王成华，高　洋，李全辉

(天津大学建筑工程学院，天津　300072)



冲刷条件下既有桥梁桩基础工作性状研究进展

王成华，高洋，李全辉

(天津大学建筑工程学院，天津300072)

摘要：水流冲刷可导致桥梁桩基础周围土体受到侵蚀，其后果轻则降低桩基础承载力，重则导致整座桥梁坍塌。尽管有关桥梁桩基础冲刷的研究很多，而涉及如何评价冲刷对桥梁桩基础承载性状影响的研究却较少，但正在受到学术界与工程界的高度重视。在分析由冲刷引起桥墩、桥台及桩基病害的基础上，重点从理论分析、数值模拟、模型试验等方面评述冲刷条件下，桩基水平和竖向承载性状的研究现状与进展，认为急需更多系统性的研究以探求合理的理论分析方法。因而，有必要进行大量的数值模拟和模型试验甚至是现场试验来研究桩基的冲刷性状，进而为找到分析冲刷对整座桥梁结构安全性能影响的实用评估方法提供理论基础。

关键词：桥梁桩基础；冲刷；理论分析；数值分析；模型试验

面教学与科研工作，E-mail:chwang@tju.edu.cn。

1概述

冲刷是导致桥梁毁坏的主要原因之一。近些年，随着高速铁路和重载高速交通的发展，我国所建铁路、公路跨河跨海的大型桥梁，多数采用深水群桩基础，其体积、阻水面积均较大，在循环荷载和冲刷的作用下，使得桩基础承载性状显著变化，由此可能引起桥梁毁坏和基础裸露等严重安全隐患。

国内外研究人员对冲刷造成的毁坏进行了调查研究。2001年，美国“桥梁冲刷计算”报告中指出，在过去的30年中，美国有1 000座桥梁遭到破坏，其中，有60%的毁坏是由于冲刷导致的[1-2]。Wardhana和Hadipriono研究了1989年至2000年间美国的503次桥梁毁坏，其中与水流冲刷相关的事故高达243次[3]。2010年，湖南省高速公路管理局对320余座桥梁进行了水下检测，检查结果表明：大多数桥梁墩台存在不同程度的冲刷现象，严重威胁着桥梁结构安全和使用者的安全，冲刷导致的桥梁损坏或破坏具有高隐蔽性，一旦破坏修复成本巨大[2]。由此可见，冲刷是导致桥梁毁坏、坍塌的主要原因之一。

目前，研究人员对桥梁的冲刷行为及最大冲刷深度的预测做了大量的研究[4-6]，但已有的研究主要集中在冲刷现象本身，如冲刷机理、冲刷坑的模拟等，主要研究内容体现在三方面：基础范围土体冲刷深度及范围、局部冲刷坑的确定；水流冲刷作用力对地下结构物的影响；水流冲刷对基础的侵蚀作用[7-10]。然而，针对冲刷敏感性桥梁，如何评估冲刷对桥梁桩基础甚至整座桥梁承载性状、安全性、稳定性等的影响却十分有限，其中涉及冲刷前后桩基础荷载传递、承载性状变化等机制仍不够清楚，这方面研究势在必行。

综上所述，研究河流冲刷对既有桥梁基础的影响意义重大。在分析由冲刷引起桥墩、桥台及桩基病害的基础上，重点从理论分析、数值模拟、模型试验等方面评述冲刷条件下，桩基础水平和竖向承载性状变化的研究现状与进展，并对研究提出进一步建议。

2桥梁桩基础冲刷问题描述

2.1　桥梁桩基础冲刷类型

建桥后，除河床的自然演变外，还有桥梁孔径压缩水流和墩台阻挡水流引起的冲刷，各种冲刷交织在一起同时进行，冲刷过程十分复杂。为了便于研究，在我国桥涵水文学中，将河流冲刷一般分为：自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。其中，自然演变冲刷不是水工结构物造成的冲刷[11]，故此类冲刷不是研究的重点。

