李大龙，齐 洋*，杨 竟

(1.浙江华东建设工程有限公司，杭州 310030；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

桩是埋入土中的柱形杆件，其作用是将上部结构的荷载传递到深部坚硬、压缩性小的土层或岩层上，桥梁的桩基就是前两下部结构与地基接触的部分，为了保证桥梁的安全和正常使用，要求桩基具有足够的强度、刚度以及整体稳定性，使其不产生过大的水平变位或不均匀沉降[1-3]。据不完全统计，至2019年年底，中国的公路桥梁数量已经超过了80万座，长度超过了5 000万m，其中特大桥梁3404座，且数量仍在保持快速增长，长达几十公里的跨江、跨海以及海峡大桥也不断涌现[4-5]。为了适应各种不同的地质环境和工程需要，合理选择桥梁桩基类型是桩基设计的重要环节，不同类型的桩基承载的性能不同，在实际的应用工作中对环境的适应程度也存在差异[6]。按照受荷特性可以将桩基分为抗压桩、抗拔桩、横向受荷桩以及组合受荷桩四种类型。中国所建的铁路、公路跨河跨海的大型桥梁，采用深水桥梁桩基，其体积、阻水面积较大，在循环荷载和水流冲击的作用下桩基的承载性能发生显著变化，可能会引发桥梁毁坏和桩基裸露等严重安全隐患[7-9]。中国某地区对其管辖范围内的280余座桥梁进行了水下检测，检测结果显示大多数桥梁桩基均存在不同程度的河流冲刷损耗现象，由于河流冲刷引发的桥梁损坏或破坏具有高隐蔽性，因此河流冲刷成为桥梁水毁事故发生的最主要原因之一[10]。河流冲刷可以分为自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三种类型。为加强冲刷水毁仿真推演能力以及提高桥梁抗洪裕度，在河流冲刷环境下，分析桥梁桩基的稳定性。

桥梁桩基冲刷是一个十分复杂的问题，中外针对这一问题分别得出了不同的分析技术和方法。目前，中国对具体桥梁桩基进行的冲刷深度或冲刷防护的实验已有近百个之多，得出的研究成果不仅服务于桥梁施工工程建设，同时也极大地丰富了中国对桥梁桩基冲刷的认识。何文华[11]提出基于有限元分析的临近堆载对桥梁桩基内力与变形影响研究,根据有限元分析方法对临近桥梁桩基堆载的受力进行分析，实现桥梁受力的有效模拟，此方法能够准确分析桥墩不均匀沉降。马婷婷[12]提出一种基于桥梁节段模型的颤振稳定性参数分析方法，通过二维频域颤振分析方法进行桥梁节段稳定性分析，利用有限元建模实现结构参数模拟偏差模拟分析，能够有效提升桥梁桩基稳定性分析准确性。然而受到对河流泥沙认识水平的限制，对桥梁桩基冲刷的认识不够全面，相关的技术水平未能支持稳定性分析研究的深度，因此影响了对桥梁桩基稳定性的分析准确性，得出的稳定性分析结果有一定的局限性。

为了解决当前桥梁桩基稳定性分析工作中存在的问题，现提出三维仿真分析方法，通过建立相应的数字模型充分模拟河流冲刷环境下桥梁桩基的变化情况，并解决传统分析过程中存在的数据采集与观察难的问题，从而得出更加精准的稳定性分析结果，为桥梁冲刷水毁以及提高桥梁抗洪裕度的工作提供参考数据。

1 设置稳定性计算指标与判断标准

在此次稳定性的分析研究工作中，将桥梁桩基的稳定性定义为在河流冲刷外力作用下，桥梁桩基结构的平衡状态开始丧失稳定，会出现弯曲变形、裂缝以及消融的问题，最后导致桥梁桩基结构遭到破坏[13-14]。为了实现对稳定性的量化计算，在强度破坏、变形破坏、能量破坏的准则下设置桥梁桩基的损伤指标，并将损伤指标分为多个等级，即确定稳定性的判断标准。具体的稳定程度划分以及对应指标的规定范围如表1所示。

表1中Park-Ang指标E主要用来描述桥梁桩基失稳破坏的等级，μcy和μcy1分别表示桩基首次屈服变形和等效屈服点处时的位移延性比，μc4和μcmax分别对应的是桩基应变首次达到0.004时的位移延性比以及位移延性比的最大值[15]。表1中，桥梁桩基失稳损伤状态共分5类，分别为无失稳损伤、轻微失稳损伤、中等失稳损伤、严重失稳损伤、局部失效或倒塌。位移延性比指标在0<μ<μcy1范围内时，桥梁桩基处于无失稳损伤状态，仅在局部产生微小裂缝、消融或变形，其Park-Ang指标为E<0.1。其他四项指标均一样。

