山洪沖刷對陡坡橋梁樁基豎向承載特性的影響分析

田海龍

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙　410004)

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山洪沖刷對陡坡橋梁樁基豎向承載特性的影響分析

田海龍

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙410004)

摘要：為研究山洪沖刷對陡坡橋梁樁基的豎向承載特性的影響，采用MARC有限元軟件模擬山洪沖刷作用下不同樁長、樁徑與坡度的樁基豎向承載變化規(guī)律，并通過計(jì)算分析得出： ①橋梁的樁徑或樁長越大，樁基豎向所受的承載力越大；坡度越大，樁基豎向承載力越??； ②相同坡度、樁長的樁基在同一沖刷深度中，其樁徑愈大豎向所受承載特性變化越大； ③同一沖刷深度作用下，相同樁徑、坡度的樁基其樁長越短豎向所受承載力變化越大； ④相同樁徑、樁長的樁基在同一沖刷深度中，坡度越小樁基豎向承載特性變化越明顯； ⑤沖刷深度小于2倍樁徑時(shí)，山洪沖刷引起橋梁樁基的豎向承載力變化較弱；反之，則較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：橋梁； 陡坡； 山洪沖刷； 樁基； 承載特性

0引言

山洪是陡坡橋梁的主要破壞原因之一，其對橋梁樁基功能的影響表現(xiàn)為：沖刷引起樁基豎向承載特性變化與滾石導(dǎo)致的橫向承載特性變化[1-3]。目前，關(guān)于山洪對陡坡橋梁的影響研究主要集中在以下方面：通過模型試驗(yàn)得到橋梁對山洪抗力的可靠度，進(jìn)而得到橋梁的水毀機(jī)理與預(yù)防措施[4]；在模糊可靠度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出相對應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，進(jìn)而得出橋梁抗洪的設(shè)計(jì)依據(jù)與施工準(zhǔn)則[5]。而針對山洪作用下陡坡橋梁樁基功能的研究，需先將其承載特性進(jìn)行分析[6]。

由于陡坡巖體的表面在外界環(huán)境和地質(zhì)運(yùn)動的影響下會發(fā)生不同程度的分化現(xiàn)象[7]。當(dāng)陡坡橋梁樁基周圍受到山洪沖刷作用時(shí)，其樁基附近水土發(fā)生流失，致使樁基的埋置深度出現(xiàn)不同程度的減小，原平衡狀態(tài)被打破，樁基的豎向承載力降低，嚴(yán)重影響到橋梁的使用功能與結(jié)構(gòu)安全[8]。因此，本文針對不同沖刷深度作用下的陡坡橋梁樁基豎向承載特性變化進(jìn)行模擬研究，總結(jié)出判斷該類橋梁樁基的設(shè)計(jì)與使用安全的理論依據(jù)。

1建立模型

根據(jù)圖1可知，在山洪沖刷過程中，由于樁周、底土體發(fā)生了變化，導(dǎo)致陡坡橋梁受力情況極其復(fù)雜。因此，本文采用三維模型將3種不同工況下山洪沖刷影響陡坡橋梁樁基豎向承載性狀進(jìn)行模擬分析。

圖1　陡坡樁基沖刷影響分析示意圖

1.1幾何模型及單元劃分

為準(zhǔn)確地模擬山洪沖刷影響陡坡橋梁樁基的豎向承載特性，并結(jié)合相關(guān)樁基結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與有限元計(jì)算的要求，模型中樁側(cè)與樁底的土體范圍分別確定為樁徑的10倍、樁長的1倍，具體建立的幾何模型如圖2所示。

圖2　陡坡樁基沖刷的幾何模型圖

采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元等參實(shí)體單元對有限元模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，并對陡坡橋梁的樁基及附近土體單元進(jìn)行加密處理，采取近密遠(yuǎn)疏的方式進(jìn)行劃分，以確保對樁-土相互作用機(jī)理的模擬更具準(zhǔn)確性，其有限元分析模型如圖3所示。此外，橋梁樁基采用理想彈性本構(gòu)模型，巖石土體采用彈塑性本構(gòu)模型，本構(gòu)關(guān)系采用增量形式，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈非線性來描述土體的變形過程。