一般冲刷是因桥孔压缩，水流单宽通过量增加，桥孔上下游河床面上的泥沙被急速通过的水流带走，导致桥位附近的床面下降的冲刷[12]，一般冲刷在桥下河床全断面内发生。

局部冲刷，是造成桥梁水毁事故发生的主要原因。由于桥梁墩、台的存在，阻挡了水流的行进，改变了结构物的局部流场，引起结构物周围急剧的泥沙运动，形成局部冲刷坑，使得基础周围土侧抗力减小，基底应力重新分布，导致基础承载性状的变化，甚至失效。

2.2　冲刷造成桥梁基础的病害及处理措施

对于跨海跨河的大型桥梁，其基础长期处于复杂的水环境中，在冲刷作用下，使得河床下切，基础埋置深度减小，从而造成基础病害，导致基础承载力降低甚至失效。与冲刷类型相对应，冲刷造成的病害亦可以分为一般冲刷病害和局部冲刷病害，见图1[2]。

图1　河流冲刷导致的既有桥梁病害

当河流长时间冲刷桥梁墩台时，不仅会造成桥梁墩台本身的破损，还会出现桩头外露、水蚀缩径、桩头锈斑、桩头外漏、钢筋笼偏位锈蚀等病害[13]，导致桩的控制弯矩增加，降低桩基的承载力。

当出现桥梁墩台基底被淘空时，因其墩台基础受力面积发生变化，基底应力将会重新分布，并导致桥梁墩(台)身及基础的承载力变化。因此需要对承载力进行重新验算，以评估冲刷发生后桥墩的安全性和稳定性[14]。

针对冲刷已造成的桥梁基础病害，结合以往经验及工程实例，可采取以下措施来改变冲刷后基础的承载性状，防止桥梁水毁事故的发生[13，15-16]。

(1)验算冲刷后桩基承载力，若承载力不足，可采取加桩的方式，如横向加桩、竖向加桩或两者结合等方法，提高桩基承载力；

(2)对露筋的桩基础表面可以采取植筋、混凝土包裹等方式处理，防止侵蚀进一步发展；

(3)加强养护和检测，并严禁桥址附近的采砂作业，防止河床下切；

(4)承台周围布置防冲刷桩，减小对桩基的影响；

(5)冲刷范围内可以对河床处理，如混凝土铺砌等，但需考虑经济问题，应结合实际情况处理。

上述措施主要是针对冲刷已导致既有桥梁桩基础出现病害时采取的，工程中可根据冲刷造成病害的不同程度，并考虑经济性、可行性等方面做出处理，提高基础承载力，进而达到防止病害进一步发展的目的。

3桥梁冲刷理论分析方法

3.1　冲刷深度计算

工程设计中，一般将冲刷深度进行简化计算，即分别计算一般冲刷深度和局部冲刷深度，二者之和即总冲刷深度[17]。国内外对于一般冲刷和局部冲刷已有不少计算公式，仅就我国相关规范中一般冲刷深度和局部冲刷深度的计算做简略说明。

(1)一般冲刷深度计算[18]

一般冲刷深度是指桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起的最大垂线水深。在我国，《铁路工程水文勘测设计规范》(TB 10017—99)中铁路桥桥下一般冲刷计算用64-1修正式，《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2002)中公路桥梁下一般冲刷用64-1修正式或64-2简化式均可。

(2)局部冲刷深度计算[18]

为了便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一般冲刷后的基础上进行的，即冲刷计算公式中的相关参数采用一般冲刷后的具体参数。《铁路工程水文勘测设计规范》(TB 10017—99)要求非黏性土河床局部冲刷按照65-1修正式计算，《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2002)中局部冲刷既可按65-1修正式计算也可按65-2式计算。

3.2　冲刷对桩基水平承载性状的理论分析方法

3.2.1冲刷条件下桥梁桩基冲刷坑形态的简化

目前为止，可利用的关于冲刷桩行为的研究是很有限的，大多数的研究中将冲刷深度假定为桩无支承长度的增加，移除假定冲刷范围内整层土体[19]，即一般冲刷模型，如图2所示[20]。亦有研究人员考虑冲刷坑尺寸因素，不仅考虑冲刷深度，同时考虑了冲刷宽度、冲刷坡度等因素的影响，即局部冲刷模型，如图3所示[19-20]。