表1 桥梁桩基失稳损伤指标描述

2 建立桥梁桩基稳定性计算数字模型

为了保证桥梁桩基稳定性结果的系统性与有效性，利用ABAQUS软件建立桥梁桩基的稳定性数字分析模型。模型的建立过程分为前处理、模拟计算和后处理3个步骤。此次稳定性计算数字模型的建立分为3个部分，分别为桥梁桩基本构体、桥梁桩基的使用环境以及河流冲刷环境[16-18]。其中桥梁桩基的使用环境主要考量的是桩基底部砂石以及地基的作用。遵循有限元模型的一般建立过程，得出桥梁桩基本构体的各个部件，部件创建后将其实例化形成实体，通过各个实体的结构和坐标将其装配成一个完成的分析模型[19-20]。图1所示为桥梁岸坡简化模型图。

图1 桥梁岸坡简化模型

分析桥梁桩基稳定性计算数字模型的3个组成部分之间的相互作用与特性，将3个子模型放置在相同的场景中。最终通过参数的设置以及输出形式的选择，实现模型的可视化构建。

2.1 搭建桥梁桩基三维本构模型

桥梁桩基构建包括桥墩、承台以及桩基，且研究体对应的实体均为钢筋混凝土构建，因此在本构模型的建立过程中涉及对混凝土以及钢筋材料参数的选择与模拟。桥梁桩基三维本构模型的建立大体分为3个部分：首先，在平面环境中布置各个构件的位置与结构；其次，设置材料参数，具体包括密度、弹性模量、泊松比等，最后，进行三维化处理。为了对本构模型进行三维化处理，设置三维映射规则为

(1)

2.2 桥梁桩基环境模型

桥梁桩基的环境主要就是桩基底部的砂土环境，在河流的影响下砂土呈现出液化的形态，桥梁桩基环境中砂土进入液化状态的表达式为

εv=εvc+εvd

(2)

式(2)中：εvc和εvd分别为砂土体在应变分解作用下有效应力变化引起的体应变和剪切引起的体应变。处于液化状态的砂土要产生足够大的剪应变满足剪胀关系，由此产生的液化变形过程可以表示为

(3)

表2 模型采用的参数设置表

2.3 三维河流冲刷模型

河流流体运动的连续性方程与动量方程表示为

(4)

式(4)中：ui、gi分别为河流运动的速度场以及加速度值；ρ、p分别为河流流体的密度与总压强；β为河流流体分子动力黏滞系数。然而在自然界中河流几乎都已弯曲的形式存在，河流从直流段进入弯道后，受到离心力的作用破坏自由水平的平衡状态，除了横向流速之外，还产生了垂直与横向流速的纵向流速，河流弯道中纵向平均流速的计算公式为

(5)

式(5)中：V为河流进入弯道前的速度值；r0和r分别为河流进入弯道前后所在圆的半径；θ为河流弯道与水平方向之间的角度。在上述河流环境下产生的冲刷过程可以分为自然演变、一般冲刷和局部冲刷3个部分，具体的冲刷机理如图2所示。

图2 河流冲刷机理示意图

2.4 输出模型目标函数

综合桥梁桩基稳定性计算的多个子模型以及河流冲刷机理，可以将桥梁桩基的稳定性问题转换成桩基的弯曲、形变、位移裂缝问题。在河流冲刷条件下，桩基的位移函数可以表示为

(6)

式(6)中：Cn为待定系数；l为桥梁桩基长度；n为桩基数量;x为单桩的位移。另外桩基的形变量可以表达为

(7)

式(7)中：Ep为桩基的弹性模量；Pb为河流的冲刷力；d为桩基的尺寸。同理可以得出其他两个稳定性测试指标的计算方法。在模型环境下，分别将影响桥梁桩基稳定性的参数作为输入量代入模型中，结合桩基响应与失稳机制得出对应指标的计算结果，从而判断当前桥梁桩基的稳定性。

3 计算河流冲刷力

河流的冲刷力与其冲刷深度有关，且与冲刷深度之间具有线性关系。因此可以通过冲刷深度结合线性系数，得出河流冲刷力的计算结果。从三维河流冲刷模型中可以看出，河流的冲刷过程分为3个阶段，然而自然冲刷阶段不属于结构工学范畴，因此在实际的冲刷力计算过程中不予考虑。根据河流的输沙平衡原理得出河流的一般冲刷深度为

