波浪荷载下单桩与饱和海床的相互作用研究

摘要

近年来海洋工程发展迅速，桩基础作为海洋结构的重要基础形式，其工作性能是工程设计及海洋岩土工程研究的核心内容。真实条件下海洋环境非常复杂，一方面波浪对结构物基础周围的土体影响明显，另一方面波浪作用下由于海洋土体接近饱和的性质，其孔隙水压力响应对海床与结构物的影响也不容忽视。因此研究波浪荷载作用下结构物的安全问题必须考虑海床与桩基的相互作用。
　　本文采用室内试验和数值模拟方法，探究了波浪荷载下的桩土相互作用。首先进行含桩结构的室内压缩试验，研究了循环水压作用下完全埋置桩与饱和砂土的响应问题，然后建立与试验条件一致的数值模型，并验证其可靠性。接着运用验证过的方法建立了真实尺寸的海底完全埋置单桩的数值模型，对短峰波作用下的土体孔压和桩弯矩、位移等响应进行分析研究。然后进一步考虑真实的海洋工程条件，建立伸出海面的桩柱海床模型，加入桩与波浪的直接作用影响，与完全埋置的海底单桩和自由海床的分析结果对比，最后基于所得的结果进行参数分析。本文的主要研究内容有以下几点：
　　1、综合室内试验，研究了波浪作用下桩周土的孔压响应问题，同时也测取了桩的应变及位移响应。本文以海洋岩土研究中经典的土体压缩试验为基础，在筒内土层中加入完全埋置的柱状结构物以模拟真实海床中的桩基础，测取土体的孔压、桩的应变、位移响应。结果表明孔压的相位延迟和振幅衰减作用明显；有桩时相位延迟的角度更大，桩体对周围土体孔压有衰减效应；桩径不同对土体孔压分布有明显影响；应变极值在土体渗流作用最大时出现。
　　2、建立短峰波作用下单桩海底的三维数值模型。本文采用准静态的方法模拟波浪荷载输入，设定接触面的方式处理桩土界面，研究了饱和砂质海床与完全埋置桩体的响应问题。结果表明，桩周土体的孔压相比于自由海床有减小现象，而桩端附近土体的孔压显著增大，并伴有相位前移现象。桩土界面采用耦合模型时，所得到的孔压、应力和弯矩响应相比于接触面模型更大，同时桩端有明显的应力集中现象。
　　3、建立更为符合真实海洋条件的单桩海床三维数值模型。在完全埋置的海底单桩模型的基础上，考虑桩柱与波浪的直接作用，建立伸出海面的桩柱模型。分析结果表明，桩周土的孔压响应在l/2以上（l为埋置桩长）急剧变化，且桩两面的孔压变化规律几乎呈对称分布。在设计过程中可考虑采用上覆盖层法进行加固处理。桩对孔压分布的影响范围为桩径的2倍。波峰对桩柱弯矩的影响更持久。
　　4、对桩柱海床模型进行参数分析。结果表明，渗透系数越低，孔压越大，影响深度越深，并有相位滞后现象。土的弹性模量越小，孔压极值越大，同时桩的侧向位移越大。桩土间的摩擦系数μ越小，桩的竖向位移越小，而桩端则产生更大的孔压响应。波浪周期较短时，海床表面的孔压分布变化剧烈，影响深度更大，而周期较长时桩底部的孔压放大效应明显。波高对桩的侧向位移影响呈线性规律。

目录

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3研究内容和思路

第二章 循环水压荷载下桩与土相互作用的室内模型试验

2.1引言

2.2试验装置与方法

2.3无桩模型试验结果验证

2.4单桩模型实验结果分析

2.5循环水压荷载下单桩与土相互作用的数值分析

2.6本章小结

第三章 波浪作用下全埋单桩海床响应的三维数值分析

3.1引言

3.2数值分析模型与方法

3.3自由海床模型验证

3.4波浪作用下海底单桩模型的数值分析

3.5本章小结

第四章 波浪荷载下桩柱-海床相互作用三维数值分析

4.1引言

4.2桩的处理方法

4.3数值模型建立与输入

4.4计算结果分析

4.5桩土相互作用的参数分析

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1本文主要研究结论

5.2进一步研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文