图2　一般冲刷模型

图3　局部冲刷模型

一般冲刷和局部冲刷的冲刷坑形态均是按照均匀冲刷坑来考虑的，与实际冲刷坑形态仍有差别，虽然已有相关研究证明冲刷深度是最主要的影响因素，但目前的试验数据仍很少，需要进一步研究论证。

3.2.2基于p-y曲线的简化模型研究

研究冲刷对桥梁桩基水平承载特性的影响要建立合适的分析模型。诸多学者认为，冲刷过程中水平荷载对于桩基的负面影响是主要的，因此将受冲刷桩基简化为水平受荷桩是比较合理的，并基于水平受荷桩的p-y曲线法进行了大量的研究。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo (2012)基于p-y曲线，针对土壤刚度、桩顶边界条件以及桩长细比等因素对砂土中单桩冲刷条件下的水平承载力进行了研究[21]，从不同方面讨论冲刷对桩基水平承载特性的影响。

马殿滨、李志刚、段梦兰等(2012)，基于冲刷作用下砂土地基土体特性的变化，对平台桩基承载力性状进行了研究，提出冲刷后砂土地基极限土抗力计算公式，并对桩基土抗力p-y曲线进行了修正。分析表明，忽略冲刷后土体特性的变化可能会导致横向受荷桩过于保守设计[22]，该方法考虑了冲刷前后土体经历的应力过程的变化及土体特性的变化，可以更好地反映冲刷前后桩基水平承载特性的变化。

Cheng Lin， Jie Han， et.al.(2014)提出考虑冲刷坑的尺寸效应,研究冲刷条件下砂土中单桩的承载性状，并基于p-y曲线提出了相关的模型，其数值模拟的结果表明，该方法与有限元分析的方法结果吻合很好，有一定的工程应用意义[23]。

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons(2009)在研究群桩受冲刷时的性状，提出了利用等效单桩法来分析群桩的冲刷性状，对等效单桩的p-y曲线进行了修正，分析群桩冲刷后的承载性状[24]，该方法将等效单桩法与p-y曲线相结合，对研究群桩的冲刷性状有一定的指导意义。

3.2.3其他简化方法

国内外研究人员除了在基于p-y曲线法研究冲刷条件下的桩基之外，还提出了以下几种简化方法[19]。

第一种简化方法是单桩在特定的边界条件下进行冲刷，如单桩与大地铰接或固定连接。Daniels发表了一系列关于桥梁桩基冲刷的文章，研究中桩与大地铰接的情形[25-26]，但该条件下的单桩与实际情况存在一定偏差，且没有对冲刷性状做详细的研究。

第二种简化方法是将桩基础视为有一定埋深且桩底固定的独立桩，通过增加桩基础的无支撑长度来考虑冲刷对单桩的影响，并可利用方程来求出不同类型土体中桩底固定点的位置[27-28]。

第三种方法是考虑桩-土相互作用，利用离散的非线性土弹簧模型来模拟，提出一种冲刷条件下群桩承载特性的三维分析方法，该方法通过土体刚度的减小来考虑冲刷的影响[29-30]。

3.2.4简化分析方法的若干讨论

总结冲刷对桩基水平承载特性影响的理论简化方法，可以得到几点结论。

(1)基于p-y曲线研究桩基的水平承载特性，该方法得到了较为理想的结果，但是冲刷条件下的p-y曲线缺少试验数据来提供其合理化参数。

(2)其他简化方法中，简化方法一、二，虽然也对桩基水平承载特性的研究进行了简化，但与实际情况有一定偏差，具有一定的局限性。而简化方法三，利用土弹簧来模拟桩-土相互作用，通过土体刚度的减小来模拟冲刷，而冲刷前后土体刚度的确定需要试验数据提供，实现起来较为困难。

(3)无论是哪种简化方法，都仍需要现场试验、模型试验、数值模拟来论证其合理性。

3.3　冲刷对桩基竖向响应的理论分析方法

从以往的研究来看，大部分学者认为冲刷过程中水平荷载对桩基的不利影响主要，研究重点大都为冲刷对桩基的水平响应，而忽略了对桩基竖向承载性状的研究。目前，冲刷对桥梁桩基的影响还处在初级阶段，对其理论简化方法仍需要继续研究。

