作用在高桩承台上的不规则波波浪力试验研究

雷欣欣，孙大鹏，徐雪蛟，吴 浩，李玉成

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116023; 2.大连市旅顺口区港口与口岸局，大连116052）

作用在高桩承台上的不规则波波浪力试验研究

雷欣欣1，孙大鹏1，徐雪蛟2，吴 浩1，李玉成1

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116023; 2.大连市旅顺口区港口与口岸局，大连116052）

针对不规则波中高桩承台所受波浪力进行了物理模型试验研究，系统分析了该结构的群桩水动力特性，重点考察了整体总力达到最大值时相应的桩柱波浪力规律。试验通过整体总力与各个组成桩单桩力的同步监测，得到群桩总力最大时刻各组成桩的受力。在试验数据分析的基础上，给出了前、中、后三桩的波浪力历时曲线及波高过程线，并就其相位进行对比分析；研究了各组成桩群桩总力系数、群桩正向力与横向力之比、群桩系数及单桩正向力与横向力之比随水深的变化规律，探讨了承台与群桩以及各组成桩桩力之间的分配比例并最终确定了最大受力桩。

不规则波；波浪力；群桩；承台；分配比例

海上结构物所受的波浪荷载，通常是结构设计的控制荷载，它对工程造价、安全度以及使用寿命有重要影响。在海洋工程中，承台桩基结构应用广泛，该结构是由若干根起支撑作用的桩柱以及连接桩顶的承台组成。桩柱所承受的波浪荷载是整个结构的控制荷载，同时承台的存在又会影响到桩柱的受力，因此研究此类结构的水动力特性对于工程设计及施工具有重大意义。

对于小直径桩柱所受波浪力的计算工程实际中仍然采用Morison公式，目前分析确定波浪力的方法主要有四类：特征波法、概率分布法、谱法和波浪模拟法。小直径桩柱常常以群桩的形式存在，各组成桩的受力与孤立桩有较大差别，这种变化称之为群桩效应。Chakrabati［1］研究了规则波作用下群桩的水动力系数随KC数和桩距的变化规律；俞聿修和张宁川等［2-5］对规则波、不规则波作用下孤立桩、两桩并串列、三桩并串列以及四桩方阵的水动力特性进行了试验研究，分析了值随KC数的变化规律，以及群桩系数随KC数、相对桩距、桩数以及桩位的影响；王爱群等［6］探讨了2×2个桩干扰系数随KC数、桩距及波向的变化规律；李玉成等［7-9］对波流共同作用下的桩柱的水动力特性进行了研究；兰雅梅等［10］研究了规则波作用下承台和单桩的水动力特性，主要探讨了承台对桩柱受力的影响。

上述已有的研究成果多是对群桩水动力特性的研究，而实际工程中大多采用群桩与承台的复合结构。本文针对某工程实例，通过考察群桩与承台整体总力达到最大时相应各组成桩的桩力，分析了各组成桩群桩系数、群桩总力系数及承台力与桩柱力之比随水深的变化规律，探讨并给出了群桩与承台以及各组成桩桩力之间的分配比例。因此本文的研究成果对群桩与承台的工程设计具有良好的借鉴意义和应用价值。

1 模型试验条件及方法

1.1 模型设计

本试验模型是以某实际工程为背景设计的高桩承台结构，模型由上部方形承台结构及5根群桩组成，模型设计按照重力相似准则进行，正态模型比尺设计为1:22.5，结构原型尺寸：承台长宽均为12 m、高为3 m，群桩由直径1.8m的A#～E#圆柱桩组成，外围4根圆柱桩间距（桩心到桩心距离）为7m，圆柱长16m，波浪入射方向与结构正向轴线之间的夹角为20°，群桩位置及波浪力方向如图1所示。试验模型采用有机玻璃制成，承台与桩柱刚性连接，模型示意图如图2所示。

图1 群桩位置及波浪力方向示意图Fig.1 Sketch of group piles position and force direction

图2 模型示意图Fig.2 Sketch of model

1.2 试验仪器及设备

本试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室的波、流综合试验水槽中进行。水槽长69 m、宽2m、深1.8m。水槽的一端配有不规则波推板式造波机，由计算机控制可产生规则波和不规则波。水槽的另一端设置斜坡式消能坡，以消除波浪反射。模型安放在水槽的中部，距离造波板30m处。

总力测量采用无锡702所研制的应变式三维总力传感器，考虑到测量的精度量程有100 N和450 N两种，测量相对误差小于0.5%。

点压力测量采用北京水科所研制生产的YL2010型多通道点压力传感器，测量误差小于10 Pa。

1.3 试验组次

试验波要素采用不规则波（JONSWAP谱），谱峰升高因子γ=3.3，试验分3种工况，总力传感器、点压力传感器以及浪高仪保证同时采集数据，采样间隔为0.02 s，采样长度为8 192，试验波要素如表1所示，其中Tp为谱峰周期。每组工况重复试验4次，保证重复性。图3给出了波浪谱的模拟结果，试验结果显示理论谱与实测谱吻合较好。

