CN113821950B - 一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，具体包括以下步骤：S1、建立冲刷坑尺寸的桩基共振频率有限元模型；S2、对桩基共振频率和位移进行正演模拟，得到正演模拟结果；S3、根据正演模拟结果，获取修正系数来对正演模拟结果中的桩顶最大位移和桩基共振频率进行修正；S4、建立冲刷深度、冲刷角度为自变量，桩基共振频率和桩顶最大位移为因变量的回归方程，采集实际运营过程中测量得到的实际共振频率和实际桩顶最大位移并输入回归方程，通过反演模拟得到单桩的局部冲刷坑的冲刷深度和冲刷角度。与现有技术相比，本发明具有降低局部冲刷坑尺寸的测试成本、提高冲刷坑尺寸测量的可靠性、实时评估桩基础实际运营过程中的安全状况等优点。
Description
技术领域
本发明涉及深水基础局部冲刷测量技术领域，尤其是涉及一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法。
背景技术
跨海大桥和海上风电通常采用单桩作为基础。因为这些单桩基础经济成本常占总成本的20％～30％，且常年处于复杂的海洋环境下，所以研究桩基的经济性和可靠性是深水项目建设的关键技术问题。需要特别注意的是，跨海大桥和海上风电场等深水结构物基础的局部冲刷已经成为影响其长期稳定和安全运营的关键因素。
局部冲刷是因桩基阻水产生的马蹄形旋涡和尾涡而造成的冲刷。局部冲刷很可能会掏空深水桩基周边的土体，减小桩基础与周边地基土的接触长度、结构的整体刚度，导致桩基础的承载力大大降低、基础沉降或损毁。除此之外，局部冲刷还会导致深水桩基础的共振频率降低，使得风机基础结构的共振频率过于接近风机机组马达的频率，从而造成共振破坏。现有研究中收集了36起桥梁破坏案例，分析了引起桥梁破坏的几大因素——水力条件、岩土材料、结构物形式，结果表明有64％的桥梁破坏是由局部冲刷引起的。因此，研究桩基的局部冲刷具有重要的现实意义。
深水环境下，桩基周围冲刷坑的发展过程是十分复杂的，很难观测到具体的冲刷状况。冲刷坑的形状(通常分解为冲刷深度、冲刷角度和冲刷宽度)受众多因素的耦合影响，比如桩基的形状和尺寸、水文条件等。深水环境给准确测量桩基础周边的冲刷坑的形状带来了很大的挑战。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的深水桩基础的冲刷坑尺寸难以测量或测量结果准确性不高的缺陷而提供一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，具体包括以下步骤：
S1、建立多种冲刷坑尺寸的ABAQUS桩基共振频率有限元模型；
S2、根据所述桩基共振频率有限元模型对桩基共振频率和位移进行正演模拟，得到正演模拟结果；
S3、根据所述正演模拟结果，获取相应的修正系数来对正演模拟结果中的桩顶最大位移和桩基共振频率进行修正；
S4、建立冲刷深度、冲刷角度为自变量，桩基共振频率和桩顶最大位移为因变量的回归方程，采集实际运营过程中测量得到的实际共振频率和实际桩顶最大位移并输入回归方程，通过反演模拟得到单桩的局部冲刷坑的冲刷深度和冲刷角度。
所述步骤S1中通过移除相应尺寸的单元来模拟局部冲刷坑的形成，具体的工况可按表1所示采用，表1如下所示：
表1 多种冲刷坑尺寸的有限元模型工况
所述桩基共振频率有限元模型中局部冲刷坑简化为均匀圆台状。局部冲刷坑的几何形状分解为冲刷深度Sd(桩基受冲刷前的埋深与桩基受冲刷后的埋深的差值)、冲刷角度θ(冲刷坑坡面与水平面的夹角)和冲刷宽度Sw(桩基受冲刷后的桩基边缘至坡地的距离)。
所述桩基共振频率有限元模型包括桩单元与地基土单元，所述桩单元与地基土单元之间无相对位移。
进一步地，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的边界为无限元边界，而非固定边界等约束形式，避免振动能量重新传回。
进一步地，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的土体为弹性模型，来模拟地基土单元所处的小应变状态。
