末端敞开管桩的沉桩振动与水下声辐射的机理、算法及控制方法研究

The dynamic behavior of open-ended pipe driven by a hydraulic hammer will be studied in this project, and the mechanism of underwater acoustic radiation of the pile will be investigated. The influencing factors of underwater noise and its reduction way will be researched. Modeling the impact on the pile head and the soil around the pile toe, a nonlinear non-stationary dynamic model of the pile in driving will be obtained. A semi-analytical method will be used to calculate underwater sound. By using constrained variation principle and mode expansion method, the elastic wave excited by the impact will be obtained in series form. And then the underwater sound radiation can be calculated according to the vibration solution. The influencing factors of the underwater sound will be investigated, and the sound reduction approaches will be explored..A scaled physical model of pile-driving will be set up to investigate the dynamic behavior and underwater noise of open-ended pipe pile driven by a hydraulic hammer. The vibration and acoustic signal obtained in the scaled experiments can be used for understanding the mechanism of vibration of pile and its underwater sound radiation, and for verifying the sound reduction approaches. The vibration and underwater acoustic signal at the site of engineering will be analyzed, which will be used for verifying the theoretical model of vibration and its underwater acoustic radiation. Comparing the theoretical solution, results of experiment on the scaled test equipments and at the site, the dynamic models can be verified and improved. .With the application of the achievement in this project, a theoretical methodology can be used to forecast the underwater sound radiated from open-ended pipe piles driven by a hydraulic impact. Some potential technical improvements will be suggested to reduce the underwater sound radiation. It will be positive to improve the sound environment in the ocean near the piling sites, and will be helpful to protect marine animals from underwater noise.

本课题拟研究受液压锤冲击的末端敞开管桩的力学行为，以及管桩水下辐射声的形成机理和影响因素，研究降低打桩水下噪声的技术途径。研究底泥的非线性力学模型，建立桩管的非线性非稳态动力学模型，结合有约束的变分原理和模态展开法，求解桩头受冲击的桩管弹性波级数解，再根据桩管的径向振动，计算海水中桩管段的辐射声，建立分析水下打桩噪声的半解析方法。并研究水下打桩噪声的影响因素，以及降振降噪的技术途径。建立落锤冲击的圆柱钢管桩的缩比模型试验装置，试验研究水下打桩噪声，验证降噪方案的有效性。在海上打桩的施工现场测量桩管振动和水下噪声，分析其特性，比较桩管振动和辐射声的级数解、缩比模型试验和现场测试的结果，改进和完善分析模型。本课题成果可以为分析和预测打桩水下噪声提供分析和计算方法，为降低打桩水下噪声提供技术指导。对改进海洋施工装备设计，降低打桩水下噪声，改善海洋施工作业区的声环境，保护海洋动物起积极作用。

海洋工程中的钢管桩冲击沉桩作业会向海水中辐射宽频水下声压，高强度的打桩噪声会造成海豚、鲸和鱼类不同程度的伤害。研究海洋钢管桩的振动及声辐射机理、算法及控制方法，对海洋工程及海洋动物保护而言具有极其重要的意义。本课题的主要研究内容及相应的结论如下：.（1）详细研究了锤头、管桩内的波传播问题，分析了锤头、砧铁、桩垫（或锤垫）、管桩与桩底土之间的相互作用。建立了波传播分析的非线性一维有限差分动力学模型，并基于该理论模型，研究桩垫的材料非线性及锤头、砧铁与桩顶之间的反弹与连击等物理现象对锤击力及土穿透量的影响。研究发现：冲击过程中，锤头、砧铁与桩顶之间可能发生多次反弹与连击，但连击力一般不能引发进一步的土穿透；垫子能有效降低冲击力的峰值和冲击力的高频分量；锤头及砧铁的反弹会减小有效传递能量，从而减小桩底土穿透深度。 .（2）深入研究了锤击载荷作用下钢管桩振动及声辐射问题，基于Hamilton原理，提出了一种管桩声振耦合计算的半解析方法，利用变分方程求解壳体振动问题。理论分析及数值计算揭示水下辐射噪声的分布、传播与衰减规律及辐射声压传播的频散特性。理论计算结果与实验测试数据的对比表明，该理论模型能够对海洋沉桩噪声进行有效的预测。.（3）设计了小型钢管桩的沉桩辐射声实验，测试和分析了桩底冲击力及水下辐射声压，明确了沉桩水下噪声的频带、空间分布及衰减特性。实验研究发现：水下噪声的第一阶共振频率由管桩的首阶轴向固有振动决定；水下声压具有明显的深度依赖性；实验结果验证了发展的声振耦合力学模型的有效性。.（4）深入研究了垫子对沉桩辐射声压的影响，并提出了一条基于桩垫参数优选的降噪技术途径。课题研究了垫子参数对水下辐射声压的峰值声压级及声曝露级的影响，提出了垫子刚度的选择建议。得到主要结论如下：桩顶应力的尖锐上升沿会在管桩上激发出强烈的高频振动，使管桩产生高强度的水下噪声；垫子的使用能够有效延长冲击能量传递到管桩上的时间，消除尖锐的应力上升沿，从而显著降低高频噪声及峰值声压级；小阻尼桩垫有利于增加土穿透深度和降低水下噪声。优选桩垫刚度的降噪技术能够在保证沉桩效率的前提下显著降低水下辐射声压的峰值声压级及声曝露级。