4数值分析方法

4.1　冲刷对桥梁桩基础水平承载特性的影响

桥梁桩基础在水流冲刷作用下，特别是洪水的冲刷，其水平荷载对桥梁桩基础起控制作用，因此，研究人员对冲刷条件下桥梁基础的水平承载特性进行了初步的研究。

陈鹏、李文华与范涛等针对河水冲刷导致的桥梁桩基土体的流失与淤积及产生的边界条件的变化，采用FLAC3D通过对一承台四桩体模型的三维有限差分的计算，得到相应应力和位移变化的定量关系。结果表明：冲刷对桩体产生的作用较为明显，竖向位移、水平位移和应力都有较大程度的改变。尤其桩体在水平方向上的位移对桩的安全影响很大[31]。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo采用基于p-y曲线法的LPILE PLUS程序分析均匀砂土中单桩-土模型的水平响应。考虑土壤刚度、桩头固定条件以及桩长细比等因素，采用保守方式不考虑剩余砂土应力历史的影响，通过慢慢移除桩周砂土来研究不同冲刷深度对桩水平承载性状的影响。研究结果表明：当冲刷深度达到桩径的1.3～2.4倍时桩水平承载力下降50%，桩头被固定的桩更能抵抗水平负载损失，且对短桩来说冲刷引起的水平承载力降低更为严重[21]。

陈稳对竹埠港大桥利用ANSYS建立了全桥模型，分别对大桥左幅11号墩～19号墩柱桩基埋深被冲刷0%(完整状态)、10%、15%，以及极端状况冲刷50%等不同冲刷状况下进行船舶碰撞力作用下的动力响应分析。计算得到了反映桥墩水平承载力的墩顶位移及墩身应力，结果表明：桥墩冲刷状况对墩顶位移及墩身应力的影响呈非线性；当桥墩冲刷深度达到50%时，竹埠港大桥在遭遇船舶撞击的情况下，最大墩顶位移接近规范允许最大值。如果冲刷状况继续恶劣，桥墩水平承载力不足以抵抗船撞力，将对全桥稳定性和安全性造成严重威胁[2]。

Cheng Lin， Jie Han，等利用FLAC3D建立三维有限元模型(图4)，所建立的模型用以评估砂土中冲刷坑尺寸对桩基的水平受荷响应。计算结果表明，与冲刷坑宽度和坡度相比，冲刷深度是影响桩承载特性的最主要因素。基于参数敏感性分析来研究冲刷引起的桩水平位移，移除冲刷范围内整个土层模型计算结果比考虑三维冲刷坑尺寸的模型结果大49%～68%[23]。

图4　考虑冲刷坑尺寸的有限元模型

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons基于等效单桩法和p-y曲线，利用LPILE 5.0来分析冲刷对群桩水平承载特性的影响。研究了堪萨斯45号大桥的桩基础受冲刷后的水平响应，分析了冲刷深度和桩顶约束条件对桩顶总位移以及桩身挠曲的影响。研究结果表明，冲刷可降低群桩的水平承载力，尤其当冲刷深度达到桩顶以下时。此外，冲刷改变了群桩的挠曲影响深度、弯矩和剪力分布[24]。

胡丹，李芬，张开银采用FLAC3D软件分析冲刷角、桩顶固定方式和不同冲刷深度下单桩的水平承载力性状的变化，得到如下结论：不同冲刷坡角，桩基承载力受冲刷范围的影响不明显；桩头固定有利于减小冲刷对桩基承载力的影响[32]。

综上所述，影响冲刷后桩基水平承载特性的因素如下：冲刷深度、桩头固定条件、桩长细比、土壤刚度、冲刷后土体参数的变化、土体应力历史的影响、冲刷宽度和冲刷坡度等。其中，冲刷深度是冲刷坑尺寸的主要因素。

目前，冲刷条件下，桥梁桩基础、桥墩等水平承载特性的数值分析研究大多是基于水平受荷桩的p-y曲线，对单桩水平承载特性的研究，其结果与实际情况较为吻合。但是目前对冲刷条件下群桩水平承载特性的数值分析仍很少，后续研究需要进行大量的数值分析。

