不同因素对石拱桥基础局部冲刷影响的试验分析

为了研究不同因素对古代石拱桥——步瀛桥基础局部冲刷的影响,对桥梁所在河流的水文条件进行了分析,从布置不同形状的墩前牺牲桩进行了论述,提出了三角形、矩形、圆形牺牲桩与步瀛桥基础加固前后桥墩周围冲刷坑变化情况的对照试验方法,在洪水条件下进行了布置三角形墩前牺牲桩不同间距的冲刷试验研究,结果表明在步瀛桥模型的上游放置试样牺牲桩,用于改变流场,降低水流对桥墩的侵蚀力,达到了降低桥墩基础局部冲刷的效果,有效降低了冲刷坑的深度,减少了冲刷深度达到平衡条件所需的时间,解决了洪水冲刷对古桥的主要威胁。

考虑端部形状影响的矩形桥墩局部冲刷试验研究

文章以宽度相同、长度不同的矩形桥墩为研究对象,考虑矩形、圆端形、三角尖形3种典型端部形状,在铺设10 cm等厚定级配沙的矩形长直水槽内进行不同流速下桥墩局部冲刷室内试验,量测不同时刻桥墩周边测点流场、墩周冲刷坑深度等参数,结合基本理论对桥梁基础局部冲刷进行研究。结果表明:圆端形和三角尖形端部桥墩墩前下降水流和墩周马蹄形涡流强度较矩形端部小;在相同条件下,圆端形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小34.9%,而三角尖形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小66.7%;在保证矩形桥墩长宽比L/B≥2的前提下,当弗劳德数Fr≤0.111时L/B越小,墩周冲刷破坏程度越小,而当0.148≤Fr≤0.185时则相反。根据河道不同流速合理选择墩型,能够更好地预防冲刷破坏。试验结果可为桥墩局部冲刷设计提供参考。

人工鱼礁群对单桩基础局部冲刷防护效应的试验研究

为探究人工鱼礁群对单桩基础冲刷的影响,在波流水槽中开展局部冲刷物理模型试验,分析不同波流条件、鱼礁类型、布置方式以及鱼礁群与桩基础距离条件下鱼礁群的自身稳定性及其对桩基的防护效果.结果表明:立方体空心礁相比实心礁具有更好的稳定性,交错布置对桩基础冲刷的防护效果优于均匀布置形式;纯流作用下,人工鱼礁群桩基础冲刷深度的削弱效果随流速的增大而减小;波流作用下,空心礁对桩基础冲刷深度的削弱效果更优;2种礁体的不同平面布置形式对桩基础冲刷范围的削弱程度相近;鱼礁群与桩基础前缘距离的改变影响桩基础冲刷深度和冲刷形态.

护圈和石笼结构防护下桥墩局部冲刷试验研究

桥墩基础局部冲刷是造成涉河桥梁水毁最主要因素,对可能冲刷区域进行防护是降低基础冲刷危害的主要措施。文章选取矩形墩和双排圆柱形墩,基于主动和被动防护机理的护圈和石笼防护结构,考虑防护范围和流速因素,进行了桥墩基础局部冲刷试验;采用极差分析和相关性分析的方法,对墩型和防护措施结合后的基础局部冲刷演化过程和抗冲刷防护性能进行深入研究,探究防护效果与不同影响因素间的关系。结果表明:外径因素对防护效果的影响程度大于措施因素的影响程度;对矩形墩进行防护时,低流速下优先选用护圈结构,中高流速下两者均可采用;对双排圆柱形墩进行防护时,优先选用石笼结构;在护圈或石笼结构防护下的矩形墩、双排圆柱形墩局部冲刷深度计算中,基底修正系数K_(D)与防护比D_(p)/D更符合二次函数关系。

