波流耦合作用下单桩基础冲刷及防护研究

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波浪掀沙,潮流输沙,波流耦合作用会显著加剧桩周冲刷,严重威胁结构物稳定性,因此采取合理有效的防护措施对于海上构筑物正常服役至关重要。现有的冲刷防护研究多为纯流条件,同时对于防护效果和防护机理缺乏关联性研究。针对以上问题,本文通过室内水槽试验,结合桩周波高、流速等水动力特征和海床孔压响应,对单桩基础在波流耦合作用下的冲刷和防护进行了系统研究,利用数值水槽模拟了不同形式的单桩防护,结合桩周流场发展和床面切应力分布对防护机理进行了深入分析。首先通过无接触式监测技术,开展了不同波流组合条件下的单桩冲刷试验,实时捕捉冲刷发展过程,结合桩周流速、波高、孔压响应以及最终冲深对各水动力参数的影响进行分析。试验表明:波流耦合作用是波浪和水流的非线性相互作用,波浪的时变性加剧了桩周流场的振荡变化;水流的加持使得波浪诱导的孔压响应随之增大,同时减缓了孔压在深度方向上的衰减;随着波浪周期增加,区域流速和冲刷发展速率均有所增大,最终极限平衡冲深也随之增大。而后选取波流耦合作用下典型工况,分别采用抛石防护、翼板防护和微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)防护对桩周进行加固处理,根据实时监测的冲刷发展特征以及最终冲深,对不同防护形式进行了机理分析和效果比选。试验表明:三种防护均改变了桩周冲刷发展模式,极大减小了冲刷发展速率;翼板防护可以减小桩后尾迹涡的影响,抛石防护可以全方位的保护床面,两者的防护效果均随防护范围的增大而显著提升,但防护的长期有效性并不能保证;MICP处理后,桩周一定区域形成胶结体,其范围和强度与MICP处理次数和处理范围密切相关;同时胶结体会引起流场向外扩散,导致桩周未胶结区域发生边缘冲刷,削弱防护效果;由于海床的筛滤作用,MICP作用生成的碳酸钙含量沿深度方向逐渐减小,碳酸钙填充降低了海床的渗透性,致使浅层海床承担了更大的渗透力;碳酸钙晶体在海床砂中主要起到颗粒包裹、粒间桥接和孔隙填充三个作用,一定程度上提高了颗粒重度和砂土强度,极大增强了海床的抗冲蚀能力;综合比较,MICP在采取合适的处理范围和处理次数时,能够起到良好的防护效果。最后基于不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,构建了三维波流耦合数值水槽,并与水槽试验进行比对,验证了模型的准确性。进一步开展了不同波流条件及不同防护设置的数值模拟,对桩周流场发展及床面切应力分布特征进行了分析,对比水槽试验结果探究不同防护形式的作用机理。结果表明:波流耦合作用造成区域流速增大,同时加强了流场的时变性和桩后尾涡的周期性脱落,导致桩周流场紊乱加剧,因此冲刷发展更快;随着波浪周期的增加,波浪影响范围也随之增大,桩周最大切应力及其分布区域也随之增大。固体防护和多孔介质防护既可以减小下降水流的发展,同时也能减小上部流场周期性变化对床面的影响,其防护效果均随防护面积的增加而增大。固体防护由于其防护面对流场的扩散作用,可能产生严重的边缘冲刷;当防护面与床面之间距离增大到一定程度时,防护完全失效;多孔介质防护由于具有孔隙结构,上部水流可以透过防护面对床面造成影响,其防护效果与防护层厚度密切相关;防护层过厚可能导致防护边缘位置流场改变,产生分流及涡结构,引起边缘冲刷发展。
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