沖刷條件下既有橋梁樁基礎(chǔ)工作性狀研究進(jìn)展

王成華，高　洋，李全輝

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津　300072)

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沖刷條件下既有橋梁樁基礎(chǔ)工作性狀研究進(jìn)展

王成華，高洋，李全輝

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072)

摘要：水流沖刷可導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)周?chē)馏w受到侵蝕，其后果輕則降低樁基礎(chǔ)承載力，重則導(dǎo)致整座橋梁坍塌。盡管有關(guān)橋梁樁基礎(chǔ)沖刷的研究很多，而涉及如何評(píng)價(jià)沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀影響的研究卻較少，但正在受到學(xué)術(shù)界與工程界的高度重視。在分析由沖刷引起橋墩、橋臺(tái)及樁基病害的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面評(píng)述沖刷條件下，樁基水平和豎向承載性狀的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，認(rèn)為急需更多系統(tǒng)性的研究以探求合理的理論分析方法。因而，有必要進(jìn)行大量的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)甚至是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)研究樁基的沖刷性狀，進(jìn)而為找到分析沖刷對(duì)整座橋梁結(jié)構(gòu)安全性能影響的實(shí)用評(píng)估方法提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基礎(chǔ)；沖刷；理論分析；數(shù)值分析；模型試驗(yàn)

面教學(xué)與科研工作，E-mail:chwang@tju.edu.cn。

1概述

沖刷是導(dǎo)致橋梁毀壞的主要原因之一。近些年，隨著高速鐵路和重載高速交通的發(fā)展，我國(guó)所建鐵路、公路跨河跨海的大型橋梁，多數(shù)采用深水群樁基礎(chǔ)，其體積、阻水面積均較大，在循環(huán)荷載和沖刷的作用下，使得樁基礎(chǔ)承載性狀顯著變化，由此可能引起橋梁毀壞和基礎(chǔ)裸露等嚴(yán)重安全隱患。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)沖刷造成的毀壞進(jìn)行了調(diào)查研究。2001年，美國(guó)“橋梁沖刷計(jì)算”報(bào)告中指出，在過(guò)去的30年中，美國(guó)有1 000座橋梁遭到破壞，其中，有60%的毀壞是由于沖刷導(dǎo)致的[1-2]。Wardhana和Hadipriono研究了1989年至2000年間美國(guó)的503次橋梁毀壞，其中與水流沖刷相關(guān)的事故高達(dá)243次[3]。2010年，湖南省高速公路管理局對(duì)320余座橋梁進(jìn)行了水下檢測(cè)，檢查結(jié)果表明：大多數(shù)橋梁墩臺(tái)存在不同程度的沖刷現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著橋梁結(jié)構(gòu)安全和使用者的安全，沖刷導(dǎo)致的橋梁損壞或破壞具有高隱蔽性，一旦破壞修復(fù)成本巨大[2]。由此可見(jiàn)，沖刷是導(dǎo)致橋梁毀壞、坍塌的主要原因之一。

目前，研究人員對(duì)橋梁的沖刷行為及最大沖刷深度的預(yù)測(cè)做了大量的研究[4-6]，但已有的研究主要集中在沖刷現(xiàn)象本身，如沖刷機(jī)理、沖刷坑的模擬等，主要研究?jī)?nèi)容體現(xiàn)在三方面：基礎(chǔ)范圍土體沖刷深度及范圍、局部沖刷坑的確定；水流沖刷作用力對(duì)地下結(jié)構(gòu)物的影響；水流沖刷對(duì)基礎(chǔ)的侵蝕作用[7-10]。然而，針對(duì)沖刷敏感性橋梁，如何評(píng)估沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)甚至整座橋梁承載性狀、安全性、穩(wěn)定性等的影響卻十分有限，其中涉及沖刷前后樁基礎(chǔ)荷載傳遞、承載性狀變化等機(jī)制仍不夠清楚，這方面研究勢(shì)在必行。

綜上所述，研究河流沖刷對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)的影響意義重大。在分析由沖刷引起橋墩、橋臺(tái)及樁基病害的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面評(píng)述沖刷條件下，樁基礎(chǔ)水平和豎向承載性狀變化的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，并對(duì)研究提出進(jìn)一步建議。

