程.圖中:a表示土層加速度;amax表示土層加速度最大值.考慮到施加的波浪作用較小,對自由場土層深處擾動(dòng)作用小,因此僅在地表處與埋深0.15 m處布置加速度傳感器.試驗(yàn)中,由于波浪的沖刷作用,埋置于樁附近土層表面的加速度傳感器被沖出而暴露于水中,所以其所測的加速度并非土層加速度,故此處對其不再討論.而埋置于自由場表面的加速度并未沖出,說明群樁的存在會(huì)增大波浪對砂土表面的沖刷作用.

圖15 土層加速度時(shí)程

對比圖15(b)～15(c)可以發(fā)現(xiàn),t=0～7 s時(shí),樁B2附近土層加速度響應(yīng)大于樁E2附近土層,t=7～10 s時(shí),樁E2附近土層加速度明顯增大,在0.15 m埋深處的加速度響應(yīng)大于樁B2附近土層加速度.這是因?yàn)槿簶兜拇嬖诩葧?huì)影響波浪的傳播,也會(huì)增強(qiáng)波浪對土層的作用.在波浪作用初期,群樁的存在阻礙波浪的傳播,削弱了波浪對群樁內(nèi)部土層作用.隨著波浪作用的持續(xù),群樁會(huì)增強(qiáng)波浪與土層的相互作用,且樁也會(huì)對土層造成擾動(dòng),從而增大了樁E2附近土層加速度響應(yīng).

對比圖15(a)～15(c)可以發(fā)現(xiàn),群樁附近土層的加速度響應(yīng)比自由場更加劇烈.這是由于高樁碼頭樁底無嵌固,波浪作用時(shí),群樁會(huì)對樁周土體造成一定程度的擾動(dòng);且群樁的存在也會(huì)增強(qiáng)波浪對土層的作用,增大樁附近土層加速度的響應(yīng).

3 波高對高樁碼頭體系動(dòng)力響應(yīng)的影響

為更好研究波浪作用對碼頭結(jié)構(gòu)和周圍土體響應(yīng)的影響,增加兩組波高分別為2.0 cm和2.7 cm的同周期波浪,分析波高對碼頭體系最大值響應(yīng)的影響.

3.1 波高對動(dòng)水壓力的影響

圖16給出了動(dòng)水壓力峰值隨波高的變化趨勢.從圖中可以看出,隨著波高的增加,樁所受動(dòng)水壓力峰值也逐漸增大.對比樁B2和E2所受動(dòng)水壓力可以發(fā)現(xiàn),二者的差值逐漸變大,這是由于隨著波高的增大,群樁對波浪的破碎作用也進(jìn)一步加強(qiáng),減弱波浪對后排樁的作用.隨著波高的增大,波浪對土層的沖刷作用增強(qiáng),損耗的能量增大,從而減小樁E2所受動(dòng)水壓力.

圖16 波高對動(dòng)水壓力的影響

3.2 波高對面板加速度和位移的影響

圖17顯示了波高對碼頭面板加速度和位移響應(yīng)峰值的影響.由圖可知,面板加速度和位移的最大值整體上隨波高的增大而增大.進(jìn)一步分析可知,隨著波高的增加,面板的扭轉(zhuǎn)程度逐漸變小.這可能是由于隨著波浪高度的增加,群樁導(dǎo)致波浪的衍射對邊樁的作用增強(qiáng),這在一定程度上減弱了面板的扭轉(zhuǎn).

圖17 波高對面板加速度和位移的影響

3.3 波高對樁身彎矩的影響

圖18呈現(xiàn)了波高對樁身彎矩峰值的影響.由圖可得,樁身彎矩的空間變化規(guī)律基本不變,但當(dāng)波高增大到一定程度時(shí),除樁E1外,其余各樁的樁身彎矩峰值呈現(xiàn)出下降趨勢.進(jìn)一步分析可得,波高較高時(shí),各樁的受力更加均勻.這是由于較大的波高對土層的作用更明顯,導(dǎo)致土層的松散程度增大,對各樁的約束作用減小.同時(shí),群樁對波浪的破碎作用隨著波高的增大而更明顯,產(chǎn)生的波浪衍射造成各樁的受力均勻.

圖18 波高對樁身彎矩的影響

3.4 波高對孔壓的影響

圖19為波高變化對土層孔壓峰值的影響.由圖可得,隨著波高的增加,孔壓峰值也逐漸增大,且對自由場孔壓峰值的影響更大.這是因?yàn)殡S著波浪高度的增加,波浪的勢能增大,對土層的作用明顯;但群樁的存在也會(huì)一定程度消耗波浪所含能量,減弱波浪對樁周土層孔壓的影響.值的注意的是,波高對孔壓的影響程度隨波高的增加而減弱,但這一現(xiàn)象對群樁內(nèi)部孔壓的影響并不明顯.同時(shí)也可看出,波浪高度的增加也會(huì)減小孔壓沿深度的衰減速率.

圖19 波高對孔壓的影響

3.5 波高對土層加速度的影響

圖20為波高對土層加速度峰值的影響.可以看出隨著波高的增加,土層加速度峰值總體呈上升趨勢,對土層的擾動(dòng)隨著深度逐漸減弱.對比相同埋深的自由場與樁周土層加速度可以發(fā)現(xiàn),群樁的存在一定程度上增強(qiáng)波浪對周圍土體的擾動(dòng).

圖20 波高對土層加速度的影響

4 結(jié)論

利用大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地震-波流聯(lián)合模擬系統(tǒng),考慮波浪、結(jié)構(gòu)和土層三者之間的相互作用,完成了波浪作用下高樁碼頭-土層體系模型試驗(yàn)研究,分析了模型結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng)差異,對比了群樁結(jié)構(gòu)對土層加速度及孔壓響應(yīng)的影響,總結(jié)了波高變化對各響應(yīng)的影響,為高樁碼頭設(shè)計(jì)和防護(hù)提供了參考與借鑒.通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析,主要得到以下結(jié)論:

(1) 波浪作用會(huì)造成模型輕微扭轉(zhuǎn),隨波浪作用時(shí)間的增加,面板的位移和加速度響應(yīng)逐漸明顯,面板中部加速度大于面板角部加速度.

(2) 高樁碼頭內(nèi)部響應(yīng)差異明顯,碼頭樁身所受動(dòng)水壓力和樁身彎矩大小與樁位置有直接聯(lián)系,邊樁與中間樁的彎矩變化規(guī)律并不相同;位于中間排的樁彎矩大于邊樁,且后排樁在水表面處的彎矩響應(yīng)尤為明顯.

(3) 自由場和樁周土層孔壓變化隨埋深增大而減小,孔壓衰減速率減小.樁的存在會(huì)影響孔壓的傳遞變化,自由場孔壓大于樁周土層孔壓.

(4) 樁的存在會(huì)增大土層加速度,波浪作用初期,前排樁附近土層加速度響應(yīng)大于后排樁,后排樁附近土層加速度隨著波浪的作用逐漸變大.

(5) 除樁身彎矩外,其余各響應(yīng)整體隨波高的增高而增大,波高對土層的影響隨深度的增加而降低.