低桩承台直立式结构波浪作用力研究

唐 云，刘 堃

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

波浪作用下，直墙式建筑物的受力特性一直是实际工程中需要关心的问题。低桩承台直立式结构在外形上类似于常规直墙式建筑物，但由于承台下方存在空腔，使得承台前沿线与承台下方的直立墙不在同一直线上，这也使得其受力特性有类似于直墙式建筑物的地方，又有别于直墙式建筑物。1928年，在Boussinesq等人关于直立式建筑物前立波理论的基础上，法国工程师Sainflou[1]根据椭圆余摆线波理论求得有限水深情况下直立墙前的波压力数学解；Goda[2]在大量试验研究数据和现场资料分析的基础上，于1967年提出了计算直墙式建筑物上波浪压力的方法，自1979年4月起日本将Goda法作为新的设计标准；自1991年开始，Kirkgoz[3]系统研究了破碎波对直墙的作用，认为波浪对港工结构的荷载主要为冲击瞬间的破波类型，当波浪正面垂直作用到直墙上时产生最大冲击荷载；2010年，Cuomo[4]基于物理模型试验探究了破碎波作用到直墙建筑物上的力。国内学者对直墙波浪力的研究由来已久，早在1975年，大连理工大学对破碎波浪做了系统研究，给出了相关计算公式。自1992年开始，李玉成[5]对不规则波作用下波浪对直墙的作用进行了较为全面的分析，将直立堤前不规则波分为立波、近破波和远破波3种，给出不同波态的判断标准，研究波浪力的统计分布，并分别给出各种波态的波浪力计算公式。

可见，国内外学者针对波浪对直墙式建筑物作用的研究较多，但对低桩承台直立式结构在波浪作用力的研究较少。本文结合深圳机场三跑道海堤采用的低桩承台直立式结构方案，通过物理模型试验研究该结构的波浪力受力规律，为类似工程设计提供参考。

1 设备仪器和试验方法

试验以深圳机场三跑道海堤设计断面(图1)为基础。由于受机场平面布置限高、堤外侧沿江高速特大桥的安全影响及地质条件限制，经分析比较后确定采用低桩承台直立堤结构，即下部为斜撑桩钢管板桩直立墙、上部为现浇直立式承台防浪墙。斜撑桩采用φ1 600 mm钢管桩，斜率为3:1，纵向间距为3.0 m，打至强风化岩层以下不小于2 m；板桩墙采用φ1 400 mm钢管桩+Z型钢板桩的组合结构，组合结构中钢管桩为主桩，纵向间距为2.86 m，打至强风化岩层以下不小于2 m；钢板桩为辅桩，仅须穿透软弱土层至残积土或风化岩层顶面。斜撑桩和钢管板桩墙通过顶部现浇钢筋混凝土承台连为一体，后方吹填砂形成陆域。承台上方回填10～100 kg块石，顶部设置7.5 m净宽防洪通道，顶高程6.66 m；承台海侧设置带挑檐的挡浪墙。板桩墙前抛填150～300 kg块石护底，基础采用水泥搅拌桩加固处理。

图1 低桩承台直立结构典型断面(高程：m；尺寸：mm)

试验在河海大学风、浪、流水槽中进行,水槽全长80 m、宽1 m、高1.5 m，水槽沿纵向分隔成各0.5 m宽两部分，其中一部分用于铺设模型，另一部分用于降低波的反射影响。水槽一端安装有二次反射波浪自动吸收推板式造波机，由计算机自动生成所要求模拟的波浪要素，另一端设有消浪缓坡。试验采用JONSWAP不规则波波谱，连续生波1 000个左右，模型比尺为1:28。试验断面在水槽中的布置见图2。

图2 波浪水槽布置

为了分析波浪压力的变化规律，试验分2部分进行：1)工程设计断面试验组次，按模型比尺，模拟承台前沿直墙、承台底面、承台下方的桩基、板桩墙和后方块石回填等；2)系列模型试验组次，将断面进行概化，采用有机玻璃模拟承台前沿直墙、承台前沿及底面和承台下方的板桩墙结构(压力测点布置见图3)，不考虑桩基和后方回填的影响。采用压阻式微型高频压力传感器及东华测试公司开发的DH5922型动态信号测试分析系统采集和分析，该系统能实现多通道并行同步高速长时间连续采样，其采样频率变化范围为50～20 000 Hz。试验的采集频率取为5 000 Hz。系列试验水深保持0.5 m不变，入射有效波高Hs变化范围为0.05～0.15 m，相对波高Hs/d的变化范围为0.10～0.25；平均周期T的变化范围为1.19～1.98 s，其波陡Hs/L的变化范围为0.025～0.050；试验板宽B分别为0.3、0.5 m，相对板宽B/L变化范围为0.09～0.25；承台底面超高Δh分别为0.10、0.05、0.02、0、-0.02、-0.05和-0.10 m，相对超高Δh/Hs的变化范围为-2～2。