2橋梁樁基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題描述

2.1　橋梁樁基礎(chǔ)沖刷類(lèi)型

建橋后，除河床的自然演變外，還有橋梁孔徑壓縮水流和墩臺(tái)阻擋水流引起的沖刷，各種沖刷交織在一起同時(shí)進(jìn)行，沖刷過(guò)程十分復(fù)雜。為了便于研究，在我國(guó)橋涵水文學(xué)中，將河流沖刷一般分為：自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。其中，自然演變沖刷不是水工結(jié)構(gòu)物造成的沖刷[11]，故此類(lèi)沖刷不是研究的重點(diǎn)。

一般沖刷是因橋孔壓縮，水流單寬通過(guò)量增加，橋孔上下游河床面上的泥沙被急速通過(guò)的水流帶走，導(dǎo)致橋位附近的床面下降的沖刷[12]，一般沖刷在橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生。

局部沖刷，是造成橋梁水毀事故發(fā)生的主要原因。由于橋梁墩、臺(tái)的存在，阻擋了水流的行進(jìn)，改變了結(jié)構(gòu)物的局部流場(chǎng)，引起結(jié)構(gòu)物周?chē)眲〉哪嗌尺\(yùn)動(dòng)，形成局部沖刷坑，使得基礎(chǔ)周?chē)羵?cè)抗力減小，基底應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載性狀的變化，甚至失效。

2.2　沖刷造成橋梁基礎(chǔ)的病害及處理措施

對(duì)于跨?？绾拥拇笮蜆蛄海浠A(chǔ)長(zhǎng)期處于復(fù)雜的水環(huán)境中，在沖刷作用下，使得河床下切，基礎(chǔ)埋置深度減小，從而造成基礎(chǔ)病害，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力降低甚至失效。與沖刷類(lèi)型相對(duì)應(yīng)，沖刷造成的病害亦可以分為一般沖刷病害和局部沖刷病害，見(jiàn)圖1[2]。

圖1　河流沖刷導(dǎo)致的既有橋梁病害

當(dāng)河流長(zhǎng)時(shí)間沖刷橋梁墩臺(tái)時(shí)，不僅會(huì)造成橋梁墩臺(tái)本身的破損，還會(huì)出現(xiàn)樁頭外露、水蝕縮徑、樁頭銹斑、樁頭外漏、鋼筋籠偏位銹蝕等病害[13]，導(dǎo)致樁的控制彎矩增加，降低樁基的承載力。

當(dāng)出現(xiàn)橋梁墩臺(tái)基底被淘空時(shí)，因其墩臺(tái)基礎(chǔ)受力面積發(fā)生變化，基底應(yīng)力將會(huì)重新分布，并導(dǎo)致橋梁墩(臺(tái))身及基礎(chǔ)的承載力變化。因此需要對(duì)承載力進(jìn)行重新驗(yàn)算，以評(píng)估沖刷發(fā)生后橋墩的安全性和穩(wěn)定性[14]。

針對(duì)沖刷已造成的橋梁基礎(chǔ)病害，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例，可采取以下措施來(lái)改變沖刷后基礎(chǔ)的承載性狀，防止橋梁水毀事故的發(fā)生[13，15-16]。

(1)驗(yàn)算沖刷后樁基承載力，若承載力不足，可采取加樁的方式，如橫向加樁、豎向加樁或兩者結(jié)合等方法，提高樁基承載力；

(2)對(duì)露筋的樁基礎(chǔ)表面可以采取植筋、混凝土包裹等方式處理，防止侵蝕進(jìn)一步發(fā)展；

(3)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和檢測(cè)，并嚴(yán)禁橋址附近的采砂作業(yè)，防止河床下切；

(4)承臺(tái)周?chē)贾梅罌_刷樁，減小對(duì)樁基的影響；

(5)沖刷范圍內(nèi)可以對(duì)河床處理，如混凝土鋪砌等，但需考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況處理。

