承台对群桩-承台结构水动力特性的影响研究

唐自航， 祝 兵

(西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031)

根据波浪传播方向与群桩中心连线的方向的夹角，通常把群桩的布置分成纵向串列、横向并列和倾斜布置三种基本形式，群桩的布置形式会显著影响桩所受到的波浪荷载。国内的学者开展了许多实验来研究群桩效应，主要研究在双桩串列、并列和三桩串列、并列等几种情况下，群桩效应系数KG随群桩数量、群桩布置形式、相对桩距和KC数等影响因素的变化规律[1-5]。群桩效应系数KG是以单根桩的受力为基准，群桩结构中各组成桩所受的力与单桩所受的力的比值。

但以上的研究都只针对于群桩结构，而没有考虑承台对群桩效应的影响，但在实际的跨海桥梁中，下部结构总是以群桩-承台结构这一形式存在。由于承台尺寸相比于桩径大很多，会对作用在桩上的波浪力的大小产生显著影响，因此群桩-承台结构实际的群桩效应，与以上研究得出的结论相比，会有较大差别。此外，国内外学者在研究近海工程的问题时，大都采用物理模拟来研究和解决问题。但实验水槽等的建立占用场地面积较大，相关的配套设施设备的价格高昂，导致科研成本很高。不仅如此，实验水槽的结果的准确性也受制于物理尺度、实验设备和测量仪器等因素。

本文在对群桩水动力特性现有研究的基础上，建立了群桩结构的三维数值模型，运用FLOW-3D进行数值模拟计算，得到了群桩效应系数KG随KC数的变化曲线，结果与相同条件下实验室的实测数据高度吻合，充分证明本文采用的数值模拟方法是准确可靠的。在此基础上，建立了群桩-承台结构的三维数值波浪水槽，并通过改变承台淹没系数以研究其对群桩-承台结构的水动力特性的影响。

1 数值波浪水槽模型

1.1 控制方程

在使用FLOW-3D软件进行数值模拟时，将波浪视作不可压缩的黏性牛顿流体。控制方程由连续性方程和动量方程构成， FLOW-3D软件采用了FAVOR技术，因此分别在连续性方程式(1)和动量方程式(2)～式(4)中加入体积参数和面积参数，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量；Ax、Ay、Az分别为x、y、z方向上的流动面积分数；Gx、Gy、Gz分别表示在x、y、z方向上的重力加速度分量；P表示波压力；ρ表示流体密度；VF表示体积分数；fx、fy、fz分别为x、y、z方向上粘性力引起的加速度分量。

1.2 湍流模型

本文采用k-ε湍流模型实现对上述方程的封闭，以保证波浪结构相互作用的计算的准确性。在方程中加入体积参数和面积参数，具体如下：

(5)

(6)

式中：kT表示湍动动能；εT表示湍动耗散率；PT则表示速度梯度引起的湍流动能产生项；C1、C2、C3为常数，其值分别取为1.44、1.92和0.2；DkT与Dε表示扩散项。

1.3 自由液面追踪与边界条件

在建立数值水槽时，采用VOF法来进行自由液面追踪。

边界条件的设置是建立数值水槽的关键之一，本次数值水槽采用的边界条件如下：

(1)入流边界：采用速度入口法造波。

(2)出流边界：采用Sommerfeld辐射边界条件消波。

(3)对称边界：在数值水槽的左右两侧和水槽的顶面采用对称边界。

(4)壁面边界：水槽的底面边界采用粗糙壁面边界，且为非滑移边界。

(5)自由液面：水槽的动力学边界条件取P等于大气压强P0，自由液面切应力取为0。

2 数值波浪水槽的验证

基于Bonakdar[6]于2014年对群桩结构的群桩效应进行的水槽实验，使用FLOW-3D建立结构物的数值水槽，将计算结果与实验数据进行对比，从而验证结构物数值模拟的可行性及准确性。实验水槽的具体设置和波浪参数参见文献[6]。