进一步地，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的尺寸大小以土体剪切波速为控制条件，具体公式如下所示：
其中，fmax为最大计算频率，Vs为土体剪切波速，hmax为地基土单元的尺寸的最大值。
所述步骤S2中进行正演模拟的过程具体包括以下步骤：
S201、获取土体参数，提取多种激振频率下的桩顶位移结果；
S202、根据桩顶位移结果绘制桩顶最大位移频谱图，提取桩基共振频率和对应的桩顶最大位移作为正演模拟结果输出，并生成正演数据库。
进一步地，所述步骤S201中，通过生成任务文件来记录土体参数，通过批量提交任务文件计算得到桩顶位移结果。
所述修正系数包括共振频率修正系数和桩顶最大位移修正系数，所述正演数据库中的桩顶最大位移和桩基共振频率分别乘以桩顶最大位移修正系数共振频率修正系数，得到反演数据库。
进一步地，所述共振频率修正系数α的计算公式如下所示：
其中，f0表示未冲刷状态下实测的共振频率，f1表示未冲刷状态下有限元计算的共振频率；
所述桩顶最大位移修正系数β的计算公式如下所示：
其中，S0表示未冲刷状态下实测的桩顶最大位移，S1表示未冲刷状态下有限元计算的桩顶最大位移。
进一步地，所述步骤S4的计算过程通过MATLAB进行计算，根据反演数据库，通过MATLAB中的regress函数来建立回归方程，并且通过MATLAB中的solve函数来反演模拟计算冲刷深度和冲刷角度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过实测单桩共振频率和桩顶位移来反演单桩实际局部冲刷中的冲刷坑尺寸，能够大幅度降低局部冲刷坑尺寸的测试成本并提高了冲刷坑尺寸测量的可靠性，可以用于实时评估桩基础在冲刷条件下实际运营过程中的安全状况，将难度较大的冲刷坑尺寸测量转化为难度较低的桩基动力特性监测。
2.本发明引入了共振频率和桩顶最大位移修正系数，将有限元的所有结果乘以修正系数后作为新的数据库，再对冲刷坑尺寸进行反演，此简化方法的计算代价微小，无需进行土体参数反演，可以快速得到反演后的冲刷坑尺寸。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的有限元模型中局部冲刷坑形状的结构示意图；
图3为本发明的桩顶位移频谱图的示意图；
图4为本发明实施例中以未冲刷工况为例建立的有限元模型的示意图；
图5为本发明实施例中冲刷深度5cm冲刷角度40°实测值与反演值对比图；
图6为本发明实施例中冲刷深度5cm冲刷角度20°实测值与反演值对比图；
图7为本发明实施例中冲刷深度10cm冲刷角度40°实测值与反演值对比图；
图8为本发明实施例中冲刷深度10cm冲刷角度20°实测值与反演值对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，通过在饱和砂土中开展考虑局部冲刷的1g模型桩基试验来模拟实际工程中桩基冲刷过程，具体包括以下步骤：
S1、建立多种冲刷坑尺寸的ABAQUS桩基共振频率有限元模型；
S2、根据桩基共振频率有限元模型对桩基共振频率和位移进行正演模拟，得到正演模拟结果；
S3、根据正演模拟结果，获取相应的修正系数来对正演模拟结果中的桩顶最大位移和桩基共振频率进行修正；
S4、建立冲刷深度、冲刷角度为自变量，桩基共振频率和桩顶最大位移为因变量的回归方程，采集实际运营过程中测量得到的实际共振频率和实际桩顶最大位移并输入回归方程，通过反演模拟得到单桩的局部冲刷坑的冲刷深度和冲刷角度。
步骤S1中通过移除相应尺寸的单元来模拟局部冲刷坑的形成，本实施例中，具体的有限元工况如表2所示：
表2 有限元工况列表
如图2所示，桩基共振频率有限元模型中局部冲刷坑简化为均匀圆台状。局部冲刷坑的几何形状分解为冲刷深度Sd(桩基受冲刷前的埋深与桩基受冲刷后的埋深的差值)、冲刷角度θ(冲刷坑坡面与水平面的夹角)和冲刷宽度Sw(桩基受冲刷后的桩基边缘至坡地的距离)。
本实施例中，根据表2，以初始工况1为例建立ABAQUS有限元模型如图4所示。从图4可以看出，选取地基土计算区域为0.7m×0.7m×0.7m的正方体区域；模型桩采用薄壁钢管桩，钢材的弹性模量Ep为206GPa，桩长L为0.9m，埋深0.3m，桩径Dp为0.04m，壁厚2mm，泊松比0.167，密度ρ为7850kg/m3；土体参数如表3所示，表3具体如下：