圖3　陡坡樁基沖刷的有限元計(jì)算模型圖

1.2邊界條件確定與參數(shù)選取

將模型頂面以外各方向的位移進(jìn)行限制，并依次對樁頂施加應(yīng)力。此外，模擬分析中材料的參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)材料彈性模量E/Pa泊松比v粘聚力c/Pa內(nèi)摩擦角φ/(°)容重ρ/(kN·m-3)橋樁3.1×10100.21——24強(qiáng)風(fēng)化巖層3.9×1080.260.9×1062120中風(fēng)化巖層2.3×10100.221.7×1062722

2模擬工況

在沖刷深度ΔL=1、2、3、4、5 m時(shí)分別對不同樁徑、樁長、坡度的樁基豎向承載特性進(jìn)行有限元分析，擬定3種模擬工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1) 工況1：在坡度r=30°、60°、90°，樁長L=20 m的條件下，對樁徑D=1.3、1.5、1.8、2.0 m時(shí)的樁基進(jìn)行有限元分析，研究山洪沖刷下不同樁徑的樁基豎向承載變化規(guī)律。

2) 工況2：在樁徑D=1.5 m，坡度r=30°、60°、90°的條件下，對樁長為L=15、20、25、30 m的樁基進(jìn)行有限元計(jì)算，分析山洪沖刷下不同樁長的樁基豎向承載變化規(guī)律。

3) 工況3：在樁長L=20 m，樁徑D=1.5 m的條件下，對坡度為r=30°、60°、90°時(shí)的樁基進(jìn)行有限元分析，研究山洪沖刷下不同坡度影響樁基豎向承載變化規(guī)律。

3模擬結(jié)果及分析

3.1工況1樁基的承載變化規(guī)律

圖4　30°坡度不同樁徑的樁基豎向承載變化規(guī)律

圖5　60°坡度不同樁徑的樁基豎向承載變化規(guī)律

圖6　90°坡度不同樁徑的樁基豎向承載變化規(guī)律

表2 不同樁徑下沖刷深度對樁基豎向承載的影響度坡度r/(°)樁徑D/m不同沖刷深度ΔL/m時(shí)的影響度/%012345301.300.911.613.254.185.281.501.022.093.375.016.51.801.312.814.255.77.152.001.723.145.328.2610.8601.300.691.432.893.435.131.500.841.83.024.385.681.801.232.453.844.895.882.001.5734.816.277.83901.300.531.192.052.753.351.500.611.742.43.64.51.800.762.013.024.025.022.001.132.243.364.475.59

根據(jù)圖7可知，不同樁徑在相同坡度、樁長條件下與橋梁樁基的豎向承載變化關(guān)系呈相互遞增形式，造成此狀況的主要原因?yàn)闃稄皆酱?，其樁基?cè)部表面積也隨之增大，從而引起陡坡土體對樁基的側(cè)摩阻力變大。因此，在橋梁發(fā)生沖刷時(shí)，樁側(cè)土體缺失深度相同的條件下樁徑越大導(dǎo)致樁基最大承載力損失更加明顯。如坡度r=30°，樁長L=20 m，沖刷深度ΔL=1 m時(shí)，各樁徑的樁基豎向所承受最大的荷載力分別下降為0.91%、1.02%、1.31%、1.72%；當(dāng)沖刷深度ΔL=4 m時(shí)，樁徑D=1.3、1.5、1.8、2.0 m的樁基豎向所受最大的承載力分別下降為4.18%、5.01%、5.7%、8.26%。