上述措施主要是針對(duì)沖刷已導(dǎo)致既有橋梁樁基礎(chǔ)出現(xiàn)病害時(shí)采取的，工程中可根據(jù)沖刷造成病害的不同程度，并考慮經(jīng)濟(jì)性、可行性等方面做出處理，提高基礎(chǔ)承載力，進(jìn)而達(dá)到防止病害進(jìn)一步發(fā)展的目的。

3橋梁沖刷理論分析方法

3.1　沖刷深度計(jì)算

工程設(shè)計(jì)中，一般將沖刷深度進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，即分別計(jì)算一般沖刷深度和局部沖刷深度，二者之和即總沖刷深度[17]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于一般沖刷和局部沖刷已有不少計(jì)算公式，僅就我國(guó)相關(guān)規(guī)范中一般沖刷深度和局部沖刷深度的計(jì)算做簡(jiǎn)略說(shuō)明。

(1)一般沖刷深度計(jì)算[18]

一般沖刷深度是指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計(jì)水位算起的最大垂線水深。在我國(guó)，《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017—99)中鐵路橋橋下一般沖刷計(jì)算用64-1修正式，《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2002)中公路橋梁下一般沖刷用64-1修正式或64-2簡(jiǎn)化式均可。

(2)局部沖刷深度計(jì)算[18]

為了便于分析計(jì)算，假定橋墩局部沖刷是在一般沖刷后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即沖刷計(jì)算公式中的相關(guān)參數(shù)采用一般沖刷后的具體參數(shù)?！惰F路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017—99)要求非黏性土河床局部沖刷按照65-1修正式計(jì)算，《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2002)中局部沖刷既可按65-1修正式計(jì)算也可按65-2式計(jì)算。

3.2　沖刷對(duì)樁基水平承載性狀的理論分析方法

3.2.1沖刷條件下橋梁樁基沖刷坑形態(tài)的簡(jiǎn)化

目前為止，可利用的關(guān)于沖刷樁行為的研究是很有限的，大多數(shù)的研究中將沖刷深度假定為樁無(wú)支承長(zhǎng)度的增加，移除假定沖刷范圍內(nèi)整層土體[19]，即一般沖刷模型，如圖2所示[20]。亦有研究人員考慮沖刷坑尺寸因素，不僅考慮沖刷深度，同時(shí)考慮了沖刷寬度、沖刷坡度等因素的影響，即局部沖刷模型，如圖3所示[19-20]。

圖2　一般沖刷模型

圖3　局部沖刷模型

一般沖刷和局部沖刷的沖刷坑形態(tài)均是按照均勻沖刷坑來(lái)考慮的，與實(shí)際沖刷坑形態(tài)仍有差別，雖然已有相關(guān)研究證明沖刷深度是最主要的影響因素，但目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍很少，需要進(jìn)一步研究論證。

3.2.2基于p-y曲線的簡(jiǎn)化模型研究

研究沖刷對(duì)橋梁樁基水平承載特性的影響要建立合適的分析模型。諸多學(xué)者認(rèn)為，沖刷過(guò)程中水平荷載對(duì)于樁基的負(fù)面影響是主要的，因此將受沖刷樁基簡(jiǎn)化為水平受荷樁是比較合理的，并基于水平受荷樁的p-y曲線法進(jìn)行了大量的研究。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo (2012)基于p-y曲線，針對(duì)土壤剛度、樁頂邊界條件以及樁長(zhǎng)細(xì)比等因素對(duì)砂土中單樁沖刷條件下的水平承載力進(jìn)行了研究[21]，從不同方面討論沖刷對(duì)樁基水平承載特性的影響。

馬殿濱、李志剛、段夢(mèng)蘭等(2012)，基于沖刷作用下砂土地基土體特性的變化，對(duì)平臺(tái)樁基承載力性狀進(jìn)行了研究，提出沖刷后砂土地基極限土抗力計(jì)算公式，并對(duì)樁基土抗力p-y曲線進(jìn)行了修正。分析表明，忽略沖刷后土體特性的變化可能會(huì)導(dǎo)致橫向受荷樁過(guò)于保守設(shè)計(jì)[22]，該方法考慮了沖刷前后土體經(jīng)歷的應(yīng)力過(guò)程的變化及土體特性的變化，可以更好地反映沖刷前后樁基水平承載特性的變化。