图3压力测点分布(单位：mm)

2 承台底部冲击压强分析

不规则波作用下承台底部冲击压强的主要影响因素有入射波高、波长、周期、承台宽度B和承台底到静水面的距离Δh等。采用入射波陡Hs/L、承台相对宽度B/L和相对超高Δh/Hs等无因次量，分析不规则波作用下承台底所受最大冲击压强的变化规律。

2.1 入射波陡对最大冲击压强的影响

图4给出不规则波作用在不同承台宽度的相对最大冲击压强与入射波波陡的关系。从图4可以看出，在不规则波作用下，最大相对冲击压强与入射波波陡的关系较为复杂：当相对超高较小时(Δh/Hs=-0.5和-1.0)，最大相对冲击压强随波陡的变化幅度较小，且总体为逐步减小的趋势；当相对超高Δh/Hs在-0.2～0.2时，波浪冲击作用较为强烈，承台底面最大相对冲击压强呈现出随着波陡的增大先减小后增大、进而减小的趋势，且在Hs/L=0.035～0.040范围内最大冲击压强出现峰值；当相对超高较大时(Δh/Hs=0.5和1.0)，承台底面最大相对冲击压强随着波陡的增大先增大后减小、再增大的趋势。

注：入射波波陡Hs/L，承台底面最大相对冲击压强P1/3(ρgHs)，ρ为水的密度。

图4不规则波作用下承台底部最大相对冲击压强与入射波陡的关系

2.2 承台相对宽度对最大冲击压强的影响

图5给出承台底部最大相对冲击压强P1/3/(ρgHs)与承台相对宽度B/L的影响。由图5可以看出，在不规则波作用下，多数情况下承台底最大相对冲击压强随着相对板宽的增大先减小后增大，并在B/L=0.185处出现极小值。

图5 不规则波作用下承台底部最大相对冲击压强与承台相对宽度的关系(Hs=0.1 m,T=1.45 s)

2.3 相对超高对最大冲击压强的影响

图6给出不规则波作用下承台底所受最大相对冲击压强与相对超高(承台底面至静水面的距离与有效波高的比值)Δh/Hs的关系。可以看出，承台底面最大相对冲击压强随着相对超高的增大先增大后减小。其中，当相对超高Δh/Hs< -0.5时，最大相对冲击压强的变化幅度迅速变缓；当相对超高在-0.5～0.5范围内时变化幅度较大，并且多数情况下在Δh/Hs=0.2附近出现峰值。

图6 不规则波作用下承台底部所受最大相对冲击压强与相对超高的关系

3 承台前沿及板桩墙冲击压强分析

3.1 入射波陡对冲击压强的影响

波长作为设计波要素的重要参数之一，其对描述波浪的形态以及分析波浪对结构物的作用具有重要意义。相关研究结果表明，波浪对直墙建筑的作用主要与波浪能量以及波浪作用在建筑上的角度有关。当入射波波高一定时，波长的变化不仅影响到波浪作用在建筑物上的入射角度，使得建筑物上的波压力不同，而且针对本文所研究的模型结构，波长的变化影响波浪进入承台下方空间的程度(波长与承台宽度的比值越小，波浪进入承台下方越充分)，从而造成板桩墙迎浪面波压强的变化。

图7为不同波浪要素和超高条件下，结构迎浪面各测点波浪压强随入射波波陡之间的变化关系。其中Hs/L表示入射波波陡，Pc/(ρgHs)表示相对水平压强，z表示各测点距离模型底面的距离(单位：m)。由图7可知，尽管承台底面在静水位附近时对相对波压强分布规律产生较大影响，但总体而言承台前沿上各测点波压强值随波陡的减小而增大，随波长的增大而增大；板桩墙上测点的波压强随波陡的变化情况较为复杂，无明显的规律。

