群桩与乱石床垫保护

文摘

新的实验数据计划维度用于群桩的乱石床垫保护边缘故障进行了分析。流的影响条件和桩之间的距离在乱石床垫的计划方面。边缘失败的实验研究的另一个方法在桩组提出和验证,大大减少了测试时间(从几天到几个小时)和产生相似的结果。桩组配置测试,设计表达最低乱石宽度。桩之间的距离的影响在乱石的宽度尺寸是小,和建议的表达比较好一些的表情单一码头在文献中找到。

1。介绍

基本上有两种不同的方式的积极防止冲积桥梁局部冲刷发展的基础。首先,钢筋设备(例如,乱石床垫或cable-tied块)加强床冲刷和其次,flow-altering设备(例如,槽或牺牲码头),削弱流量去除泥沙在桥梁基础。乱石床垫可能是最常用的方法,因为乱石元素是昂贵的,一个合适的知识所需的问题是为了获得一种经济和安全设计(1]。由于物理机制的复杂性相关的三维湍流包括沉积物运移,实验方法是一种惯例来分析这个问题。

在过去的20年里,密集的工作已经完成改善的知识乱石设计对策对桥两个桥墩局部冲刷(2- - - - - -7]和[单墩8- - - - - -11),小的工作已经解决的情况下桩组。尽管桩组织经常为桥梁基础结构,作者的知识,只致力于保护桩组是由Vittal et al。12),Zarrati et al。13],Simarro et al。14]。此外,Vittal et al。12)和Zarrati et al。13)考虑流改变设备(领),而Simarro et al。14),分析乱石床垫,只有地址抛石块大小的问题。

基本上有四种不同的故障机制乱石床垫,即剪切破坏,边缘失败,筛选失败,和底形破坏8]。五分之一机制涉及床退化可以添加。虽然这四个机制并不完全独立,有每道的共识机制是可以避免的。例如,剪切破坏,发生在乱石块动员由于剪应力通过流可以被避免的乱石块是否足够大。筛选失败,底层细床材料逃的空洞乱石,之间的差异是由于床,块大小,可以避免使用砾石或合成滤波器。底形破坏乱石不稳定是由于沙丘穿过乱石元素和可以避免通过将下面的乱石床垫bed-forms槽的预期。最后,边缘失败,这个工作主要是机制,当在河床局部冲刷坑的发展超出了乱石床垫,影响乱石保护,导致其块(如图1)。失败是避免边缘的乱石床垫足够宽。

机制通常是单独分析,和最糟糕的条件被认为是在每种情况下。失败边缘,流条件下,河床材料(比乱石细块)接近夹带条件,也就是说,,在那里即将到来的流的平均速度,是关键的平均速度为床层物料夹带。因为局部冲刷过程发生的乱石床垫可以开发慢慢地随着时间的推移,长期实验(持续1周以上)通常需要评估是否一个给定的床垫宽度是否足够(5]。

最近,Ballio et al。15)提出了一个实验性的调查在时间尺度上对live-bed冲刷al基牙,发现的时间达到平衡冲刷深度随着流强度的增加迅速下降。考虑上面的结果,在这工作我们将找到的需要程度的表达式(宽度)给定堆乱石床垫保护集团的几何学。方法是,每个实验的所需时间减少到几个小时。在下一节中,提出的方法论的提出;其次是实验装置和结果,最后,一些结论。

2。方法

在这个工作我们学习的情况,只有桩群暴露在流(图2),也就是说,那些被科尔曼的第5例(16]。

假设均匀床材料和桩群的正常流动(即。零斜交角,如图3),收缩和粘性的影响可以忽略不计,所需的乱石床垫宽度,定义在相同的图3可以表示为 在哪里和接近平均速度和水深,是水密度,床沙的大小,沉积物密度(床和乱石),重力,个人码头和的直径,和无量纲数定义群桩的几何形状(图3)。我们的话,宽度不依赖于抛石块的大小(7]。