Cheng Lin， Jie Han， et.al.(2014)提出考慮沖刷坑的尺寸效應(yīng),研究沖刷條件下砂土中單樁的承載性狀，并基于p-y曲線提出了相關(guān)的模型，其數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該方法與有限元分析的方法結(jié)果吻合很好，有一定的工程應(yīng)用意義[23]。

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons(2009)在研究群樁受沖刷時(shí)的性狀，提出了利用等效單樁法來(lái)分析群樁的沖刷性狀，對(duì)等效單樁的p-y曲線進(jìn)行了修正，分析群樁沖刷后的承載性狀[24]，該方法將等效單樁法與p-y曲線相結(jié)合，對(duì)研究群樁的沖刷性狀有一定的指導(dǎo)意義。

3.2.3其他簡(jiǎn)化方法

國(guó)內(nèi)外研究人員除了在基于p-y曲線法研究沖刷條件下的樁基之外，還提出了以下幾種簡(jiǎn)化方法[19]。

第一種簡(jiǎn)化方法是單樁在特定的邊界條件下進(jìn)行沖刷，如單樁與大地鉸接或固定連接。Daniels發(fā)表了一系列關(guān)于橋梁樁基沖刷的文章，研究中樁與大地鉸接的情形[25-26]，但該條件下的單樁與實(shí)際情況存在一定偏差，且沒(méi)有對(duì)沖刷性狀做詳細(xì)的研究。

第二種簡(jiǎn)化方法是將樁基礎(chǔ)視為有一定埋深且樁底固定的獨(dú)立樁，通過(guò)增加樁基礎(chǔ)的無(wú)支撐長(zhǎng)度來(lái)考慮沖刷對(duì)單樁的影響，并可利用方程來(lái)求出不同類(lèi)型土體中樁底固定點(diǎn)的位置[27-28]。

第三種方法是考慮樁-土相互作用，利用離散的非線性土彈簧模型來(lái)模擬，提出一種沖刷條件下群樁承載特性的三維分析方法，該方法通過(guò)土體剛度的減小來(lái)考慮沖刷的影響[29-30]。

3.2.4簡(jiǎn)化分析方法的若干討論

總結(jié)沖刷對(duì)樁基水平承載特性影響的理論簡(jiǎn)化方法，可以得到幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)基于p-y曲線研究樁基的水平承載特性，該方法得到了較為理想的結(jié)果，但是沖刷條件下的p-y曲線缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)提供其合理化參數(shù)。

(2)其他簡(jiǎn)化方法中，簡(jiǎn)化方法一、二，雖然也對(duì)樁基水平承載特性的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但與實(shí)際情況有一定偏差，具有一定的局限性。而簡(jiǎn)化方法三，利用土彈簧來(lái)模擬樁-土相互作用，通過(guò)土體剛度的減小來(lái)模擬沖刷，而沖刷前后土體剛度的確定需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。

(3)無(wú)論是哪種簡(jiǎn)化方法，都仍需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬來(lái)論證其合理性。

3.3　沖刷對(duì)樁基豎向響應(yīng)的理論分析方法

從以往的研究來(lái)看，大部分學(xué)者認(rèn)為沖刷過(guò)程中水平荷載對(duì)樁基的不利影響主要，研究重點(diǎn)大都為沖刷對(duì)樁基的水平響應(yīng)，而忽略了對(duì)樁基豎向承載性狀的研究。目前，沖刷對(duì)橋梁樁基的影響還處在初級(jí)階段，對(duì)其理論簡(jiǎn)化方法仍需要繼續(xù)研究。

4數(shù)值分析方法

4.1　沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)水平承載特性的影響

橋梁樁基礎(chǔ)在水流沖刷作用下，特別是洪水的沖刷，其水平荷載對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)起控制作用，因此，研究人員對(duì)沖刷條件下橋梁基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行了初步的研究。