图7 不同超高下承台前沿及板桩墙冲击压强与入射波陡关系

3.2 承台相对宽度对冲击压强影响

图8给出各级波浪要素以及承台底面超高条件下承台宽度变化对波压强值以及波压强分布的影响，其中B/L表示承台的相对宽度。承台的存在对水平冲击压强的大小和分布有一定的影响，其影响主要体现在结构静水位及以下部位相对冲击压强在量级上有较大的差距,有承台的静水位附近最大相对冲击压强是无承台的10余倍。承台宽度的变化主要影响承台与板桩墙以及波面间形成的空气层的大小，承台宽度越大，三者间形成的封闭空间越大，波浪的冲击特性越强，耗散的能量越多，作用在板桩墙上的波压强值越大。根据能量守恒定律可知，作用到承台前沿的能量变少，从而减少了对承台前沿的作用。

图8 不同超高下承台前沿与板桩墙冲击压强与承台相对宽度的关系

3.3 相对超高对冲击压强的影响

承台超高(底面距静水面的距离)Δh对波压强值大小及分布有较大的影响，其影响程度与承台相对超高Δh/Hs有关。图9给出不同波要素作用下承台和板桩墙迎浪面模型各测点相对波压强值与承台底面相对超高之间的关系。整个结构迎浪面各测点相对波压强值随相对超高的增大先增大后减小：当0≤Δh/Hs< 0.2时，即承台底面在静水位及略向上时，板桩墙前波压强值出现最大值;当Δh/Hs≤-0.5时，承台前沿的存在阻挡了部分波浪向板桩墙的传播，波面不会与承台底面脱离形成空气层；当Δh/Hs> 1.5时，没有水体作用到承台底面，波浪作用到结构时相当于作用在直墙上，在上述两种情况波浪在深水条件下对直墙的作用主要以缓变压强为主，波浪压强不具备冲击荷载的特性；当-0.5< Δh/Hs≤1.5时，波浪作用时波面与承台底部脱离，同时因超高较小，波浪能量较大，空气难以及时排出，波浪直接冲击承台底部和板桩墙上部，此时波压强值出现突增。以Δh/Hs=0.2为例，最大波压强约为同条件下直墙式建筑物波浪压强的3倍。静水位以上测点随相对超高变化幅度较小。

从图9可以看出，低桩承台结构每个工况下最大相对冲击压强发生的位置与承台底面的相对超高有着较为明显的关系，随着相对超高的增大，最大相对冲击压强出现的位置随着上移。当Δh/Hs> 0时，出现在静水面以上；当Δh/Hs=0，发生在静水面附近略偏静水位以下；当Δh/Hs< 0时，出现在静水面以下。经过对发生最大冲击压强位置的统计分析可知，绝大多数组次下最大水平压强发生的位置在承台底面与板桩墙的交界处，即板桩墙的最上部。

图9 承台前沿及板桩墙冲击压强与相对超高的关系

以上现象可解释为：当Δh/Hs> 0时，波浪会在波面和结构形成的封闭水体内剧烈破碎，这是一个复杂的动能、势能等的相互转化过程，可能会导致增水或减水，国内外学者通过理论分析和试验表明：波浪未破碎时，随着波浪向岸边传播其动能和辐射应力有增大的趋势，此时会造成水位的降低；反之，当波浪破碎后则会导致平均水位的升高。其次，波浪破碎后掺混空气产生的冲击作用是多向的，不仅会对承台底部产生较大的冲击压强也会对板桩墙上部产生强烈冲击。当Δh/Hs≤0时，一方面，当Δh/Hs≤-0.5时，波浪作用到结构上是类似于立波作用到直墙结构上的缓变作用，波浪未发生破碎，会导致平均水位降低，从而导致最大相对冲击压强发生位置在静水位以下；另一方面，当-0.5< Δh/Hs≤0时，波浪作用到结构上时会脱离承台地面，此时空气掺入形成空气层会对水下的板桩墙造成强烈冲击，这也解释了最大相对冲击压强会出现在静水位以下的原因。

4 结论

1)不规则波作用下,承台底所受最大相对冲击压强与波陡、承台底部宽度和相对超高有关，尤其相对超高对冲击压强影响非常明显：当相对超高在-0.5～0.5范围内时变化幅度较大，冲击压强随超高的增大，呈先增大后减小的趋势，并且多数情况下在Δh/Hs=0.2附近出现峰值。

2)承台前沿波浪压强受承台结构的影响较小，其变化规律与直墙式建筑物波浪压强相似。

3)承台下方板桩墙波浪压强受承台结构的影响较大，当-0.5< Δh/Hs≤1.5时，波浪压强具有明显的冲击特性，是同条件下直墙式建筑物波浪压强的2～3.5倍。因此，在承台结构设计中，尽量避开此高程区间。