4.2　冲刷对桥梁桩基础竖向承载特性的影响

桥梁冲刷造成的水毁事故中，由于桥梁桩基础竖向承载力不足而造成的事故越来越多，这就使得研究人员不仅关心桩基础的水平承载特性，而且更加重视桥梁桩基的竖向承载特性的研究。

王成华、高江林、闫澍旺等人利用三维非线性有限元程序分析群桩基础受冲刷条件下的竖向承载性状，提出开挖的方法模拟土体冲刷，通过调整接触单元和土体单元的刚度来分析冲刷后桩基承载特性的变化规律，并指出冲刷后桩的回弹效应不可忽视。在工程实际设计计算中，对于存在水流冲刷的情况，应优先考虑端承型桩基础；对于桩端土较软的摩擦桩，应特别注意在冲刷后桩端土是否满足承载要求，采取合理方案，防止刺入破坏[10，33-34]。

梁锴、方理刚与段靓靓提出了桥墩在各种不同冲刷程度下，通过改变基底的支承方式模拟基础底部被淘空的途径，应用有限元方法进行基底压力和墩顶位移计算分析的方法。该方法可分析墩顶最大横向、纵向、竖向位移等因素引起基础的各种变形与应力的变化，为受冲刷桥墩的稳定性分析提供了有力的依据[8]。

曲广琇、康家涛与王华等进行了资水大桥受冲刷墩台基础的地基承载力试验，从基底被冲刷淘空后引起的墩台地基不均匀沉降入手，应用弹性半空间地基模型和Matlab编制的计算程序分析计算了基底不同冲刷淘空面积对桥墩顶弹性位移和基底压应力的影响，从而得到了在不同冲刷程度下桥梁的整体稳定的情况[35]。

薛九天、王伟与杨敏预测了单桩基础周围泥沙冲刷深度，指出冲刷对桩基础竖向承载性能影响不可忽视。对比分析了冲刷前后桩基础竖向承载力与竖向沉降，结果表明冲刷后桩基础承载性能明显减弱，沉降值明显增大。因此，在海上风电机桩基础设计中，应充分考虑冲刷作用对桩基础承载性能的影响，必要时应增加防冲刷措施[36]。

王楠、徐永臣与宋玉鹏等利用有限元中的生死单元功能，即将冲刷范围内土体“杀死”，来分析冲刷作用对桩基竖向承载力的影响。结果表明，冲刷作用对桩基承载力产生显著的不利影响，造成持力层有效厚度减小及桩靴入土深度变浅，进而导致桩基承载力下降，需要在工程中予以足够的重视，及时采取工程处理措施来预防应对[37]。

陈稳选取竹埠港湘江大桥冲刷最为严重的右幅10号墩作为研究对象，建立其空间有限元分析模型。依据水下检测资料，模拟其墩身损伤，对桥墩竖向极限承载力进行非线性有限元分析。计算结果表明:冲刷造成的墩身损伤导致10号墩竖向承载力与完好墩相比损失了20%左右[2]。

Liang Fa-Yun， Wang Ya-qiang， Han Jie 利用ABAQUS软件对冲刷条件下桩基的承载力进行了分析，研究了局部冲刷和一般冲刷对桩基的影响。一般冲刷与局部冲刷的有限元模型如图5所示，得出如下结论：冲刷对桩基础的竖向承载力有一定的负面影响；相对于一般冲刷而言，局部冲刷对桩的影响性状较小，冲刷的影响依赖于冲刷宽度[38]。

图5　单桩冲刷问题有限元模型

李全辉利用ABAQUS有限元分析软件，引入模拟开挖的思想，将土体冲刷过程看作开挖土体的过程，考虑冲刷坑的深度、宽度、坡度等的影响(图6)，并针对土体刚度、桩长细比等因素分析了高、低承台单桩基础遭受冲刷过程中，不同工况条件下，桩侧摩阻力及桩身轴力的变化规律。分析结果表明，冲刷深度是影响桩基竖向承载特性的最主要因素；冲刷完成后，短桩的竖向极限承载力损失程度更大、桩基础更容易失效，增大桩径有利于减缓桩基由冲刷导致的竖向承载力降低的趋势，但效果不明显[20]。