表3 地基土单元参数
桩基共振频率有限元模型包括桩单元与地基土单元，桩单元与地基土单元之间无相对位移。
桩基共振频率有限元模型中地基土单元的边界为无限元边界，而非固定边界等约束形式，避免振动能量重新传回。
桩基共振频率有限元模型中地基土单元的土体为弹性模型，来模拟地基土单元所处的小应变状态。
桩基共振频率有限元模型中地基土单元的尺寸大小以土体剪切波速为控制条件，具体公式如下所示：
其中，fmax为最大计算频率，Vs为土体剪切波速，hmax为地基土单元的尺寸的最大值，本实施例中，土体剪切波速Vs＝52.57m/s，最大计算频率fmax为40kHz，计算得到有限元模型中最大单元尺寸小于0.22。
本实施例中，在ABAQUS/CAE中建模时，所有指令都是由Python生成的代码执行。因此，可以通过直接编写Python脚本将步骤1生成的不同冲刷工况下的input任务文件(.inp文件)批量提交计算后，提取桩基共振频率和对应的桩顶最大位移，建立不同冲刷坑尺寸对应的正演数据库。
步骤S2中进行正演模拟的过程具体包括以下步骤：
S201、获取土体参数，提取多种激振频率下的桩顶位移结果；
S202、根据桩顶位移结果绘制桩顶最大位移频谱图，如图3所示，提取桩基共振频率和对应的桩顶最大位移作为正演模拟结果输出，并生成正演数据库。
步骤S201中，通过生成任务文件来记录土体参数，通过批量提交任务文件计算得到桩顶位移结果。
步骤2中用Python语言编写的脚本可以实现以下功能：
(1)自动提交任务。例如，用户准备好了需要分析的input文件(.inp文件)，可通过mdb.JobFromInputFile(name,inputFileName,numCpus,numDomanis)和mdb.jobs[].submit()等命令完成任务提交；
(2)参数分析。例如，可以编写脚本实现逐步修改模型几何尺寸、材料参数等功能，然后提交分析获取结果，再脚本来控制某个量的变化，当达到指定要求时停止分析，最终输出优化后的结果。该方法通常用于修改input文件(.inp文件)参数，然后提交计算。常用的语句有open(‘xxxx.inp’)、inpfile.readlines()、lines.index()和newfile.write()等；
(3)创建和修改模型。在ABAQUS/CAE中建模时，所有指令都是由Python生成的代码执行，那么自然可以不通过ABAQUS/CAE进行可视化建模，而是可以直接编写脚本实现建模工作；
(4)访问输出数据库(.ODB文件)。用户可编写脚本对分析结果进行后处理，常用的Python语句如下：
OpenOdb(‘jobname.odb’) #打开.odb文件
Odb.steps[‘Step-1’] #读取分析步
Step_name.frames[-1] #读取分析步的最后一帧
LastFrame.fieldOutputs[‘U’] #读取该分析步最后一帧的位移场
对于步骤S1中不同的冲刷坑工况，通过在桩顶施加1N的x方向简谐荷载，频域计算区间为0～40Hz的简谐力获得桩顶位移频谱图，频谱图上最大位移幅值对应的频率即为共振频率。
用ABAQUS有限元软件建立的不同冲刷坑尺寸对应的桩基共振频率和对应的桩顶最大位移数据库如表4所示：
表4 不同冲刷坑尺寸对应的桩基共振频率和位移汇总表
修正系数包括共振频率修正系数和桩顶最大位移修正系数，正演数据库中的桩顶最大位移和桩基共振频率分别乘以桩顶最大位移修正系数共振频率修正系数，得到反演数据库。
共振频率修正系数α的计算公式如下所示：
其中，f0表示未冲刷状态下实测的共振频率，f1表示未冲刷状态下有限元计算的共振频率；
桩顶最大位移修正系数β的计算公式如下所示：
其中，S0表示未冲刷状态下实测的桩顶最大位移，S1表示未冲刷状态下有限元计算的桩顶最大位移。
本实施例中，将通过弯曲元剪切波速测试得到的饱和砂弹性模量14.6MPa输入有限元并提取结果，同时以未冲刷状态的试验桩基共振频率值f0＝12.5Hz，桩顶水平位移值S0＝0.33mm作为反演依据时，采用公计算得到桩基共振频率修正系数α＝f0/f1＝12.5/14.1＝0.886，桩顶最大位移修正系数β＝S0/S1＝0.33/0.0628＝5.26，最后把有限元数据均乘以修正系数后得到结果如表5所示：