应用量纲分析上面的表达式,指出桩组实验和,我们得到 或者(17), 在哪里计算忽略所有上游粘性的影响。

自在所有的实验(如实际问题),无因次群上面可以忽略。此外,俯瞰的影响(18)的影响通过描述,我们终于获得

正如上面提到的,在文学边缘失败的实验中,流强度设置接近1 ()和实验运行,直到达到一个平衡状态。“均衡标准”,如那些提出的,例如,卡多佐和Bettess [19]或梅尔维尔和卫生20.)都必须建立在实验完成后。这些平衡标准受到错误的意义,指出的Simarro et al。21]。

在这里,我们考虑期间保持恒定流条件实验,但使用弱住床条件()为了加快局部冲刷过程发生的乱石床垫。通过这种方式,将生成bed-forms,所以底形失败可能发生破坏。然而,这些bed-forms将相对较小(实验)和他们的影响力将显示在我们的问题可以忽略不计(的结果将比较和)。这个过程也将用于单墩(案例),为了比较实验结果与现有文献中对单一的码头。

3所示。实验装置和程序

实验进行了土木工程学院大学水力学实验室恰拉(UCLM),西班牙。描述的30米长的和宽75 cm倾斜水槽Chreties et al。22使用了)。

单一码头(案例)或群桩模型(考虑总是和)被放置在一个休息约20米的箱子下游的水槽的开始。在所有情况下,。桩是建在塑料和满是水泥,以确保其稳定性。使用的床泥沙是石英砂,和颗粒的分散(< 1.3,沉积物可以视为均匀)。参数出现在(4),有一个范围的。这是工程实践中常见的范围和群体效应可能会扮演一个角色根据Ataie-Ashtiani和Beheshti说23]结果局部冲刷保护桩组与零倾斜角。为,群体效应可以忽略不计冲刷深度是25%高于单一码头。

实验活动中使用的乱石床垫配置图所示3。乱石中等大小的块,,总是,在所有情况下都抵抗剪切破坏。筛选失败是避免使用合成灵活的乱石之间的过滤器和下面的沙层在乱石区。床垫厚度,,设定以下建议块大小的三倍,也就是说,。抛石层的顶部与周围的床夷平。在现场的床上实验(例如,在表1),底形的高度测量上游桩组。这是检查几乎,床垫厚度5厘米。冲刷洞内沉积物运移的动态修改,和床上的振幅形式略有增加。在任何情况下,这是证实底形不会发生破坏。事实上,整个床的影响形式在显示的问题是小(见下一节)。live-bed实验也是检查床退化是可以忽略不计的工作区域(20米下游水槽的开始)。

对于一个给定的床垫宽度,,,乱石石块的体积是计算从图3,考虑到。插入一个灵活的塑胶板垂直的沙层外部周边的理想化的乱石床垫,同样体积的沙子被小心的从空间中删除石头填满。部署过滤器后,乱石终于涌上挖掘沙床上,确保顶层是一样的周围的沙层。在所有的测试中,一排红色的石头小心翼翼地把一只手按在每一根桩(见图4(一))。

一旦桩组和乱石床垫在位置,水槽是缓慢的装满了水,然后赶去(按此顺序)所需的流速和水深。通过边下游水深度,控制,被选为获得所需的在表达式(4)范围内。流量,控制电磁流量计的准确性达1.1%,被设置以获取或1.3(表1)。在计算尼尔的表达式(24被认为是。冲刷坑最大冲刷深度测量使用点后计1,2,5,7.5、10、15、20、30、45、60分钟从一开始,然后每小时在第一次12小时,第一次12小时后较少。

两种不同的实验:(a)规范测试C7 (C1),在那里和(b)住床上测试(L1就是),在那里。为规范测试,“C”,水槽坡度设定在0.07%,而对于生活床上测试,“L”,斜率被设定为0.11%。在这两种情况下假设失败发生在至少一个边缘成红色的石头从原来的位置(图脱落4 (b))。规范实验运行,直到边缘发生错误(在表“失败”1)或直到梅尔维尔和卫生20.]平衡冲刷发展标准满意在床垫的床上(即。,the scour depth in 24 hours less than 5% of the pier diameter d). If “equilibrium” was reached and the red stones remained unaffected, the mattress was considered to resist (“no fail” in Table1)。对于live-bed测试,实验如果床垫失败(即停止。,“fail”) or after 24 hours (“no fail”), since under weak live conditions the (dynamical) equilibrium has shown to be reached much faster [18]。