图6　三维有限元模型

综上所述，影响冲刷后桩基竖向承载特性的因素：冲刷深度、土体刚度、桩长细比、冲刷宽度、冲刷坡度等因素，且冲刷深度仍为冲刷坑的主要因素。

现阶段，冲刷对桥梁桩基础、桥墩等竖向承载特性的数值模拟，其冲刷坑形态主要以均匀冲刷为前提，但是这与实际情况并不完全相符。不同的冲刷坑形态对桥梁基础竖向承载特性的研究，仍待大量的数值分析来探讨，且目前的研究工作主要集中于单桩，对群桩竖向承载特性的研究是后续工作的重点。

5桥梁冲刷的模型试验研究

桥梁冲刷的模型试验研究也是研究冲刷对桥梁桩基承载力影响的重要方法之一，研究人员进行了相关的模型试验研究。

Yu Qing-quan， Gong Wei-ming研究了由16根桩组成的群桩模型试验，如图7所示，分别测试了在冲刷前、后群桩的竖向极限承载力，详细分析Q-S曲线、轴力、荷载传递、侧摩阻力和端阻力分布的规律。试验得到如下结论：(1)细砂中群桩冲刷前、后的Q-S曲线都有陡降段；(2)冲刷前、后桩侧和桩端摩阻力，在极限状态下，几乎相同；(3)有刚性承台的群桩，各桩承担荷载的递减顺序为：角桩、边桩、中间桩[39]。

图7　群桩冲刷前后图示

梁发云、李彦初与陈海兵通过模型试验对高铁桥梁单桩基础进行静载试验和循环加载试验，探讨了不同冲刷深度下单桩循环累积沉降和动位移幅值的发展规律.研究结果表明：桩基循环累积沉降随冲刷深度增加而增加，对于冲刷深度较小的桩，循环累积沉降和沉降平均速率在较少的循环次数内即可趋于稳定；而对于冲刷深度较大的桩，循环累积沉降大且发展较快，达到稳定需要的时间长，甚至持续发展以致破坏，在实际工程中应重视长期循环累积沉降对其承载特性的影响[40]。

胡丹，李芬，张开银通过自行设计加工的水平加载装置，考虑冲刷深度，利用开挖的方法进行了一系列不同冲刷深度下的桩基室内模型试验。试验结果表明：桩基水平极限承载力随着冲刷深度的增加呈减小趋势，当冲刷深度超过8倍桩径时，水平极限承载力下降曲线趋于平缓[32]。

梁发云，王琛，王玉等通过波流水槽试验，对黏性-砂性土层的局部冲刷机理进行了研究，并对比分析了冲刷对单桩、双桩在砂性土及黏性-砂性土两种不同土性的结果。试验结果表明，黏性-砂性土层中的冲刷比单一砂性土层的最终冲刷深度小；且黏性-砂性土分层的冲刷曲线存在临界转折点，该临界点前后冲刷速率发生明显变化，这种突变在工程中存在着安全隐患[41]。

河流冲刷对桩基础承载特性影响的试验，国内外研究甚少，试验过程中可能遇到的各种各样的问题，如冲刷过程的模拟是否考虑水流的作用，冲刷坑的形成是否除了开挖还有更好的模拟方法，对桩顶位移的测量精度是否能够满足要求等等，这些都是在今后的模型试验或现场试验有待解决的。

6结论及展望

6.1　结论

冲刷对桥梁墩台、桩基础带来的安全隐患是不容忽视的，现在越来越受到学术界与工程界的重视。综上所述，可得到如下结论。

(1)冲刷对桥梁桩基础水平承载特性的理论分析方法及数值分析方法多数基于p-y曲线，而对于竖向承载特性的简化方法仍需进一步研究。

(2)由大量的数值分析，可以得出影响桥梁基础承载特性的因素：冲刷深度、桩头固定条件、桩长细比、土壤刚度、冲刷宽度和冲刷坡度等。其中，冲刷深度是冲刷坑尺寸的主要因素。