陳鵬、李文華與范濤等針對(duì)河水沖刷導(dǎo)致的橋梁樁基土體的流失與淤積及產(chǎn)生的邊界條件的變化，采用FLAC3D通過(guò)對(duì)一承臺(tái)四樁體模型的三維有限差分的計(jì)算，得到相應(yīng)應(yīng)力和位移變化的定量關(guān)系。結(jié)果表明：沖刷對(duì)樁體產(chǎn)生的作用較為明顯，豎向位移、水平位移和應(yīng)力都有較大程度的改變。尤其樁體在水平方向上的位移對(duì)樁的安全影響很大[31]。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo采用基于p-y曲線法的LPILE PLUS程序分析均勻砂土中單樁-土模型的水平響應(yīng)?？紤]土壤剛度、樁頭固定條件以及樁長(zhǎng)細(xì)比等因素，采用保守方式不考慮剩余砂土應(yīng)力歷史的影響，通過(guò)慢慢移除樁周砂土來(lái)研究不同沖刷深度對(duì)樁水平承載性狀的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)沖刷深度達(dá)到樁徑的1.3～2.4倍時(shí)樁水平承載力下降50%，樁頭被固定的樁更能抵抗水平負(fù)載損失，且對(duì)短樁來(lái)說(shuō)沖刷引起的水平承載力降低更為嚴(yán)重[21]。

陳穩(wěn)對(duì)竹埠港大橋利用ANSYS建立了全橋模型，分別對(duì)大橋左幅11號(hào)墩～19號(hào)墩柱樁基埋深被沖刷0%(完整狀態(tài))、10%、15%，以及極端狀況沖刷50%等不同沖刷狀況下進(jìn)行船舶碰撞力作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析。計(jì)算得到了反映橋墩水平承載力的墩頂位移及墩身應(yīng)力，結(jié)果表明：橋墩沖刷狀況對(duì)墩頂位移及墩身應(yīng)力的影響呈非線性；當(dāng)橋墩沖刷深度達(dá)到50%時(shí)，竹埠港大橋在遭遇船舶撞擊的情況下，最大墩頂位移接近規(guī)范允許最大值。如果沖刷狀況繼續(xù)惡劣，橋墩水平承載力不足以抵抗船撞力，將對(duì)全橋穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重威脅[2]。

Cheng Lin， Jie Han，等利用FLAC3D建立三維有限元模型(圖4)，所建立的模型用以評(píng)估砂土中沖刷坑尺寸對(duì)樁基的水平受荷響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，與沖刷坑寬度和坡度相比，沖刷深度是影響樁承載特性的最主要因素?；趨?shù)敏感性分析來(lái)研究沖刷引起的樁水平位移，移除沖刷范圍內(nèi)整個(gè)土層模型計(jì)算結(jié)果比考慮三維沖刷坑尺寸的模型結(jié)果大49%～68%[23]。

圖4　考慮沖刷坑尺寸的有限元模型

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons基于等效單樁法和p-y曲線，利用LPILE 5.0來(lái)分析沖刷對(duì)群樁水平承載特性的影響。研究了堪薩斯45號(hào)大橋的樁基礎(chǔ)受沖刷后的水平響應(yīng)，分析了沖刷深度和樁頂約束條件對(duì)樁頂總位移以及樁身?yè)锨挠绊?。研究結(jié)果表明，沖刷可降低群樁的水平承載力，尤其當(dāng)沖刷深度達(dá)到樁頂以下時(shí)。此外，沖刷改變了群樁的撓曲影響深度、彎矩和剪力分布[24]。

胡丹，李芬，張開(kāi)銀采用FLAC3D軟件分析沖刷角、樁頂固定方式和不同沖刷深度下單樁的水平承載力性狀的變化，得到如下結(jié)論：不同沖刷坡角，樁基承載力受沖刷范圍的影響不明顯；樁頭固定有利于減小沖刷對(duì)樁基承載力的影響[32]。

綜上所述，影響沖刷后樁基水平承載特性的因素如下：沖刷深度、樁頭固定條件、樁長(zhǎng)細(xì)比、土壤剛度、沖刷后土體參數(shù)的變化、土體應(yīng)力歷史的影響、沖刷寬度和沖刷坡度等。其中，沖刷深度是沖刷坑尺寸的主要因素。