在给定流量条件下,如果一个床垫与给定的宽度抵制,一个新的宽1厘米小测试为了找到失败的最大宽度和最低稳定。

4所示。实验结果和讨论

乱石边缘失败的描述实验中观察到的活动相对应,从本质上讲,为单一的码头,被昂格尔和海格(1]。

表1显示了每个实验的主要特点。回忆表达式(4),它包括,,和(只有测试桩组)。桌上还描述了床垫失败与否以及实验时间。共有18个测试进行了桩组(5人规范,“C”)和7单墩(2规范的)。

为了显示设置的意义(L-tests)代替(C-tests)所需的时间,图5显示了时间的历史搜索测试16种18和C3。这四个测试分享和。另外,哈佛测试了18个(用不同的),而为测试C3。从图5,要注意几个方面:第一,平衡深度对C3,尤其是小于如果没有保护(根据梅尔维尔(18]);其次,更有趣的是我们的目的,最大冲刷深度,规范化哈佛,测试了18个,分别为0.87,0.88,和0.94,(注意的是,现在的冲刷深度振动由于bed-forms的通道)。因此,使用的目的正在获取更糟糕的冲刷条件周围床床垫,使用将获得类似的条件(值得注意的是,18的区别和C3,那些也分享吗,只有3%)。最后,关于时间演化,从图5很明显,时间演化是L-tests更快:最大冲刷后已经达到了年代,不到一个小时。连同这一事实底形破坏很小,如下所示,这些结果证明使用为加快乱石边桩组实验失败。

一个主要的实验结果验证live-bed测试绘制在图的使用6。这个图中显示,的函数,桩组的结果使用(C-tests)和(L-tests)。最低稳定的失败和最大宽度是策划。从图,结果是相似的在安全方面和使用L-tests有所下降。因为在L-tests沉积物运移,底形破坏可以有一些(小)影响使得结果略在安全方面。

我们备注L-tests比典型的短得多,和主要优势来了。这一事实是强调在图7,显示了C -实验时间和L-tests实验表1。测试时间越长(那些床垫抵制)了120 h C-tests L-tests只有24小时。此外,在图的结果5表明,这一次可能是进一步减少到几个小时。

为了进一步验证使用弱live-bed条件(),图8显示了单墩的结果(L14就是,C6和C7)一起提出的上限和下限Lauchlan [26)(也看到梅尔维尔et al。25]),考虑

首先,利用L -和C-tests图的结果8正如在图吗6,类似的(事实上,现在他们一致,唯一的情况下,他们可以比较)。其次,我们的实验结果下降略低于下限Lauchlan提出(26),也就是说,。然而,我们记得Lauchlan[的表达式26是实验数据的一个信封。

最后,回忆表达式(4),认识到我们正在考虑要求最高的局势流强度方面,我们可以写 从实验数据,我们可以给一个表达式在我们的范围。图9显示实验结果用于群桩(所有数据)。从图9,有弱依赖这两个和()。这是相对奇怪:一方面,虽然没有明确的共识,集团的影响通常是小的;另一方面,基本上我们有“窄桩”,因为我们normailize与的角色,变得可以忽略不计(18]。上面是在良好的协议与结果Simarro et al。14抛石块设计。只是提议的表达式 为,,,,,,对斜交角为零。上面的表达式也应该工作,按照上面给出的参数,其他的值和;为和。

5。结束语

使用而不是所需的实验评估,持续时间乱石床垫抗拒边缘的宽度的失败可以显著减少。虽然我们是混合两种不同的机制(边缘和弱底形破坏),后来的影响似乎小,结果在安全方面,因此证明弱live-bed的使用条件。乱石宽度的表达式给出了对于一个给定的群桩几何、位置和。

确认

c . Chreties得到了通讯社的记者Nacional de Investigacion e Innovacion (ANII)乌拉圭。g . Simarro支持西班牙政府通过·拉蒙-卡哈尔计划。所有三个作者感谢爱德华多·迪亚兹帮助准备实验。

引用

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