许华翔

(西南交通大学桥梁工程系, 四川成都 610031)

桥梁桩基础抗冲刷能力评估

许华翔

(西南交通大学桥梁工程系, 四川成都 610031)

桥梁受到洪水等冲刷作用而损伤破坏的现象普遍，且桥梁冲刷现象复杂，影响因素众多。因此，评估桥梁的抗冲刷能力具有重要的工程意义。文章以某桥为研究对象，计算了土体不同深度的p-y曲线，并根据冲刷深度拟定多种冲刷状态，通过计算得出相应冲刷状态下的桥墩和桩的反应，讨论了其屈服、破坏时的情况。具体研究内容：利用流体力学理论对水流压力作用下的桥墩和桩建立冲刷力学模型；用Winkler地基梁模型模拟桩-土相互作用，并用满足非线性p-y曲线的土弹簧来代表土体的非线性行为，利用分布式塑性铰模型来模拟桩身可能发生的挠曲破坏；最后对桥墩和桩承载能力进行分析，进而对桩基础的抗冲刷能力进行评估。

桥梁冲刷； 抗冲刷能力； Winkler地基梁模型；p-y曲线； 分布式塑性铰模型

近年来，由于各种环境因素引起的河床冲刷，造成桥墩基础裸露，基础承载能力显著削弱，由此引起的桥梁破坏甚至倒塌的事件被报道的越来越多。2015年，贵州省黔东南州境内突降暴雨，造成雷山县丹江河、榕江车江河水位猛涨，造成县城区临河区域被淹，三座大桥被冲毁(图1)。

图1 贵州省桥梁冲刷破坏

桥梁冲刷事故发生在全国各地，且至今仍然对社会经济、活动等造成巨大影响。这些事故让越来越多的学者们将注意力放到有关冲刷的研究上面。本文通过对受冲刷墩台承载能力的评估，以期能预先对桥梁进行加固和防护方案设计。一方面可减小经济损失，另一方面也能在一定程度上避免灾害造成的重大桥梁破坏与人员伤亡，具有一定的工程意义。

1 冲刷桥梁性能分析

1.1 墩基础冲刷的影响

当桥墩周围发生局部冲刷时，随着墩、桩周土壤的逐渐减少，结构所受的侧向土压力也在削弱，同时流水荷载也因冲刷深度的增加而增加。总体上，冲刷分为冲刷前、冲刷至承台裸露以及冲刷至桩裸露三个阶段(图2)。结构裸露的部分愈多，其整体刚度愈小，同时结构受到的约束也会削弱，结构屈曲、地基下沉也会随之发生。当发生严重冲刷时，在上部结构对墩顶的竖向压力作用下，结构可能会发生挠曲破坏；在侧向流水荷载的作用下，结构可能会发生倾覆等破坏。

1.2 上部结构理论模型

在本文的研究当中，重点在水荷载影响下冲刷基础的稳定性上，因此上部结构的模拟可以适当简化。但应注意到，当桩严重裸露时，在上部结构荷载的作用下会引起显著的P-Δ效应，其影响不可忽略。

1.3 桩-土系统模型

Winkler地基梁法是指以Winkler地基梁假设为前提，把桩看成置于土介质中的梁，用连续分布且相互独立的弹簧和阻尼器来模拟桩周土对桩的动力阻抗的桩基础分析方法。应用Winkler地基梁法可以考虑土层沿深度的非均匀变化以及土的非线性性质[1]。

桩的非线性行为可用塑性铰理论进行模拟。但塑性铰模型用于模拟嵌入土体桩的挠曲破坏时，桩上最大弯矩处可能会随着桩周土的发展而产生非线性变化。采用分布式塑性铰模型[2]可以有效解决该问题。如图3所示，分布式塑性铰模型在一个结构构件中插入了很多沿着预期塑性区的塑性铰。只需要将屈服塑性铰以及部分屈服塑性铰的区域定义为实际塑性区即可。

1.4 非线性p-y曲线

地基的非弹性性质一般可用p-y曲线以进行较为真实地反映，由地表开始的进行性破坏现象也可由其反映到桩的计算中[1]。它能考虑静力荷载、循环荷载、土的软化、土抗力的退化与折减等作用[3]。

其中，砂土的p-y曲线由美国API规范[4]中双曲正切函数表示，黏土的p-y曲线采用1970年Matlock[5]提出的p-y曲线确定。

图2 墩-桩冲刷模型

图3 桩的分布式塑性铰模型

1.5 水流压力

水流施加在桥墩和桩群上的纵向与侧向压力可由AASHTO[6]的建议来估计。由水流引起的桥墩纵向压力定义为：

p=5.14×10-4CDV2

(1)

由水流引起的桥墩侧向均布压力定义为：

p=5.14×10-4CLV2

(2)

式中：p为侧向压力；CD为阻力系数；CL为桥墩的侧向阻力系数；V在强度和使用极限状态下，为设计洪水的设计速度；在极端事件极限状态下，为检验洪水的设计速度。

2 实例桥梁工程概况

参考某跨河大桥，该桥为跨径30 m的四跨连续梁桥，桥梁全长128.2 m(图4)。采用钻孔灌注桩双柱式桥墩，其中1号墩长为7 m， 2号墩长11 m，3号墩长13 m，桩长为30 m。墩、桩采用C35混凝土，HRB335钢筋。

(a)大桥立面示意

(b)大桥横桥向示意图4 某大桥立面、横向示意(单位:cm)

3 冲刷桥梁模型分析

3.1 模型建立

利用大型有限元软件SAP 2000建立模型(图5)。基于Winkler地基梁法，将桩模拟为梁，土壤用Winkler弹簧模拟，冲刷引起的桩的裸露用移除弹簧来模拟，墩、桩可能发生的挠曲破坏则用分布式塑性铰来模拟。