表5 系数修正后的有限元与实测值对比汇总表
步骤S4的计算过程通过MATLAB进行计算，根据反演数据库，通过MATLAB中的regress函数来建立回归方程，并且通过MATLAB中的solve函数来反演模拟计算冲刷深度和冲刷角度。
本实施例中，将反演值与实际冲刷坑按比例绘制成图，如图5～图8所示。由表6可见，冲刷深度反演平均误差为5.7％，冲刷角度反演平均误差为27％，表6具体如下所示：
表6 基于修正系数的冲刷坑尺寸反演值与实际值对比
由表6可知，通过本发明提出的方法，能够有效测量深水桩基的局部冲刷坑的冲刷深度和冲刷角度，能够大幅度降低局部冲刷坑尺寸的测试成本并提高了冲刷坑尺寸测量的可靠性，可以用于实时评估桩基础在冲刷条件下实际运营过程中的安全状况，将难度较大的冲刷坑尺寸测量转化为难度较低的桩基动力特性监测。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、建立多种冲刷坑尺寸的桩基共振频率有限元模型；
S2、根据所述桩基共振频率有限元模型对桩基共振频率和位移进行正演模拟，得到正演模拟结果；
S3、根据所述正演模拟结果，获取相应的修正系数来对正演模拟结果中的桩顶最大位移和桩基共振频率进行修正；
S4、建立冲刷深度、冲刷角度为自变量，桩基共振频率和桩顶最大位移为因变量的回归方程，采集实际运营过程中测量得到的实际共振频率和实际桩顶最大位移并输入回归方程，通过反演模拟得到单桩的局部冲刷坑的冲刷深度和冲刷角度；
所述步骤S2中进行正演模拟的过程具体包括以下步骤：
S201、获取土体参数，提取多种激振频率下的桩顶位移结果；
S202、根据桩顶位移结果绘制桩顶最大位移频谱图，提取桩基共振频率和对应的桩顶最大位移作为正演模拟结果输出，并生成正演数据库；
所述修正系数包括共振频率修正系数和桩顶最大位移修正系数，所述正演数据库中的桩顶最大位移和桩基共振频率分别乘以桩顶最大位移修正系数共振频率修正系数，得到反演数据库；
所述共振频率修正系数α的计算公式如下所示：
其中，f0表示未冲刷状态下实测的共振频率，f1表示未冲刷状态下有限元计算的共振频率；
所述桩顶最大位移修正系数β的计算公式如下所示：
其中，S0表示未冲刷状态下实测的桩顶最大位移，S1表示未冲刷状态下有限元计算的桩顶最大位移。
2.根据权利要求1所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述步骤S1中通过移除相应尺寸的单元来模拟局部冲刷坑的形成。
3.根据权利要求1所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述桩基共振频率有限元模型包括桩单元与地基土单元，所述桩单元与地基土单元之间无相对位移。
4.根据权利要求3所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的边界为无限元边界。
5.根据权利要求3所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的土体为弹性模型。
6.根据权利要求3所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述桩基共振频率有限元模型中地基土单元的尺寸大小以土体剪切波速为控制条件，具体公式如下所示：
其中，fmax为最大计算频率，Vs为土体剪切波速，hmax为地基土单元的尺寸的最大值。
7.根据权利要求1所述的一种深水桩基冲刷坑尺寸的振动测量方法，其特征在于，所述步骤S4中根据反演数据库，通过MATLAB中的regress函数来建立回归方程，并且通过MATLAB中的solve函数来反演模拟计算冲刷深度和冲刷角度。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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