動荷載條件下波浪樁力學性能分析

袁肇彥

（廣東省科達水利電力巖土工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

水工建筑物的設計中,常遇到建筑物地基地質條件不好、豎向承載力和抗滑穩定不滿足的情況[1-5]，采用樁基礎處理地基,是解決這些問題的有效措施之一[6]。波浪樁是一種新型的預制護岸結構，采用工廠化預制，離心成型，高溫養護成樁。相比普通混凝土樁，其耐久性能好，其抗氯離子、抗硫酸鹽、抗凍、抗滲等性能均達到國標中強腐蝕環境下100年的要求，因此在沿海的水利工程中使用廣泛[7]。

目前國內學者對波浪樁的工作性能以及應用進行了相關研究。王元戰等[8]采用改進Morison波浪力計算公式研究了流固耦合對樁身波浪力的影響,并給出了考慮流固耦合影響的波浪力放大系數圖表；郭英等[9]針對黑龍江地區極寒地質條件進行了預應力混凝土波浪樁鉆孔和沉樁設備選型試驗；劉田玉[10]針對某風力發電機的鋼管樁結構,考慮波浪荷載的周期性作用,計算分析了單樁式基礎與上部結構的模態振型；閆彭彭[11]采用AutoBank軟件對堤防各運行工況進行波浪樁穩定分析；鐘可圳[12]在預應力混凝土波浪樁技術優勢的基礎上,針對該工程東鳳鎮項目區預應力混凝土波浪樁鉆孔及沉樁設備的組合、施工工藝及具體施工過程等進行了可行性論證；王靜[13]闡述了預應力混凝土波浪樁的結構特點；劉永利等[14]結合波浪樁護岸在沂河北島安全生態修復項目中的應用,介紹了波浪樁的施工工藝及施工控制要點。

從以上文獻分析可以得出，當前國內對波浪樁的研究主要集中于應用和施工工藝方面，少有文獻對波浪樁的動力性能進行研究，而動荷載是沿海樁基設計的重要標準之一，因此有必要對波浪樁在波浪荷載和地震荷載下的動力響應進行分析。因此，本文以廣東省臺山市新昌水波浪樁工程為例，采用有限元軟件分析了波浪荷載和地震荷載作用下，波浪樁的動力響應規律，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

本次研究的波浪樁工程位于臺山市新昌水(四九河段)，治理河道總長為10.5km，護岸11.06km，清淤疏?？傞L7.0km，其中樁號S0+109—0+562段右岸共453m為波浪樁措施，波浪樁每根寬0.588m，長4m，共有770根。護岸采用雷諾護墊砌護，雷諾護墊尺寸6m×2m×0.3m，為減少岸坡滲漏，在雷諾護墊底部鋪設兩布一膜，規格尺寸為200g/m2，左岸岸坡頂設置7.5m寬堤頂道路,右岸岸坡頂設置6m寬堤頂道路,護岸水面以上超高部分和堤頂道路以上邊坡設1.65m×1.65m砼網格梁,內填耕植土，人工播撒草籽。圖1為波浪樁。

圖1 波浪樁

3 數值模型

3.1 波浪壓力分析

本文的數值模擬分兩部分，第一部分先分析波浪樁在波浪荷載下的動力響應。因此在進行力學分析之前，首先必須知道波浪的變化規律，才能施加波浪壓力。本文在計算之前通過多次現場測試先獲得了波浪的波高變化規律，如圖2所示。圖中為測試時間約600—760s之間，其波高最高31cm，波動由不同高度、不同周期的波浪組成的，在高度和周期上存在不明顯的變化規律，因此需要對測試結果進行數學處理。當前分析復雜波的主要方法有兩種，頻譜分析和逐波（波列）分析，本文采用更強大的頻譜分析方法。假設海況可以被視為具有不同頻率、高度和方向的大量規則正弦波分量的組合或疊加。也就是說，頻譜分析方法通過將波記錄的時間序列轉換為波譜來確定每個波頻率的波能量分布和平均統計信息，這本質上是從時域到頻域的轉換。

圖2 波浪的波高變化

在獲得規律變化的時頻圖后，開展一系列流體動力學模擬，最后得到了波動量變化圖，即后期數值模擬輸入的波浪壓力以波動能代替，如圖3所示。

圖3 波動量變化規律

3.2 地震荷載分析

本次分析將0.2g、0.3g、0.4g和0.5g的地震加速度施加在來自樁基底部，施加時間2s。為了獲得樁的最大響應，經過多次試驗，發現2s的振動時間滿足條件，因此，不再嘗試進一步的時間性能分析。

3.3 模型建立

為探究一組波浪樁在波浪壓力下的力學性能，本次采用有限元軟件對波浪樁進行建模分析。圖4為本次建立的有限元模型。圖中，地基土為密砂，高8m，波浪樁每根寬0.588m，長4m，采用三角形網格劃分，網格數量1 282個，材料采用彈塑性模型，波浪動力與第三節中的分析結果保持一致。至于邊界條件，擋水面為應力邊界，隔水面為自由表面，底板全約束。表1為數值計算參數。

圖4 波浪樁數值模型

表1 模型計算力學參數

4 數值結果分析

4.1 破浪荷載下樁基響應

圖5給出了波浪荷載下，樁基頂部位移變化結果。由圖可知，樁基的位移呈非線性變化趨勢明顯，局部動蕩較為明顯，位移先增大后減小。樁基在6s的動荷載下，最大位移分別為0.011m，發生在2.5s的時間點上，之后回彈至0.09m。此外，從圖中還可得出，即使在正弦荷載下獲得了相似的最大振幅，但樁基的位移變化并非呈周期性變化，這是由于樁基產生共振效應而引起的，因此在進行波浪樁安全設計時，應當考慮樁體的共振效應，提高樁基下沉位移設計的可靠性。

圖5 波浪荷載下樁基頂部位移變化結果

4.2 地震荷載下樁基響應

了解波浪樁對地震荷載的響應對于樁體動力設計至關重要。因此，本節研究了密實砂土中樁在各種動荷載加速度（即正弦振動）下的響應（加速度、垂直位移）。為了正確模擬波浪樁和砂之間的摩擦相互作用，根據砂的相對密度定義了接觸界面。此外，在樁頭估算樁的動態響應（加速度、位移）。圖6給出了波浪樁在地震荷載作用下加速度變化規律。研究發現，波浪樁頭的加速度和位移都隨著動載荷的增加而增加，振幅響應較大，能夠響應0.5g至2.5g的加速度。圖7給出了波浪樁在地震荷載作用下樁頭位移變化規律。由圖可知，隨著地震加速度的增大，樁的位移同樣出現增大的趨勢，但最大位移峰值時間具有一定差異，在密實砂中樁產生的最大位移范圍為0.1m至0.5m。

圖6 波浪樁在地震荷載作用下加速度變化規律

圖7 不同水位下液壓壩的位移變化規律

5 結論

本文以廣東省臺山市新昌水波浪樁工程為例，采用有限元分析軟件分析了波浪荷載和地震荷載作用下，波浪樁的動力響應規律。研究結果表明，波浪荷載作用下，樁基的位移呈非線性變化趨勢明顯，位移先增大后減小。樁基在6s的動荷載下，最大位移分別為0.011m，發生在2.5s的時間點上，之后回彈至0.09m。另一方面，在地震荷載作用下，波浪樁頭的加速度和位移都隨著動載荷的增加而增加，振幅響應較大，能夠響應0.5g至2.5g的加速度，樁產生的最大位移范圍為0.1m至0.5m。研究成果可為工程提供參考?！?/p>