局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础H-T联合承载特性

海上风机基础工作时既承受复杂组合荷载作用,也受波流冲刷影响。单桩-摩擦盘复合基础同时结合了单桩与重力式基础的特点,摩擦盘还可起防冲板作用。为探讨砂土地基中H-T联合作用时局部冲刷对这种复合基础承载特性的影响,首先基于室内水槽试验装置,完成了一系列模型载荷试验;获得了冲刷前后桩-盘复合基础的荷载-位移曲线,经无量纲化处理与曲线拟合,获得H-T联合受荷桩-盘复合基础的承载包络线及其简化计算公式。然后,采用有限元细化分析了主要冲刷参数(冲刷深度、冲刷宽度、冲刷角度)及加载点高度对复合基础承载特性的影响,结果表明:冲刷坑的存在使复合基础的横向及扭转抗力明显降低,削弱程度分别可达25%及45%;进一步分析表明,桩身弯矩值随加载点高度的增加而显著增大,随预加扭矩的增加呈下降趋势;局部冲刷会明显削弱复合基础的承载力,同时H-T联合作用时相应的承载力包络线向内发生不同程度的收缩;其中,冲刷深度的影响最大,对横向抗力与扭转抗力的削弱程度分别可达约35%及60%,冲刷角度次之,冲刷宽度的影响最小;此外,不同加载路径下桩-盘复合基础承载力包络线呈现一定程度的差异。

局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础V-H组合承载特性

海上风电基础除承受复杂组合荷载作用外,也受波流冲刷作用.为探讨局部冲刷对砂土地基中V-H联合加载下单桩-摩擦盘复合基础承载特性的影响,基于自行设计的室内水槽试验装置,完成了一系列冲刷及模型载荷试验,获得了复合基础冲刷前后的荷载-位移曲线,经无量纲化处理与曲线拟合,得到复合基础承载包络线及其简化计算公式.计算结果表明:局部冲刷作用使复合基础的竖向及横向抗力明显降低,削弱程度分别约12.1%和26.9%.进一步分析表明:存在一个最优预加竖向荷载(V),其对复合基础的极限横向承载力起到最显著的增强效果;此外,局部冲刷作用导致V-H联合受荷单桩-摩擦盘复合基础的承载包络线明显向内收缩,所提出的简化计算公式可供工程应用参考.

非恒定流下桩群绕流局部冲刷试验

水流经过桩群时,桩前会出现下降水流和马蹄形漩涡,显著增加水流的挟沙能力与输移能力。本文基于非恒定流桩群绕流局部冲刷水槽试验,研究非恒定流下桩群绕流的局部冲刷分布以及最大冲刷深度;通过计算流体力学软件Flow 3D对水槽试验进行模拟计算仿真,研究非恒定流下桩群绕流局部冲刷发展过程。研究表明:上游单桩的冲刷范围为桩前2D(桩径)至桩后1D,桩外侧2.5D至桩内侧1D;下游单桩的冲刷范围为桩前1D至桩后1D,桩外侧1.5D至桩内侧1D,且桩群各个区域的横向冲刷断面也有差异;最大冲刷深度和冲刷体积随时间呈对数形式增加,直至达到冲刷平衡状态,且20%的时间局部冲刷可完成冲刷平衡时的50%,50%的时间可达到冲刷平衡的80%。

水流强度对淹没式方桩局部冲刷特性的影响

为研究不同水流强度作用下淹没式方桩的局部冲刷特性及流场变化,开展了非均匀沙条件下的桩基局部冲刷试验,分析了桩周的冲刷地形、冲刷深度变化规律;利用OpenFOAM对不同水流强度下的桩周流场进行了模拟,讨论了桩前马蹄涡、桩周回流和下降水流的分布特点。结果表明:在清水冲刷条件下,桩周的冲刷坑深度、沙丘高度和受冲刷影响区域大小均随水流强度的增大而增大;在平衡冲刷地形下,高水流强度冲刷后桩周流动更加复杂,冲刷坑内的涡流强度大幅度提高;当水流强度接近1时,粗颗粒泥沙对细颗粒的屏蔽效应会在一定程度上影响桩周最大冲刷深度。