目前，沖刷條件下，橋梁樁基礎(chǔ)、橋墩等水平承載特性的數(shù)值分析研究大多是基于水平受荷樁的p-y曲線，對(duì)單樁水平承載特性的研究，其結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。但是目前對(duì)沖刷條件下群樁水平承載特性的數(shù)值分析仍很少，后續(xù)研究需要進(jìn)行大量的數(shù)值分析。

4.2　沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載特性的影響

橋梁沖刷造成的水毀事故中，由于橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載力不足而造成的事故越來(lái)越多，這就使得研究人員不僅關(guān)心樁基礎(chǔ)的水平承載特性，而且更加重視橋梁樁基的豎向承載特性的研究。

王成華、高江林、閆澍旺等人利用三維非線性有限元程序分析群樁基礎(chǔ)受沖刷條件下的豎向承載性狀，提出開(kāi)挖的方法模擬土體沖刷，通過(guò)調(diào)整接觸單元和土體單元的剛度來(lái)分析沖刷后樁基承載特性的變化規(guī)律，并指出沖刷后樁的回彈效應(yīng)不可忽視。在工程實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)于存在水流沖刷的情況，應(yīng)優(yōu)先考慮端承型樁基礎(chǔ)；對(duì)于樁端土較軟的摩擦樁，應(yīng)特別注意在沖刷后樁端土是否滿足承載要求，采取合理方案，防止刺入破壞[10，33-34]。

梁鍇、方理剛與段靚靚提出了橋墩在各種不同沖刷程度下，通過(guò)改變基底的支承方式模擬基礎(chǔ)底部被淘空的途徑，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行基底壓力和墩頂位移計(jì)算分析的方法。該方法可分析墩頂最大橫向、縱向、豎向位移等因素引起基礎(chǔ)的各種變形與應(yīng)力的變化，為受沖刷橋墩的穩(wěn)定性分析提供了有力的依據(jù)[8]。

曲廣琇、康家濤與王華等進(jìn)行了資水大橋受沖刷墩臺(tái)基礎(chǔ)的地基承載力試驗(yàn)，從基底被沖刷淘空后引起的墩臺(tái)地基不均勻沉降入手，應(yīng)用彈性半空間地基模型和Matlab編制的計(jì)算程序分析計(jì)算了基底不同沖刷淘空面積對(duì)橋墩頂彈性位移和基底壓應(yīng)力的影響，從而得到了在不同沖刷程度下橋梁的整體穩(wěn)定的情況[35]。

薛九天、王偉與楊敏預(yù)測(cè)了單樁基礎(chǔ)周?chē)嗌硾_刷深度，指出沖刷對(duì)樁基礎(chǔ)豎向承載性能影響不可忽視。對(duì)比分析了沖刷前后樁基礎(chǔ)豎向承載力與豎向沉降，結(jié)果表明沖刷后樁基礎(chǔ)承載性能明顯減弱，沉降值明顯增大。因此，在海上風(fēng)電機(jī)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮沖刷作用對(duì)樁基礎(chǔ)承載性能的影響，必要時(shí)應(yīng)增加防沖刷措施[36]。

王楠、徐永臣與宋玉鵬等利用有限元中的生死單元功能，即將沖刷范圍內(nèi)土體“殺死”，來(lái)分析沖刷作用對(duì)樁基豎向承載力的影響。結(jié)果表明，沖刷作用對(duì)樁基承載力產(chǎn)生顯著的不利影響，造成持力層有效厚度減小及樁靴入土深度變淺，進(jìn)而導(dǎo)致樁基承載力下降，需要在工程中予以足夠的重視，及時(shí)采取工程處理措施來(lái)預(yù)防應(yīng)對(duì)[37]。

