高桩码头群桩绕流水动力特性数值分析

为探究高桩码头桩基础形式下的群桩水动力特征,基于Flow-3D软件对来流速度为0.25~1.50 m/s的3×3群桩阵列绕流的湍流流场进行三维数值模拟。研究结果表明:桩柱的两侧均形成高速区,随着来流速度的增加,高速区范围显示出逐渐扩大的趋势。上游桩后方的回流区范围较大,而中游桩和下游桩的回流区大小基本相同,均小于上游桩的回流区。随着来流速度的增加,剪切力和流体力逐渐增大,并随来流速度呈非线性增长趋势,且上游桩受力最大,下游桩次之,中游桩受力最小。随着来流速度的增加,群桩尾涡核心区的涡量随之增大,中游桩和下游桩后方的尾涡强度明显比上游桩的弱,中游桩和下游桩的尾迹涡长度保持稳定。随着来流速度的增加,漩涡强度显著提高,前桩与后桩之间的漩涡相互纠缠。研究成果对于理解群桩绕流的水动力特性具有重要意义,可为工程设计和实际应用提供参考。

非恒定流下桩群绕流特性试验

非恒定流下圆柱绕流产生的尾涡会对结构疲劳损伤、水流挟沙能力等产生较大影响。基于非恒定流桩群绕流水槽试验,采用声学多普勒流速仪(acoustic Doppler velocimeter,ADV)测量了桩群周围的底层水流速度,分析了单峰洪水型非恒定流下,桩群绕流对底层流场、横纵向时均流速分布、横纵向紊动强度等的影响规律。研究表明:横、纵时均流速大小均与流量变化相关,纵向时均流速均为正值,横向时均流速在左右岸对称测点上大小一致。纵向流速相对紊动强度和横向流速紊动强度仅与流量大小有关,与流量所处的上升阶段与下降阶段无关,桩群绕流对附近流场的影响范围有限,且不同区域受到桩群绕流的影响程度存在一定差异。

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%。

有限宽度桩体绕流的阻塞效应数值模拟研究

有限宽度水槽或风洞研究桩体绕流流场特性引起阻塞效应,导致绕流场脱落涡受壁面在横向、纵向的压缩,使桩周力学参数变化。采用数值模拟的方法研究不同阻塞比条件下三维绕流流场的重整效应、桩周阻力系数、表面压力、分离角以及St等参数的变化规律,研究结果表明:①平均阻力系数及脉动升力系数随阻塞比增大而增大,而脉动阻力系数减小;②随阻塞比增大,桩周表面压力增大,分离角增大,且脱落涡的强度增大;③存在临界阻塞比,大于该值时,绕流流场发生根本性改变;④小阻塞比时,流场St及阻力系数与阻塞比近似呈线性相关。该成果可供机组桩基绕流相关荷载分析、设计等参考。

矩形位移模式下被动桩砂土绕流的模型试验研究

被动桩桩周土体易发生绕桩流动,但绕桩流动土体的位移特征及其影响因素迄今还缺乏深入研究。采用自主研制的模型试验装置,对矩形位移模式下砂土绕圆形被动桩流动过程进行详细测试与分析,研究了桩径、加载速度及土体密度对砂土的特征位移和桩身受力的影响。试验结果表明,砂土绕桩流动过程可分为迎土侧土体隆起、桩周土体绕流和背土侧土体沉陷3个阶段。桩径或土体密度越大,桩周砂土越不易发生绕桩流动;桩周土体移动速度越大,则越易发生绕桩流动。分析结果进一步表明,土体滑动面的位置可根据桩身绕流阻力曲线的拐点来判断,在土体滑动面以上,模型桩绕流阻力沿桩长沿深度大致呈线性增长,其值始终小于沈珠江绕流阻力理论值。

基于有限体积法的群桩绕流数值模拟

采用COASTALTOOL软件中的潮流模块TC2D模拟桩绕流问题.通过细网格模型,研究桩断面形状、排列方式及桩心距对桩周围水流的影响.对于粗网格模型中群桩阻力的影响,提出基于阻力叠加原理的有桩单元水流阻力计算公式;对于单元中群桩的遮流作用,提出遮流面积折合水深的概化方法.这种概化计算模式中考虑了群桩中各桩间的遮蔽影响.

有限深度均匀水流中圆柱阻力测试研究

为解决工程实际与圆柱桩基码头与桥墩的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及圆柱桩基的物理模型试验和数值模拟计算等工作,在归纳总结已有的研究成果的基础上,通过先进的测力设备对有限深度均匀水流中圆柱绕流进行了阻力测试研究,进一步完善和发展了有限深度均匀水流中圆柱绕流阻力特性规律。

单向流条件下单桩桩周冲刷过程特征试验研究

水流引起桩基周围地基冲刷是海洋工程中的经典课题,由于问题涉及流体动力学和土力学的交叉内容,加之试验技术和计算能力的限制,这一冲刷过程仍有很多方面尚待进一步厘清。开展10组室内水槽试验,研究了不同水深情况下定床和动床冲刷时单桩桩周局部冲刷深度的发展过程。在试验过程中,通过模型桩内放置摄像机实时监测桩周冲刷深度变化,得到桩周冲深边界及最大和最小冲深方位随时间的变化曲线。试验研究发现这一冲刷过程主要特征为:局部冲刷首先发生在桩(侧)前方并逐渐向桩周扩展,而桩后则先发生淤积后再冲刷;水深越大,流速越大,桩后淤积现象持续时间越短,桩周冲刷发展迅速、均匀,但达到稳定所需时间越久;桩周最大、最小冲深点首先分别位于桩的侧前方、桩后区域,随着试验进行会发生转变或波动。