冰盖下组合桥墩的局部冲刷特性及水力特性

为研究冰盖对组合桥墩局部冲刷及其周围流场分布的影响,基于动床冲刷试验,在不同覆盖条件下,分析了不同水流条件和桥墩尺寸对组合桥墩局部冲刷的影响,建立了预测明渠水流与冰盖流条件下组合桥墩最大冲刷深度的经验方程,并通过ADV测量了墩前的流场。结果表明:组合桥墩的冲刷模式与串列桥墩相似,最大冲刷深度始终出现在墩正前方;经验方程中来流水深、来流流速、桥墩尺寸、冰盖糙率均与最大冲刷深度呈正相关关系;在粗糙冰冰盖流条件下,墩前的垂向流速最大,导致其最大冲刷深度总是大于同等条件下的明渠水流和光滑冰盖流。

海底管线局部冲刷机理研究综述

局部冲刷造成的悬空是海底管线失效的最大诱发因素。对均流及波浪作用下铺设在海床表面管线的局部冲刷起动机理、临界条件以及2D局部冲刷机理、流—管—土耦合机理和3D局部冲刷机理等做了分析和总结。

跨度不等并行桥梁局部冲刷最不利桥墩位置研究

为快速定位跨度不等并行桥梁的最不利桥墩位置,采用概化模型试验并结合数值模拟手段,探究了在不同桥梁跨径组合及桥孔布置方案下并行双柱式桥墩桥梁局部冲刷最不利桥墩位置的分布规律。结果表明:并行桥梁局部冲刷最不利桥墩位置沿河宽方向位于河道中心附近,沿流向则主要出现于两座并行桥梁各自第一排桥墩;局部冲刷最不利桥墩出现在哪座桥梁的具体位置取决于两座并行桥梁桥孔的相对布置方式,当下游桥桥墩位于上游桥桥墩的尾流区时,局部冲刷最不利桥墩位置位于上游桥,反之下游桥桥墩处于上游桥桥孔的束流区时,局部冲刷最不利桥墩位于下游桥;在实际工程中,提出几何变量θ值作为判别并行桥桥墩最不利冲刷位置分布的关键变量,该量反映出并行桥桥墩尾流区的影响范围,并由此指出局部冲刷最不利桥墩位置的判别方法,在沿流向和河宽方向定位最不利桥墩分布范围后,最不利位置可进一步用两座并行桥梁的桥墩连线与来流方向的夹角大小进行判断,当夹角小于14°时,局部冲刷最不利桥墩位于上游桥第一排墩,反之则位于下游桥第一排墩。研究结果可为跨度不等并行桥梁的抗洪设计、评估和防护提供参考和依据。

冰盖下桥墩局部冲刷新型防冲组合结构试验研究

河流冰盖的形成改变了桥墩周围的水力特性,导致桥墩局部冲刷加剧。基于动床冲刷,在冰盖及明流条件下进行了螺纹式减冲索与钩环式护圈组合的新型防冲结构室内模型试验,探究其对桥墩局部冲刷的防冲效果。试验结果表明:新型防冲组合结构改变了桥墩的局部冲刷模式,延缓了冲刷过程;通过极差分析与方差分析可知,螺纹直径为6.0 mm、螺纹角为15°、螺纹排数为3的新型防冲组合结构的防护效果最优;与无防护工况相比,在粗糙冰盖条件下新型防冲组合结构桥墩最大冲刷深度减小了59.03%;螺纹式减冲索增大了桥墩表面的粗糙度,可以更好地削弱下潜流和分离墩前迎面水流,从而达到有效防冲的目的。