陳穩(wěn)選取竹埠港湘江大橋沖刷最為嚴(yán)重的右幅10號(hào)墩作為研究對(duì)象，建立其空間有限元分析模型。依據(jù)水下檢測(cè)資料，模擬其墩身?yè)p傷，對(duì)橋墩豎向極限承載力進(jìn)行非線性有限元分析。計(jì)算結(jié)果表明:沖刷造成的墩身?yè)p傷導(dǎo)致10號(hào)墩豎向承載力與完好墩相比損失了20%左右[2]。

Liang Fa-Yun， Wang Ya-qiang， Han Jie 利用ABAQUS軟件對(duì)沖刷條件下樁基的承載力進(jìn)行了分析，研究了局部沖刷和一般沖刷對(duì)樁基的影響。一般沖刷與局部沖刷的有限元模型如圖5所示，得出如下結(jié)論：沖刷對(duì)樁基礎(chǔ)的豎向承載力有一定的負(fù)面影響；相對(duì)于一般沖刷而言，局部沖刷對(duì)樁的影響性狀較小，沖刷的影響依賴(lài)于沖刷寬度[38]。

圖5　單樁沖刷問(wèn)題有限元模型

李全輝利用ABAQUS有限元分析軟件，引入模擬開(kāi)挖的思想，將土體沖刷過(guò)程看作開(kāi)挖土體的過(guò)程，考慮沖刷坑的深度、寬度、坡度等的影響(圖6)，并針對(duì)土體剛度、樁長(zhǎng)細(xì)比等因素分析了高、低承臺(tái)單樁基礎(chǔ)遭受沖刷過(guò)程中，不同工況條件下，樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，沖刷深度是影響樁基豎向承載特性的最主要因素；沖刷完成后，短樁的豎向極限承載力損失程度更大、樁基礎(chǔ)更容易失效，增大樁徑有利于減緩樁基由沖刷導(dǎo)致的豎向承載力降低的趨勢(shì)，但效果不明顯[20]。

圖6　三維有限元模型

綜上所述，影響沖刷后樁基豎向承載特性的因素：沖刷深度、土體剛度、樁長(zhǎng)細(xì)比、沖刷寬度、沖刷坡度等因素，且沖刷深度仍為沖刷坑的主要因素。

現(xiàn)階段，沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)、橋墩等豎向承載特性的數(shù)值模擬，其沖刷坑形態(tài)主要以均勻沖刷為前提，但是這與實(shí)際情況并不完全相符。不同的沖刷坑形態(tài)對(duì)橋梁基礎(chǔ)豎向承載特性的研究，仍待大量的數(shù)值分析來(lái)探討，且目前的研究工作主要集中于單樁，對(duì)群樁豎向承載特性的研究是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

5橋梁沖刷的模型試驗(yàn)研究

橋梁沖刷的模型試驗(yàn)研究也是研究沖刷對(duì)橋梁樁基承載力影響的重要方法之一，研究人員進(jìn)行了相關(guān)的模型試驗(yàn)研究。

Yu Qing-quan， Gong Wei-ming研究了由16根樁組成的群樁模型試驗(yàn)，如圖7所示，分別測(cè)試了在沖刷前、后群樁的豎向極限承載力，詳細(xì)分析Q-S曲線、軸力、荷載傳遞、側(cè)摩阻力和端阻力分布的規(guī)律。試驗(yàn)得到如下結(jié)論：(1)細(xì)砂中群樁沖刷前、后的Q-S曲線都有陡降段；(2)沖刷前、后樁側(cè)和樁端摩阻力，在極限狀態(tài)下，幾乎相同；(3)有剛性承臺(tái)的群樁，各樁承擔(dān)荷載的遞減順序?yàn)椋航菢?、邊樁、中間樁[39]。

圖7　群樁沖刷前后圖示

梁發(fā)云、李彥初與陳海兵通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)高鐵橋梁?jiǎn)螛痘A(chǔ)進(jìn)行靜載試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)，探討了不同沖刷深度下單樁循環(huán)累積沉降和動(dòng)位移幅值的發(fā)展規(guī)律.研究結(jié)果表明：樁基循環(huán)累積沉降隨沖刷深度增加而增加，對(duì)于沖刷深度較小的樁，循環(huán)累積沉降和沉降平均速率在較少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)即可趨于穩(wěn)定；而對(duì)于沖刷深度較大的樁，循環(huán)累積沉降大且發(fā)展較快，達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間長(zhǎng)，甚至持續(xù)發(fā)展以致破壞，在實(shí)際工程中應(yīng)重視長(zhǎng)期循環(huán)累積沉降對(duì)其承載特性的影響[40]。