表1 试验波要素Tab.1Wave factors of experiment

1.4 试验内容

总力传感器安装在方形承台顶部，用以测量整体结构总力和承台总力，群桩总力通过二者之差而间接得到；点压力传感器安装在单个桩柱的内壁，用以测量桩柱表面的压力分布，通过对压力分布进行积分计算得到单根桩正向力、横向力和水平力合力，本试验中定义波浪力的方向如图1所示，坐标原点定在中间桩柱（即E#桩柱）底面的圆心上，正向力（即x方向）平行于波向线，横向力（即y方向）垂直于波向线，浮托力（即z方向）垂直于底面向上为正，图中的α为水平力合力与x轴之间的夹角。

点压力在每根桩柱垂向上均匀布置1#～6#列，每列设置7个测点，共42个传感器，布置图如图4所示。由图5所示，每一列传感器角度相同，相邻两列角度相差60°，从顶面看顺时针进行编号，箭头标示A#～E#桩的各列传感器的位置。同时规定单桩正向力和横向力的正方向与承台桩基结构整体方向相同，为了得到单个桩柱所受桩柱力，还需了解1#～6#列点压力受力方向与正方向之间的夹角，图5所示箭头所指方向即为每一列传感器受力方向，实心箭头标示各个桩柱1#列点压力的位置，按照图1中桩柱的编号1#列传感器受力方向依次与x轴之间的夹角为209.3°、299.3°、29.3°、119.3°和209.3°，其他各列传感器受力方向依次类推，其中图中5个十字圆圈表示各单桩同步波高监测点位置。

图3 理论谱与实测谱对比Fig.3 Comparison between measured spectrum and theoretical spectrum

图4 单桩上点压力测点布置图Fig.4 Sketch of single pile point pressure transducer distribution

2 试验结果及分析

2.1 群桩系数及群桩总力系数的定义

采用张宁川等［5］关于群桩系数及群桩总力系数的定义：群桩系数指群桩中各组成桩桩力孤立桩桩力f之比，即

图6 整体总力与单桩力同步过程线示例Fig.6 Example of synchronous process of force loads on globaland single pile f单桩

2.2 数据处理

由于各根桩之间存在着波动相位差，整体结构最大受力时刻和单桩最大受力时刻往往不同步，本试验采用三维总力传感器测量结构总力的同时，采用多通道点压力传感器测量单桩的沿桩点压力并积分给出单桩的同步波浪力，图6-a～6-c给出整体总力和对应的A#、E#及D#桩波浪力的同步过程线示例。从图中可以看出，整体总力达到最大峰值时，各单桩也达到峰值，但是并不一定达到该单桩的最大峰值。

图7 A#桩3种工况下波浪力及波高过程线图Fig.7 Hydrograph of wave force and height of A#pile in three cases

图8 E#桩3种工况下波浪力及波高过程线图Fig.8 Hydrograph of wave force and height of E#pile in three cases

图9 D#桩3种工况下波浪力及波高过程线图Fig.9 Hydrograph of wave force and height of D#pile in three cases

2.3 群桩的水动力特性

2.3.1 单桩受力的时间序列

在图1的群桩中，A#、E#以及D#单桩相对于波浪来向依次为前、中、后桩，图7～图9依次为3种工况下A#、E#以及D#单桩所受正向力和横向力以及相应的同步波高H过程线。从前、中、后桩整体来看，频率均表现出如下规律：正向力频率与波浪频率基本相同，而横向力频率大约是正向力频率的2倍，这主要是由于涡流的扰动作用所造成的；由于浪高仪位置与对应桩位置在同一波峰线上，从相位来看，正向力峰值出现的时刻是波峰出现的时刻；从正向力与横向力对总力的贡献来看，横向力对桩柱总力的影响虽然小于正向力，但仍是不可忽略的。

2.3.2 水深对群桩总力系数的影响

图10 群桩总力系数随水深d变化规律Fig.10 Influence ofwater depth d on group piles factor

图11 群桩正向力与横向力之比随水深d的变化规律Fig.11 Influence of water depth d on ratio of group piles of normal force and transverse force

图12 承台力与群桩力之比随水深d变化规律Fig.12 Influence of water depth d on ratio of group piles force and pile platform force

2.3.3 水深对群桩系数的影响

图13 各桩群桩系数随水深d的变化规律Fig.13 Influence of water depth d on factor of group piles fxF/f

图14 各桩群桩系数随水深d的变化规律Fig.14 Influence of water depth d on factor of group piles fxmax/f

2.3.4 水深对单桩正向力与横向力之比的影响

由于横向力对总力的影响不可忽略，同时横向力的波动频率是波浪频率的2倍，因此对横向力的考察有必要进行量化分析。图15给出了在整体总力达到最大值时，相应各个桩正向力与横向力之比随水深d的变化规律，同时图16给出了各桩所受最大正向力与其相应的横向力之比随水深d的变化规律。