牺牲桩截面特性对圆柱桥墩局部冲刷的影响试验研究

墩前牺牲桩防护是减小桥墩局部冲刷的主要措施之一,现有的牺牲桩防护桥墩局部冲刷研究主要集中在圆形截面,关于牺牲桩截面特性对桥墩局部冲刷的影响关注较少。通过单向流循环水槽构建冲刷环境,开展不同直径与不同截面牺牲桩防护单桩桥墩局部冲刷物理模型试验,并通过水下高清摄像以及倾斜摄影测量技术实现对局部冲刷深度发展历程和冲刷平衡时刻冲刷坑形态的精准测量,进而探究牺牲桩直径与截面形式对单桩桥墩局部冲刷防护效果的影响规律。试验表明:牺牲桩直径与截面形状是影响桥墩局部冲刷防护效果的关键因素,牺牲桩的防护效果随牺牲桩直径的增大而增强,相比方形和圆形截面牺牲桩,菱形截面牺牲桩对桥墩的冲刷防护效果更好;牺牲桩防护会影响后方桥墩冲刷坑变化的剧烈程度,防护效果越好,后方冲刷坑变化越平缓;牺牲桩防护会缩短冲刷达到平衡状态的时间,牺牲桩直径越大,到达冲刷平衡状态的时间越短。采用牺牲桩开展桥墩局部冲刷防护时,应合理确定牺牲桩尺寸和截面特性,从而提高冲刷防护效果。

考虑局部冲刷的海上风电单桩基础侧向承载特性

在当前海上风电单桩基础设计中,通常会忽略局部冲刷坑形态并直接简化为整体冲刷,造成桩基设计偏于保守。针对这一问题,文章采用适用于大直径单桩的双曲线型p-y曲线构建桩-土相互作用模型,引入等效深度的概念,并基于土工离心机试验数据对其进行修正,建立了考虑冲刷坑形态的单桩基础一维简化分析模型。通过与试验结果的对比,验证了模型的合理性。进一步对比分析其它修正模型,探讨了各模型对冲刷条件下单桩基础侧向响应的预测效果,结果表明:局部冲刷主要导致浅层海床的桩侧土反力减小,故合理修正浅层土的p-y曲线是分析受冲刷单桩侧向响应的关键。现有模型由于低估了局部冲刷后浅层海床土的竖向有效应力,导致桩基侧向响应预测结果更接近于整体冲刷模型。

弗劳德数影响下的沙质河床丁坝群局部冲刷数值模拟

为分析弗劳德数对沙质河床丁坝群局部冲刷的影响,基于MIKE21对三种泥沙粒径沙质河床在不同弗劳德数下的丁坝群局部冲刷进行数值模拟,总结了冲刷范围及特征断面的变化规律。结果表明,局部冲刷除Ⅱ号坝头产生淤积外其余丁坝坝头均产生局部冲刷;同一弗劳德数下,泥沙粒径越小,冲刷范围及断面变化越大,高弗劳德数时更为明显,而同一粒径下,弗劳德数越大,冲刷范围及断面变化会越大,在泥沙粒径较小时更为明显;在泥沙粒径较小、弗劳德数较大时,冲刷范围几乎影响整个丁坝群河道且首坝附近河床整体为先冲后淤。

基于Rhino和Flow-3D耦合的串列四桥墩局部冲刷数值模拟

针对复杂地形下串列四排桥墩局部冲刷问题,以洺河京港澳高速桥6号桥组为研究对象,以不同泥沙级配及中值粒径表征非均匀沙质河床及来沙条件,考虑泥沙水下休止角等影响因素,通过建模软件Rhino耦合Flow-3D开展三维数值模拟研究,得到串列四排桥墩周围流场结构及冲坑演变过程。将模拟得到的流速值和冲深值与物理试验结果对比,相对误差均在10%以内,表明构建的数学模型能够较好地实现复杂地形下非均质河床的四排桥墩局部冲刷数值模拟。模拟方法可为类似三维曲面数值模拟研究提供参考,对于识别桥墩周围水流结构和冲刷特性、指导桥梁规划设计具有重要的参考价值。