胡丹，李芬，張開(kāi)銀通過(guò)自行設(shè)計(jì)加工的水平加載裝置，考慮沖刷深度，利用開(kāi)挖的方法進(jìn)行了一系列不同沖刷深度下的樁基室內(nèi)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：樁基水平極限承載力隨著沖刷深度的增加呈減小趨勢(shì)，當(dāng)沖刷深度超過(guò)8倍樁徑時(shí)，水平極限承載力下降曲線趨于平緩[32]。

梁發(fā)云，王琛，王玉等通過(guò)波流水槽試驗(yàn)，對(duì)黏性-砂性土層的局部沖刷機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)比分析了沖刷對(duì)單樁、雙樁在砂性土及黏性-砂性土兩種不同土性的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，黏性-砂性土層中的沖刷比單一砂性土層的最終沖刷深度??；且黏性-砂性土分層的沖刷曲線存在臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該臨界點(diǎn)前后沖刷速率發(fā)生明顯變化，這種突變?cè)诠こ讨写嬖谥踩[患[41]。

河流沖刷對(duì)樁基礎(chǔ)承載特性影響的試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外研究甚少，試驗(yàn)過(guò)程中可能遇到的各種各樣的問(wèn)題，如沖刷過(guò)程的模擬是否考慮水流的作用，沖刷坑的形成是否除了開(kāi)挖還有更好的模擬方法，對(duì)樁頂位移的測(cè)量精度是否能夠滿足要求等等，這些都是在今后的模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有待解決的。

6結(jié)論及展望

6.1　結(jié)論

沖刷對(duì)橋梁墩臺(tái)、樁基礎(chǔ)帶來(lái)的安全隱患是不容忽視的，現(xiàn)在越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界與工程界的重視。綜上所述，可得到如下結(jié)論。

(1)沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)水平承載特性的理論分析方法及數(shù)值分析方法多數(shù)基于p-y曲線，而對(duì)于豎向承載特性的簡(jiǎn)化方法仍需進(jìn)一步研究。

(2)由大量的數(shù)值分析，可以得出影響橋梁基礎(chǔ)承載特性的因素：沖刷深度、樁頭固定條件、樁長(zhǎng)細(xì)比、土壤剛度、沖刷寬度和沖刷坡度等。其中，沖刷深度是沖刷坑尺寸的主要因素。

(3)通過(guò)沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀影響的模型試驗(yàn)，得出沖刷后橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀的變化規(guī)律。

6.2　展望

通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的評(píng)述，研究沖刷對(duì)橋梁基礎(chǔ)存在的問(wèn)題，可以做出如下展望。

(1)沖刷條件下橋梁基礎(chǔ)豎向承載性狀實(shí)用理論分析方法有待于改進(jìn)及加強(qiáng)。

(2)橋梁沖刷的常規(guī)模型試驗(yàn)有很大局限性，建議今后能結(jié)合工程開(kāi)展足尺試驗(yàn)來(lái)更好地研究沖刷過(guò)程，同時(shí)應(yīng)開(kāi)展沖刷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。

(3)沖刷過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，而沖刷試驗(yàn)往往采用開(kāi)挖的方法來(lái)模擬，且為靜態(tài)試驗(yàn)，故急需開(kāi)展模擬動(dòng)態(tài)沖刷過(guò)程的研究。

(4)目前橋梁基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題的研究主要在單樁承載性狀的方面，今后應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展在沖刷條件下群樁承載性狀研究。

(5)要評(píng)估橋梁的安全性能，就需要采用橋梁上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基相互作用的方法來(lái)分析沖刷條件下橋梁的工作性狀。

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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

作者簡(jiǎn)介：王成華(1959—)，男，教授，工學(xué)博士，主要從事巖土工程方

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478313，50978182)

收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-09

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.55+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.013

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0059-07