2.1 群桩布置形式

群桩布置形式如图1所示。

(a) 横向并列

(b) 纵向串列图1 群桩布置形式

2.2 相对桩距

相对桩距SG/D定义为相邻两根桩的外表面距离SG和桩的直径D之比。在此次验证过程中，仅选择相对桩距为1的情况进行分析。

2.3 数值水槽设置

数值水槽的长、宽、高尺寸分别为5 m、1.5 m、1 m。群桩结构的中心点位于距离入流边界1 m处，同时也处于水槽长度方向的中心轴上。

2.4 数值模拟结果与实验结果对比

通过数值模拟得到群桩中组成桩的最大波浪力，再与单桩的最大波浪力相除可以得到随KC数变化的群桩效应系数KG曲线，并与实验结果比较(图2)。

(a)群桩结构横向并列布置

(b)群桩结构纵向串列布置图2 数值模拟与实验群桩效应系数KG对比

由图2可知：在群桩结构的布置形式分别为横向并列、纵向串列两种情况下，数值模拟的结果与实验结果吻合性良好，充分证明数值模拟方法研究结构物所受的波浪力作用是可行的。

3 计算结果与讨论

为了研究承台淹没系数对群桩-承台结构水动力特性的影响，在相同的波浪参数和不同承台淹没系数下进行数值模拟。共选取12组波浪进行模拟，具体波浪参数如表1所示。

表1 波浪参数

波浪参数输入时，波浪加载时长统一取为波浪周期的10倍，以保证数值模拟计算结果的准确性。

当下部群桩的布置为横向并列，且相对桩距分别为0.5、0.75和1以及承台淹没系数分别为0、1和2时的群桩效应系数KG曲线如图3所示。

(a)相对桩距=0.5

(b)相对桩距=0.75

(c) 相对桩距=1图3 横向并列时不同承台淹没系数下群桩效应系数KG曲线

由图3可知：(1)当相对桩距为0.5或1，承台淹没系数的增大使得群桩效应系数KG减小。(2)当相对桩距为0.75，0

当下部群桩的布置为纵向串列时，且相对桩距分别为0.5、0.75和1以及承台淹没系数分别为0、1和2时的群桩效应系数KG曲线如图4所示。

(a) 相对桩距=0.5

(b)相对桩距=0.75

(c) 相对桩距=1图4 纵向串列时不同承台淹没系数下群桩效应系数KG曲线

由图4可知：(1)相对桩距为0.5及1时，在数值模拟所取KC数范围内，即0

为了简单分析承台淹没系数的改变对水动力特性的影响，图5给出了群桩结构为横向并列时，某一波峰经过时间内组成桩周边的波压力图及波面图。

图5表示下部群桩布置为横向并列、相对桩距为1，且KC数为42.84，承台淹没系数Cs为别为0和1时，群桩-承台结构的组成桩在一个波峰时间内(t=4.2～5.6 s)的波压力和波面图，其中波浪的传播方向为从左到右。由图5可知：承台淹没系数的改变会对群桩所受到的波浪力产生很大的影响。对比图5(b)、图5(c)可以发现，在其他条件相同时，由于静水面的提高，会使得群桩结构周围波压力在整体上都有所增大，从而影响了各组成桩所受波浪力的大小，而这一影响会反映在群桩效应系数的改变上。

4 结论

本文采用数值模拟的方法研究承台淹没系数对群桩-承台结构水动力特性的影响，主要考察群桩效应系数KG随承台淹没系数的变化规律。

(1)本文所建立的群桩结构的三维数值模型的计算结果与之前实验室的实验数据高度吻合，充分证明计算模型是准确可靠的，因而可以采用数值模拟的方式来研究群桩-承台结构的水动力特性。

(a)图例

(b)CS=0时波压力图

(c)CS=1时波压力图

(d)CS=0时波面图

(e)CS=1时波面图图5 CS=0及CS=1时波压力图、波面图

(2)承台淹没系数的改变会对群桩效应系数KG产生影响，且群桩分别在并列和串列两种不同布置时，承台淹没系数

的改变对群桩效应系数KG所产生的影响略有不同。

(3)承台的存在对群桩效应系数KG有很大的影响，在研究桩群效应对海上桥梁群桩-承台结构中各组成桩的波浪力的影响时，建议考虑承台对群桩效应的影响。

[1] 俞聿修，张宁川. 双桩桩列上的不规则波浪力[J]. 大连理工大学学报，1988(1)：103-112.

[2] 俞聿修，张宁川. 三桩桩列上的不规则波浪力[J]. 中国港湾建设，1989(3)：1-7.

[3] 张宁川，俞聿修. 随机波浪作用于三桩桩列上的横向力的水动力特征及群桩效应[C]// 全国海岸工程学术讨论会, 1993.

[4] 李玉成，王凤龙. 作用于串列双桩桩列上的波流力[J]. 水动力学研究与进展，1992(2)：141-149.

[5] 李玉成，王凤龙，王洪荣. 作用于并列双桩桩列上的波流力[J]. 海洋学报，1992，14(2)：106-121.

[6] Bonakdar L, Oumeraci H. Pile group effect on the wave loading of a slender pile: A small-scale model study[J]. Ocean Engineering, 2015, 108: 449-461.

[7] Bonakdar L, Pile group effect on the wave loading of a slender pile[D]. TU Braunschweig, Germany 978-3-86948-383-2, 2014.

[8] 高学平，曾广冬，张亚. 不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波[J]. 海洋学报，2002，24(2)：127-132.