基于修正主应力旋转理论的抗滑桩桩间土绕流计算方法

桩间土绕流验算是抗滑桩设计三大验算流程之一,研究绕流计算方法对于在保证抗滑桩工程稳定安全的前提下,提高设计精度、节省资金具有重要意义。为弥补现有“拱结构物”假设理论的不足,引入Terzaghi松动土压力理论,建立Terzaghi松动土压力与桩间距的关系以及修正主应力旋转理论。并在Ito塑性变形理论假设基础上提出塑性变形理论适用的上限与下限桩间距,结合修正主应力旋转理论与Terzaghi土拱计算理论建立了极限桩土荷载分担比计算模型,根据所提模型计算结果获得了桩土荷载分担比与土体性质、桩间净距的关系。然后与数值模拟的计算结果进行了对比分析,并提出了桩间土绕流验算方法:定义桩间土稳定性系数为极限桩土荷载分担比与实际桩土荷载分担比之比,稳定性系数大于1表示桩间土较稳定,不发生绕流。

桩柱水流绕流阻力特性及其计算

为解决工程实际桩基码头与桥墩的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及桩基的物理模型试验和数值模拟计算等工作。对桩柱绕流阻力特性及其计算的研究做了详细的回顾、归纳与总结,并通过桩柱阻力测试试验研究,完善和发展了桩柱水流绕流阻力特性及其计算方面的理论,且指出了由于试验条件的限制所导致的研究余漏与有待继续完善之处。

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

桩柱绕流水动力特性直接决定水流对桩柱作用力的分布规律,是内河框架码头水流荷载计算的基础。结合计算流体动力学(CFD),依托内河框架码头实际工程,进行了内河框架码头大直径桩柱串列及并列4桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟,系统分析了不同流速及不同桩间距下桩柱绕流尾流流场形态,揭示了桩柱绕流阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数随桩间距和流速的变化规律。研究了串列及并列4桩柱绕流流场形态和水动力特性,不同流速及不同桩间距下的遮流影响效应、遮流影响系数以及横向影响系数的变化。数值模拟与分析结果可为计算类似内河框架码头水流荷载提供一定的技术参考。

浅水绕流桩群流态影响区段比较测试研究

利用水槽试验研究了不同桩群对浅水均匀流绕流后方流态区段影响程度及范围,经过多组试验数据对比,揭示了桩群绕流对浅水均匀流的影响规律、性质与程度,以及桩群后方流场流态影响区段的有关规律。结果表明:同排列形式的方柱桩群对水流绕流的影响甚于圆柱桩群;垂直于水流方向排列桩柱密度,对桩群绕流的影响甚于顺水流方向桩柱排列的密度;雷诺数对桩群绕流影响很大。

桩群绕流后方流态影响区段比较测试研究

通过有限深度均匀流水槽试验研究了不同的圆柱桩群与方柱桩群对均匀水流绕流后方流态区段影响程度及范围,对多组试验研究数据对比分析研究揭示:桩群绕流对均匀水流的影响规律、性质与程度;桩群后方流场流态影响区段范围的影响规律.发现同排列形式的方柱桩群对水流绕流的影响甚于圆柱桩群;垂直于水流方向排列桩柱密度对桩群绕流的影响甚于顺水流方向桩柱排列的密度;雷诺数对桩群绕流影响很大;水利工程实际中采用小尺寸桩柱优于大尺寸桩柱.

桩群阻力测试的研究

为解决工程实际桩基码头与桥墩的水流绕流阻力计算问题,通过测力设备对桩柱进行了阻力测试研究,完善和发展了桩柱水流绕流阻力特性及其计算方面的理论,并指出了由于试验条件的限制所导致的研究余漏与有待完善之处及以后科研努力的方向.

富水砂卵石地层大型沉管隧道轴线干坞坞口施工技术

基于襄阳内河沉管隧道项目,结合工程富水砂卵石地质条件,通过方案比选,确定干坞选型及坞口结构形式。针对干坞坞口处锁口钢管桩施工技术展开研究,解决大直径钢管桩预制、吊装及与格型地下连续墙连接等问题,给出了精度控制及纠偏措施,解决锁口钢管桩防绕流问题。

圆柱桩群绕流包络线张角测试研究

参照单柱绕流现象建立了桩群绕流包络线张角的概念,通过有限深度均匀流水槽试验研究了不同圆柱桩群对均匀水流绕流包络线张角大小的影响规律,并进行了对比分析。结果表明:随着圆柱桩群阻流率、排架密度、桩群长度、桩群迎流角的增大,均匀水流绕流圆柱桩群包络线张角增大;不同流速的水流应对圆柱桩群绕流的反应不一,流速越大反应越剧烈。

近海风力发电机基础桩群潮汐水动力脉动特性试验研究

近海风电机组基础较多采用圆柱高桩混凝土承台结构,潮汐水动力作用可能激励风机-塔架-基础桩高耸结构的振动而影响安全,该文通过水力学模型试验研究8圆柱基础桩群潮汐水动力脉动特性。结果表明:脉动压力可视作平稳的随机过程,时域幅值特征表现出与单圆柱差异较大的特点,频域能量特征揭示了水流的脉动主频和旋涡脱落频率。