单向流作用下立柱冲刷的试验研究

发布时间：2020-04-15 07:26

【摘要】：立柱是近海工程中的重要构件,冲刷是立柱结构物稳定性的最大威胁因素。基于这一工程背景,本文采用物理模型试验的方法,探讨了单向流作用下立柱的冲刷问题,主要研究内容如下。首先研究了单向流作用下单个立柱的局部冲刷问题。重点探讨了雷诺数(Re=UD/ν)对单桩冲刷的影响。本试验通过改变圆柱直径的大小控制雷诺数的范围。在试验冲刷过程中,不同雷诺数所对应的工况均使用CIS(Contact Image Sensor)传感器采集冲刷深度发展的时间历程线数据,得到冲坑深度的动态发展过程。冲刷完成后,用3D地形扫描仪扫描地形得到冲刷平衡剖面数据。对时间历程线数据进行拟合,得到冲刷平衡深度和时间尺度的值,提出更准确的冲刷深度计算公式,便可以计算出任意时刻对应的冲刷深度。对平衡冲刷深度和雷诺数的关系进行拟合,符合幂函数的变化规律。为了保证单桩底面结构的稳定性,工程中常常使用复合结构实现单桩的冲刷防护。本文第三章研究对象是单桩与扩展基础的复合结构,试验中为达到冲刷防护的效果采用给单桩设置扩展基础的方法。扩展基础模型包括两种,一种是深埋扩展基础,主要研究了扩展基础的直径和埋深大小对冲刷防护效果的影响;另一种是浅埋扩展基础,主要研究了扩展基础的直径和高度对冲刷防护效果的影响。防护原理是利用扩展基础的顶面削弱圆柱前下行流对沙床的淘刷力,扩展基础向上游延伸的部分可以防护沙床免受马蹄形漩涡的冲刷,从而减小了圆柱上游冲坑的深度。试验结果表明,增大扩展基础直径是冲刷防护最直接有效的方法,但是该方法存在着所需空间大、造价成本高、施工难度大的劣势。因此可以考虑将埋深扩展基础、控制扩展基础高度的方法,分别与增大扩展基础直径相结合,找到最适合工程环境条件的冲刷防护措施。该试验的结论可以为实际工程中扩展基础的设置提供建议。最后探讨了单向流作用下群桩的冲刷问题,重点研究空隙率p对群桩冲刷的影响。空隙率p反映了群桩的疏密程度,每个试验模型包括一定数量的单元桩。本试验通过改变单元桩(d=2.5cm)的数量控制空隙率的大小。群桩的外围直径D为15cm恒定不变。试验研究了空隙率p对群桩冲刷特性的影响。结果表明,当p0.75,以单元桩周围的局部冲刷为主;当p0.75,以群桩周围的全部冲刷为主。因此,当孔隙率p足够大,群桩的冲刷可近似为直径D=15cm的单桩冲刷。另外,还研究了孔隙率p对冲刷深度和冲坑半径的影响,随着空隙率的减小,冲刷深度和冲坑半径均有上升趋势。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P751

【参考文献】