(3)通过冲刷对桥梁桩基础承载性状影响的模型试验，得出冲刷后桥梁桩基础承载性状的变化规律。

6.2　展望

通过对已有文献的评述，研究冲刷对桥梁基础存在的问题，可以做出如下展望。

(1)冲刷条件下桥梁基础竖向承载性状实用理论分析方法有待于改进及加强。

(2)桥梁冲刷的常规模型试验有很大局限性，建议今后能结合工程开展足尺试验来更好地研究冲刷过程，同时应开展冲刷的现场监测工作。

(3)冲刷过程是动态的，而冲刷试验往往采用开挖的方法来模拟，且为静态试验，故急需开展模拟动态冲刷过程的研究。

(4)目前桥梁基础冲刷问题的研究主要在单桩承载性状的方面，今后应重点开展在冲刷条件下群桩承载性状研究。

(5)要评估桥梁的安全性能，就需要采用桥梁上部结构-基础-地基相互作用的方法来分析冲刷条件下桥梁的工作性状。

参考文献：

[1]Richardson E V， Davis S R. Evaluating scour at bridges. Publication No. FHWA NHI01-001， Hydraulic Engineering Circular NO.18， Federal Highway Administration， U.S. Department of Transportation. 2001.

[2]陈稳.河流冲刷对既有桥梁墩台承载力影响的研究[D].长沙：中南大学，2013.

[3]Lagasse P F， Clopper P E， Zevenbergen L W， et al. National cooperative highway research program (NCHRP Repot 593): countermeasures to protect bridge piers from scour[R]. Washington D C: Transportation Research Board， 2007.

[4]刘震卿.桥梁墩台局部冲刷与CFD仿真研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[5]詹磊，董耀华，惠晓晓.桥墩局部冲刷研究综述[J].水利水电科技，2007(9)：27-30.

[6]周玉利，王亚玲.桥墩局部冲刷深度的预测[J].西安公路交通大学学报，1999，19(4)：161-168.

[7]Richard Avent R，Alawady Mohamed. Bridge scour and substructure deterioration: case study[J]. Journal of Bridge Engineering，ASCE，2005，10(3)：247-254.

[8]梁锴，方理刚，段靓靓.冲刷对桥墩稳定性影响的有限元分析[J].岩土力学，2006，27(9)：1643-1645.

[9]Peggy A J，Denial A D. Probabilistic bridge Scour estimates[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1998，124(7)：750-754.

[10]闫澍旺，高江林，王成华.水流冲刷对桩基承载性状的数值模拟[J].岩土力学，2009，30(5)：1458-1464.

[11]郑从信.桥墩冲刷保护机构之现地试验与探讨[D].台北：成功大学，2007.

[12]孟庆峰.桥渡局部冲深度预测方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[13]宋春霞，马晔，杨宇，等.桥梁水中桩基病害分析与防治[J].公路交通科技：应用技术版，2012(7):41-43.

[14]康家涛.冲刷对桥墩安全性的影响研究[D].长沙：中南大学，2008.

[15]操川.高速公路桥梁桩基冲刷加固处理[J].桥梁与隧道工程，2014：116117.

[16]黎泰良.桥墩桩基冲刷病害加固设计研究[J].福建建筑，2012(7)：60-63.

[17]齐梅兰.采砂河床桥墩冲刷研究[J].水力学报，2005，36(7)：835-838.

[18]张玉娥.桥渡设计[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[19]Liang Fa-yun. A literature review on behavior of scoured piles under bridges[J]. International Foundation Congress and Equipment Expo， 2009:482-488.

[20]李全辉.河道冲刷对既有桥梁单桩基础竖向承载性状影响的数值分析[D].天津：天津大学，2014.

[21]Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo. Numerical investigation of the scouring effect on the lateral response of piles in sand[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2012，26:320-325.

[22]马殿滨，李志刚，段梦兰,等.冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究[J].石油机械，2012，6(40)：54-58.

[23]Cheng Lin， Jie Han， et al. Analysis of laterally loaded piles in sand considering scour hole dimensions[J]. Geotechanical Geoenvironmental， 2014，140(04014024):1-13.

[24]Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons. Evaluation of behavior of a laterally loaded bridge pile group under scour conditions [J]. Structures Congress， ASCE， 2009:290-299.