从图15中可以看出，正向力值始终大于横向力值的2倍，二者之比在6附近上下波动，A#、C#和E#桩之值相对离散，最大值可达到13，而最小值几乎接近2，说明在不同的工况下横向力占桩柱力的比重是不同的；而图16中随水深的变化比的波动幅度要小，C#、D#桩之值始终大于6，而A#、E#桩正向力与横向力之比始终在4附近上下波动，说明对于不同的桩柱，横向力对桩柱力的影响也是有差别的。

图15 各桩正向力与横向力之比与水深关系Fig.15 Influence of water depth on ratio of normal force and transverse force

图16 各桩正向力与横向力之比与水深关系Fig.16 Influence of water depth on ratio of normal force and transverse force

2.4 群桩中各单桩波浪力的分配比例

当整体结构总力达到Fmax时，群桩总力与承台力分配比例以及各桩力的分配比例如表2所示。工况1、2群桩总力所占百分比在50%～60%，工况3由于水位较低，桩柱几乎承担了整个结构的全部波浪力。A#、E#桩在群桩受力中所占比例最小，D#桩受力最大，B#、C#桩受力相当。从表中还可以看出，随着水深的增大，群桩效应的影响越来越弱，各桩所占百分比比较接近。

表2 桩力分配比例Tab.2 Distribution ratio of force loads on piles%

3 结论

（1）单桩受力的正向力频率与波浪频率基本相同，而横向力频率大约是正向力频率的2倍，根据前、中、后三桩的波浪力过程线来看，在整体总力达到峰值时，各桩所受波浪力并不可能同时达到相应单桩的峰值。

（2）水深d对群桩总力系数的影响：随着水深d的增大，受承台影响群桩总力系数F/Nf逐渐增大；而群桩正向力与横向力之比随水深增大逐渐减小，说明水深大时由于承台的扰动使得群桩效应加剧横向力值增大，总体而言横向力不容轻视；承台力与群桩力之比在水深较小时，承台力几乎为0，随着水深d的增大，之值在0.7左右变化。

（3）水深d对于群桩系数的影响从整体趋势来看，当水深较小时，各桩群桩系数值比较接近，而当水深d大于某一个值时，5根单桩群桩系数逐渐大于1，各桩力值相差越来越大。同时各桩均大于1且明显大于或者等于，这再次说明在整体总力达到时，各单桩并不一定同时达到其最大值。

（4）水深d对正向力与横向力之比的影响说明在不同的工况下横向力占总力的比重是不同的，同时对于不同的桩柱横向力对桩柱力的影响也是有差别的。

［1］Chakrabati SK.Hydrodynamic coefficients for a vertical tube in array［J］.Applied Ocean Research，1981,3（2）：121-128.

［2］俞聿修，张宁川.不规则波作用于垂直桩柱上的正向力［J］.海洋学报，1988，10（5）：609-617. YU Y X，ZHANG N C.The normal force loads on vertical pile in irregular wave［J］.Acta Oceanologica Sinica，1988，10（5）：609-61 7.

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［5］张宁川，俞聿修.不规则波作用下的群桩效应［J］.海洋通报，1993，12（3）：96-101. ZHANG N C，YU Y X.The pile grouping effect in random wave［J］.Marine Science Bulletin，1993，12（3）：96-101.

［6］王爱群，徐立论.小直径组合桩的波浪力实验分析［J］.海洋湖沼通报，2002（1）：9-16. WANG A Q，XU L L.Wave forces on arrays of small diameter cylinders［J］.Transaction of Oceanology and Limnology，2002（1）：9-16.

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［9］李玉成，王凤龙，康海贵.作用于小尺度圆柱上的波浪、水流力［J］.海洋工程，1993，11（3）：46-59. LIY C，WANG F L，KANG H G.The wave and current forces load on small diameter cylinder［J］.Ocean Engineering，1993，11（3）：46-59.

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［11］JTJ213-98，海港水文规范［S］.

Experimental study of irregular wave force loads on high rise pile platform

LEIXin-xin1,SUN Da-peng1,XU Xue-jiao2,WU Hao1,LIYu-cheng1
(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024, China;2.Dalian Lvshunkou Port Authority,Dalian 116052,China)

A physical model experimental study was carried out to research wave force loads on group piles and the slab in irregular wave.The hydrodynamic characteristics of group piles were also analyzed in this paper. The wave force rule of pile when wave force loading on global structure reached maximum was investigated emphatically.The global force and pile force at the same time and every pile force when global force reached maximum were observed.Based on the analysis data,the force and wave height process line of front,middle and back pile was given out,and phase of them was analyzed.The influence of water depth on group piles factor, group piles in-line force against transverse force,single piles factor and the ratio of in-line force and transverse force of single pile was discussed in detail.Finally,the distribution ratio between piles and the largest force of pile were confirmed.

irregular wave;wave force;group piles;pile platform;distribution ratio

TV 139.2；TV 139.2+5

A

1005-8443（2013）04-0277-08

2013-02-18；

2013-03-26

国家自然科学基金资助项目(50921001)

雷欣欣（1987-），女，山西省晋中人，硕士研究生，主要从事波浪与结构物相互作用的研究。

Biography：LEIXin-xin(1987-)，female，master student.