在美国FEMA-356标准[7]中，建筑物在遭受地震灾害后可维持的功能被划分为四个等级：正常使用、可立即使用(IO)、生命安全(LS)和建筑物不倒塌(CP)。在SAP 2000中，每一个自由度皆对应于一条用于给出屈服值以及屈服后塑性变形的力-位移(弯矩-转动)曲线(图6)。铰的屈服点位于B点处。A、B两点间铰内没有变形发生，因此铰屈服前被假定为刚性的。桩基础承载能力对冲刷桥梁的影响尤为显著。通常由于桩嵌入土体，质量难于控制，其残余应力不如其他结构(构件)稳定可靠。因此在本文中，D点(破坏点)被认为是桩中塑性铰的完全破坏状态。

图6 桩的分布式塑性铰模型

3.2 土壤弹簧与冲刷状态的确定

采用本文第1.3节中介绍的方法考虑桩-土相互作用，取桩长30 m，采用弹性框架单元模拟桩身，将桩身平均划分为30个单元，以保证在桩顶10倍桩径范围内至少有5个单元的要求。

本文中采用简化的p-y曲线法，将土体对桩的作用简化为一系列沿桩长连续分布且相互独立的非线性弹簧，p-y弹簧沿桩有效总长度分部间距为1.0 m。以p-y非线性弹簧模拟土体的水平抗力，由于主要考虑水平单向地震动的输入，土体水平抗力在桥梁地震反应分析中起决定性作用，因此桩底固结来考虑桩底土体的竖向支撑作用，忽略桩侧土体的竖向摩擦作用。并且在本文中，根据土层的不同，将冲刷状态划分为Ⅰ(冲刷深度3 m以下)、Ⅱ(冲刷深度4～8 m)、Ⅲ(冲刷深度9～12 m)、Ⅳ(冲刷深度13～17 m)四个状态。土体基本参数如表1所示，不同深度处的p-y曲线如图7所示。

表1 土体基本参数

利用横断面分析软件XTRACT 3.0对墩、桩各截面进行分析。如表2所示，墩的屈服弯矩取2.659×106N·m，屈服曲率取2.888×10-31/m,桩的屈服弯矩取2.886×106N·m，屈服曲率取2.683×10-31/m。

(a)1～3m p-y曲线

(b)4～8m p-y曲线

(c)9～12m p-y曲线

(d)13～20m p-y曲线

(e)21～24m p-y曲线

(f)24～30m p-y曲线

墩截面桩截面有效屈服曲率2．888×10-31/m2．683×10-31/m有效屈服弯矩2．659×106N·m2．886×106N·m

3.3 计算结果与分析

图8为四种冲刷状态下的墩-桩系统承载能力曲线。由图可知，随着冲刷深度的不断增加，桩周土系统的刚度不断减小，墩-桩承载能力曲线的曲率不断减小。同时，相对应的屈服荷载以及破坏荷载也随之减小。因此，基础冲刷显著地削弱了桥梁的刚度和强度。

在承载能力曲线上画出等流速线，如图8中虚线所示，更高流速导致桥梁更高的破坏等级。例如，假定在洪水期间，上游侧主渠道桥梁断面的平均流速估计为1.9 m/s，那么对应于图中，可知若该墩的最大冲刷深度为7 m(冲刷状态Ⅰ)，则结构仍保持弹性状态；若最大冲刷深度为9.5 m(冲刷状态Ⅱ)，则结构将会接近于屈服状态(初始破坏)；若最大 冲刷深度为10.5m(冲刷状态Ⅲ)，则结构将会超过屈服状态；若最大冲刷深度为12m(冲刷状态Ⅳ)，则结构将会接近于完全破坏状态。同理，若能获得桥梁冲刷水文资料，以及桥墩的破坏情况，便可反推出洪流期间桥墩的冲刷深度。

图8 冲刷墩与桩承载能力曲线

4 结论

(1)将桥梁冲刷分为冲刷前、冲刷至承台裸露以及冲刷至桩裸露三个阶段，随着结构裸露的部分愈多，其整体刚度、强度愈小，同时结构受到的约束也会削弱。

(2)塑性铰模型用于模拟嵌入土体桩的挠曲破坏时，桩上最大弯矩处可能会随着桩周土的发展而产生非线性变化。因此桩的非线性行为可用塑性铰理论进行模拟。

(3)基于冲刷墩与桩承载能力曲线，可根据桥梁冲刷深度及时预测结构是否会发生屈服、破坏。反之可根据水文资料、结构破坏情况，反推洪流期间桥墩的冲刷深度。

[1] 燕斌. 桥梁桩基础抗震简化模型比较研究[D]. 上海: 同济大学, 2007.

[2] Ko, Y.Y., Chiou J.S., Tsai Y.C., Chen C.H., Helsin W., Wang C.Y. Evaluation of Flood-Resistant Capacity of Scoured Bridges[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2014, 28(1): 61-75.

[3] 胡胜刚. 基于p-y曲线模型的桩基非线性性状分析研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2005.

[4] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning. Design and Constructing Fixed Offshore Platforms[S]. API RP 2A - WSD, 20th ed. American Petroleum Institute, 1993.

[5] Matlock H. Correlations of Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clay[J]. Proceedings, Offshore Technology Conference, Houston, TX. 1970(1204): 577-594.

[6] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (7th ed.)[S].

[7] FEMA-356. Prestantard and Commentary for The Seismic Rehabilitation of Buildings[S]. FEMA, 2000.

[定稿日期]2017-06-28

许华翔(1993～)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁冲刷与抗震。

U441.4

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