[25]Daniels, Hughes. Effects of pile bent geometry and levels of scour and P loads on bent pushover load in extreme flood/scour events [J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction， 2007，12(2):122-134.

[26]Hughes， Ramey， Hughes. Bridge pile bent number of piles and X-bracing on system: Impact on pushover capacity as scour increases [J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction， 2007，12(2):82-95.

[27]Davisson M T， Robinson K E. Bending and buckling of partially embedded piles[J]. Proc. 6thInternational Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering， 3:243-246.

[28]Ferdous. Pile capacity utilization for bridge bents designed using simplified procedures[J]. Master’s Thesis. Louisiana State University， Baton Rouge.

[29]Li. Displacement analysis of scoured pile foundation un-der lateral loading[J]. National Cheng Kung University， Tainan City (in Chinese).

[30]Jeong， Won. Analysis of pile groups considering riverbed scouring[J]. First International Conference on Scour of Foundations ICSF-1， Texas.

[31]陈鹏，李文华，范涛,等.土体冲刷对桥梁桩基影响的三维差分模拟计算分析[J].山东科技大学学报：自然科学版，2007(10):23-26.

[32]胡丹，李芬，张开银.冲刷作用下单桩水平承载特性试验研究及数值模拟[J].水利学报，2015(S1):263-266.

[33]王成华，高江林，高文梅.群桩在水流冲刷影响下的承载性状研究[J].低温建筑技术，2006(3):60-63.

[34]高江林.水流冲刷对群桩承载性状影响的研究[D].天津：天津大学，2006.

[35]曲广琇，康家涛，王华,等.受冲刷桥梁墩台基础地基承载力试验与墩台稳定性研究[J].公路工程，2008，33(4):61-66.

[36]薛九天，王伟，杨敏. 海水冲刷效应对海上风机桩基承载性能的研究[J].建筑科学，2012，28(S1)：84-88.

[37]王楠，徐永臣，宋玉鹏,等.冲刷作用下桩基承载力分析[J].海洋地质前沿，2013，29(9)：54-58.

[38]Liang Fayun， Wang Yaqiang， Han Jie. Numerical analysis of scouring effects on the behavior of pile foundations with the Mohr-Coulomb Model [J]. Geotechnical Special Publication No. 214 © ASCE, 2011:82-87.

[39]Yu Qingquan， Gong Weiming. Test research on the influence of pile group vertical bearing characteristic due to water scouring, 2011 IEEE: 808-811.

[40]梁发云，李彦初，陈海兵.冲刷作用下单桩循环加载特性的模型试验[J].同济大学学报：自然科学版，2014，42(10)：1511-1515.

[41]梁发云，王琛，王玉，等.黏性-砂性土层中群桩基础冲刷特性波流水槽试验研究[J].水利学报，2015(S1):79-83.

Current Development in Behavior Study of Pile Foundation of Bridge Subject to Scouring

WANG Cheng-hua， GAO Yang， LI Quan-hui

(School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China)

Abstract：Soil erosion caused by scour occurs around pile foundation of bridge and may reduce the capacity of foundations and even lead to failure of bridge. Even though many researches focus on the behavior of pile foundation subject to scouring and few are involved in the evaluation of the effect of scouring on pile foundation. However， more attentions have been paid by academic and engineering experts. Based on defects of piers， abutments and pile foundations caused by scouring， this paper focuses on the lateral and vertical bearing behavior of pile foundation subject to scouring with theoretical researches， numerical analyses and model tests， and concludes that more systematic investigations to develop more reasonable theoretical methods are now badly needed. A large amount of research works on the behavior of pile foundation， numerical analysis， model tests and even field tests should be embarked on to lay the foundation for practical methods of evaluating the safety of bridge subjected to scouring.

Key words：Pile foundation of bridge; Scour; Theoretical Analysis; Numerical analysis; Model test

作者简介：王成华(1959—)，男，教授，工学博士，主要从事岩土工程方

基金项目：国家自然科学基金项目(51478313，50978182)

收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-09

中图分类号：U445.55+1

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.013

文章编号：1004-2954(2016)01-0059-07