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  • 如果在海底插一根桩或者棍子,它的冲刷范围和深度如何?

作者:xiaokcehui2021-12-18 3:15分类:

有感于昨天在多波束上看到钻孔比实际的范围大很多,

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一般海底钻孔,要下从海面到海底的套管,套管的直径为十几厘米,但是从上图中可以看出,套管形成了2m*1m的大坑。

那么,在海底插上一根管子或棍子,到底会形成一个多大和多深的坑呢?

开始在百度上搜索这个问题,一无所获,甚至相关的内容几乎没有,难道这个问题没有人研究吗?

然后在知网上搜索了一下,终于知道这个问题的学名叫局部冲刷。如果遇到一个问题,在百度搜索不到相关内容,很有可能是没有找到门。

1、下面重点介绍一下刘珊等《单向流作用下粘土中单桩基础冲刷试验研究》这篇文章

摘要:我国东南海域广泛分布粘土海床,本文针对单向流作用下粘土海床中单桩基础的局部冲刷问题,开展了五组不同水深和流速的室内水槽试验,并通过在模型桩内布设摄像头,实时监测捕捉桩周冲刷深度随时间的变化特征,分析粘土中单桩局部冲刷发展规律。研究发现:粘土冲刷的稳定时间与砂土冲刷相类似,冲刷坑的形状发展也较为相似,但是粘土海床冲刷坑的底部边界相对粗糙,这主要是由于粘土黏聚力所致;随着桩前入射流速的逐渐增加,桩周最大冲刷点的位置呈现出从桩侧向桩后发展的趋势;当水深和入射流速较大时,水流除了在桩周形成大范围的冲刷浅坑之外,还会在桩后1D 处形成直径大约为1D 的冲刷深坑。冲刷深坑的边界会延伸到单桩桩周,致使部分埋置桩身暴露,这很可能导致桩基承载力出现降低。

在海洋动力环境中,桩基础的局部冲刷问题严重威胁着海洋结构物的稳定与安全。桩体结构的存在阻碍并改变了原有的流场条件,水流不断冲击桩体表面,形成桩前下降水流、桩侧马蹄涡和后方尾涡。当海床表面土体无法抵抗水流作用在其上的切应力和吸应力时,土体颗粒将会被带起处于悬浮状态,而桩侧流线收缩和桩后尾涡的不断发放将土体颗粒快速带走,如图1 所示。随着桩周冲刷坑深度增加,由于遮蔽效应,冲刷坑底部流速大幅减小,当流速不足以使土体颗粒起动时,冲刷坑停止发展,即局部冲刷达到稳定。

这篇文章做一个很有意思的试验,试验所用模型桩为底部密封的圆筒形有机透明玻璃管,管长1.3m,壁厚5mm,外径D 为11cm。

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(1)工况1:水深30cm,流速0.38m/s

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(2)工况2:水深30cm,流速0.48m/s

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(3)工况3:水深50cm,流速0.38m/s

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(4)工况4:水深50cm,流速0.48m/s

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(5)工况5:水深50cm,流速0.58m/s

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本文针对单向流作用下粘土中单桩基础的局部冲刷问题,在透明模型桩内安装摄像头来实时监测桩周冲刷深度变化,进行了五组不同水深、不同流速下的试验,获得了桩周的最大冲刷深度、最小冲刷深度和平均冲刷深度和方位角随时间的变化,主要得到了以下结论:
(1)冲刷流速达到粘土起动流速后,桩周土体在马蹄涡和尾涡作用下迅速被卷起,桩周在较短时间内形成冲刷坑,冲刷坑减小了下冲水流的强度,使得后期冲刷速度降低,整体冲刷稳定时间与砂土类似。
(2)当水深确定时,随着流速的增加,最大冲刷点有从桩侧向桩后发展的趋势。
(3)当入射流速未达到粘土的起动流速时,桩后尾涡仅带走底床表面的软弱土体,形成斑驳的冲坑。当尾涡流速超过起动流速后,尾涡在桩体正后方后约1D 处形成了直径约1D 的深坑。
(4)流速越快,水深越大,涡流的强度越大,对单桩基础周围粘土的冲刷影响范围和深度也越大。

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2、扩展阅读

翁博文等《单向流及往复流作用下桩基局部冲刷研究
摘要:局部冲刷是导致桥梁水毁的主要原因,研究桥梁桩基在单向流及往复流作用下局部冲刷特征具有重要意义。本文将通用数值模拟方法的结果与Melville经典冲刷试验的结果进行了比较,以验证该方法的有效性。基于实测数据和有效的数值模拟方法,建立了一座实桥的群桩模型,对单向流和潮流作用下桩周流场和冲刷特性进行了对比分析。研究发现:(1)单向流条件下冲刷坑表现出前冲后淤,往复流作用下冲刷坑的前后区域均表现出冲刷,且冲刷坑的范围大于单向流。(2)往复流条件下最大冲刷深度较单向流缩减了20%~30%。


王兆耀等《波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征分析
摘要:局部冲刷是水利和海洋工程中常见的现象,波流耦合和桩径效应使得这一问题更加复杂。为了进一步研究波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征,在CFD软件FLOW3D中建立波浪水槽的数值模型,并设计物理模型试验,通过对比局部冲刷的时空特征,验证了数值模拟的准确性。基于某海上风电场桩基工程,采用随机波描述波浪运动,大涡模拟计算湍流运动,分析了波流耦合作用下大直径单桩的局部冲刷特征。结果表明:局部冲刷的空间发展可以分为纵向切蚀、横向扩展和基本稳定3个阶段。最大冲刷深度出现在桩前,为4.9m,约为0.9倍的桩径。相对应地,局部冲刷的时间发展同样为3个阶段,即快速增长、缓慢增加和冲淤平衡。在20 h后,最大冲刷深度基本不变,冲刷达到稳定状态。

3、小结

(1)单向强流做作用下,会在桩后形成一个1D的深坑;

(2)双向流作用下,会在桩前和桩后形成一个70%-80%D的深坑;

(3)局部冲刷在20h,最大冲刷深度基本不变,冲刷达到稳定状态。



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