波流作用下海上风机大直径加翼单桩基础局部冲刷试验研究

随着海上风机的大型化和风电场所在海域水深的增加,海上风机基础需要承受更大的水平荷载和弯矩荷载。加翼单桩能有效提升风机基础承载能力,但侧翼结构对桩基周围局部冲刷的影响目前尚不明确。在波流水槽中开展了大直径加翼单桩动床冲刷模型试验,研究纯流和波流共同作用下加翼单桩的冲刷特性。试验结果表明:加翼单桩周围局部冲刷特性受到来流强度、方向和类型的显著影响;当水流强度较小时,加翼单桩相较于传统的单桩基础具有较好的冲刷防护效果,防护效率最高可达20.7%;当水流强度较大或波流叠加时,加翼单桩的防护效应可能消失,甚至产生更为严重的冲刷;冲刷坑范围受到加翼单桩与水流方向夹角的影响,加翼单桩最大的冲刷坑宽度能达到单桩的2倍以上。在实际工程中,为了充分发挥加翼单桩的承载能力,应充分考虑局部冲刷的影响;建议将侧翼安装在最大冲刷深度以下的桩身位置,从而达到较好的承载力增强效果。

大直径吸力桶基础水流局部冲刷数值模拟研究

基于福建省某海域项目典型海域水文地质资料,本文采用Flow 3D软件开展大直径吸力桶基础冲刷数值模拟,研究了不同尺寸比、不同桶径、水流流速对吸力桶基础冲刷特性的影响。结果表明:不同工况下吸力桶基础冲刷发展阶段类似,但是受水流影响。当水流流速v<2 m/s时,冲刷发展阶段可分为:快速冲刷-缓慢冲刷-冲刷平衡;当水流流速v≥2 m/s时,冲刷发展阶段可分为:快速冲刷-波动冲刷-冲刷平衡。并且桶基冲刷坑深度跟水流、桶径、尺寸比成正比。在水流作用下不同工况的吸力桶基础冲刷深度与时间具有较强的函数关系,据此可为实际工程提供参考。

均匀来流中带环翼的复合桩墩的局部冲刷数值试验研究

桩墩冲刷是海上风电、跨海大桥安全的最大威胁,如何降低冲刷深度是当下亟待解决的关键问题。安装在桩墩下部的环翼是弱化基础附近水流结构以减少冲刷深度的一种盘状结构。本文利用率定的三维水沙数值模型对带环翼的复合桩墩开展了局部冲刷数值试验,探讨了环翼的位置、厚度、宽度和来流的攻角对局部流场、床面切应力及减冲刷效果的影响。结果表明,环翼的位置、宽度、攻角对局部冲刷影响显著,而其厚度则对局部冲刷效果影响不明显。环翼宽度越大,攻角负值越大,其防冲刷效果越好;当环翼位于承台底边,宽度为1~1.5倍承台高度,环翼攻角为-45°时,其对复合桩墩的冲刷防护效果最好。该结论可为桩基冲刷防护设计提供参考。

基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷及防护研究

桥梁基础的局部冲刷是导致桥梁水毁的主要因素之一,需要采取一定措施进行防护处理。本文基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块,采用RNG k-ε湍流模型对圆柱形桥墩开展了局部冲刷防护三维数值研究,分析了安装护套对圆柱形桥墩局部冲刷防护的效果。计算结果表明:护套装置能够大幅降低最大冲刷深度,最大冲刷深度仅为无防护情况的13%;安装护套装置后,河床冲刷形态较无防护时发生了较大变化,桥墩迎水侧未发生冲刷,最大冲刷深度位置位于护套侧前方距离护套边缘很小距离的位置;在护套两侧冲刷坑后方,形成了与无防护工况类似的较大面积的沙丘拖尾,但由于冲刷程度较小,水流中的泥沙含量较低,沙丘的高度和面积均远小于无防护工况。