(8)

式(8)中：hx为一般冲刷深度；H0为冲刷位置处的水深；Ucp和Uc分别为河流与沙土的平均流速；n与桥梁桩基的形状有关，取值为常数。则局部冲刷深度的计算公式为

(9)

式(9)中：Q和f分别为河流流量以及局部系数。将式(8)代入式(9)中，便可以分别得出河流一般冲刷与局部冲刷的深度，综合冲刷力与冲刷深度之间的线性关系，可以得出河流冲刷力的计算结果。

4 实现桥梁桩基稳定性分析

一般情况下，桥梁桩基的稳定性由河流冲刷和自身承载能力来确定。桥梁桩基自身承载能力的最大值可以表示为

(10)

式(10)中：qp和qi分别为桩基端的阻力和侧阻力；Ap为桥梁桩基的截面积；li为桩基环境中的砂土厚度；K为桩基刚度。分别将河流冲刷力与桥梁桩基的承载力计算结果代入建立的桥梁桩基稳定性计算数字模型中，承载力为模型的边界约束条件，河流冲刷力为模型的输入项。在不同力度河流的冲刷下，计算并分析桩基的变化情况以及形变程度。将观察记录结果与设置的稳定性判断标准作比对，从而确定当前桥梁桩基是否处于稳定状态。

5 三维数值模拟仿真实验

5.1 桥梁桩基工程简介

为了证明设计的河流冲刷下桥梁桩基稳定性三维仿真分析效果，将其应用到实际的项目工程中，并得出项目工程的稳定性分析结果。此次仿真实验中选择跨河桥梁工程作为实验对象，以工程建筑的所有项目数据为基础，将其导入有限元软件中并得出对应的三维模型，以此作为三维模拟仿真实验的实验环境。选择的桥梁工程中共包含156个桥梁桩基，桥梁总跨度为2 137 m。

5.2 桥梁桩基周围河流流动数值模拟

图3为洪水过程中的主流流向图。从图3中可以看出，洪水河流的水流从上游流入到主河道，主流线偏向左岸，由于弯道的存在，水流方向发生变化，沿着主流线靠近右岸。在此过程中河流的最大流速为22.77 cm/s。

图3 桥梁桩基周围河流主流图

5.3 河流冲刷过程仿真

在实际的河流冲刷过程中安装河流冲刷传感器用来控制和调整仿真实验环境，避免由于实验环境设置错误导致的实验误差。将搭建的工程项目模型放置在设置的水流环境中，加入砂石元素。在实际的稳定性分析过程中，调整河流的冲刷速度，并观察记录整个实验过程中的稳定性变化情况。在整个实验过程中为了保证变量的唯一性，桥梁桩基的深度、长度以及宽度均为固定值。

5.4 稳定性三维仿真分析结果

为了验证不同分析方法的桥梁桩基稳定性，利用ABAQUS 软件获得不同方法下桥梁桩基位移云图(图4)。

根据图4可知，不同方法下桥梁桩基位移不同。本文方法对河流冲刷下桥梁桩基稳定性三维仿真分析结果最接近实际情况，桥梁桩基位移与实际结果最为接近，说明本文方法可行度最高。

图4 不同方法下桥梁桩基位移云图

5.5 三维仿真分析结果的可信度分析

为了证明设计的三维仿真稳定性分析结果的可信度，设置传统二维分析方法作为实验的对比方法，并通过仿真程序设置不同桥梁桩基的稳定性系数。将两种分析方法代入仿真实验环境中，并将得出的稳定性分析结果与设置数据做对比，得出稳定性分析结果可信度的实验对比结果，如表3所示。

表3 桥梁桩基稳定性分析可信度对比结果

从表3中的实验结果中可以看出，与传统的分析方法相比，设计的三维仿真分析方法得出的稳定性分析结果更加接近于设置的稳定性数据，因此设计分析方法得出的结果可信度更高。

6 结论

通过河流冲刷下桥梁桩基稳定性三维仿真分析，为桥梁冲刷水毁研究方向的发展和变革奠定基础，参考稳定性分析结果可以及时制订具有针对性的冲刷防护措施，最大程度降低由于洪水以及河流冲刷对桥梁构成的威胁。

水动力学模型和泥沙数学模型为评估填海前后水动力学条件和泥沙运动特征变化提供了基础。填海工程对海湾水质、环境容量和污染物排放方式方面的影响需要利用其他模型。