圖7　1 m沖刷深度下各樁徑的影響度變化規(guī)律

由圖8可知，同一坡度、沖刷深度下，樁徑越大，樁基豎向承載的影響度相應(yīng)增大，且樁徑D>1.8 m的樁基豎向承載受山洪沖刷的影響更加顯著。如坡度r=30°，沖刷深度ΔL=1、3、5 m時(shí)，直徑D=1.5 m的樁基豎向所受最大的承載力分別下降1.02%、3.37%、6.5%；而相同條件下，直徑D=1.8 m的樁基豎向所受最大的承載力分別下降1.31%、4.25%、7.15%。

圖8　30°坡度同一深度不同樁徑樁基影響度變化規(guī)律

同一樁徑的樁基在相同坡度、樁長的情況下，沖刷深度越大其樁基豎向所受承載力的影響隨之增大，且沖刷深度ΔL>3 m時(shí)，樁基豎向所受承載力的影響更為明顯。根據(jù)圖9可知，當(dāng)坡度r=30°，樁長L=20 m，沖刷深度ΔL=3 m時(shí)，各樁徑的樁基豎向所受最大承載力分別下降3.25%、3.37%、4.25%、5.32%，且降幅均大于3%。

圖9　30°坡度同一樁徑不同深度樁基影響度變化規(guī)律

3.2工況2樁基的承載變化規(guī)律

通過對工況2進(jìn)行有限元分析可知，樁基的樁長越長，其豎向所受最大承載力隨之增大；隨著山洪沖刷深度的增大，不同樁長的樁基豎向所受承載力均呈減小趨勢，同時(shí)樁長較小的樁基其豎向所受承載力的減小趨勢更為明顯。工況2樁基最大承載力變化規(guī)律具體如圖10～圖12所示，最大承載力降幅見表4。

圖10　30°坡度不同樁長的樁基豎向承載變化規(guī)律

圖11　60°坡度不同樁長的樁基豎向承載變化規(guī)律

圖12　90°坡度不同樁長的樁基豎向承載變化規(guī)律

根據(jù)圖13可知，同一坡度條件下，樁長越長，沖刷深度影響橋梁樁基豎向承載力的變化關(guān)系呈相互遞降形式，引起此現(xiàn)象的主要原因是樁長越長，陡坡巖土體產(chǎn)生缺失效應(yīng)，從而導(dǎo)致巖土體對橋梁樁基的側(cè)摩阻力相對減小。因此在巖土體缺失深度相同的條件下，樁長越長影響樁基豎向最大承載力的程度逐漸消弱。如坡度r=30°，樁徑D=1.5 m，沖刷深度ΔL=1 m時(shí)，各樁長的樁基豎向所承受最大的荷載力分別下降為1.68%、1.02%、0.64%、0.41%；當(dāng)沖刷深度ΔL=4 m時(shí)，各樁長的樁基豎向所受最大的承載力分別下降為7.31%、5.01%、2.91%、2.19%。

表4 不同樁長下沖刷深度對樁基豎向承載的影響度坡度r/(°)樁長L/m不同沖刷深度ΔL/m時(shí)的影響度/%012345301501.683.25.397.319.152001.022.093.375.016.52500.641.212.082.913.633000.4111.652.192.74601500.891.953.25.146.422000.61.332.814.385.682500.551.171.882.443.293000.230.561.31.732.16901500.621.472.64.415.512000.510.992.183.64.52500.440.781.261.672.093000.170.420.961.411.76

圖13　1 m沖刷深度下各樁長的影響度變化規(guī)律

由圖14可知，同一坡度、沖刷深度條件下，樁長越長，其樁基豎向承載影響度隨之減小，且樁長L<20 m的樁基豎向承載受山洪沖刷的影響更加顯著。主要原因是由于樁長較短，樁基上部位置受到土體的荷載相對較大，在沖刷作用時(shí)，對樁基豎向承載影響較為明顯。如坡度r=30°，沖刷深度ΔL=1、3、5 m時(shí)，樁長L=15 m的樁基豎向所受最大的承載力分別下降1.68%、5.39%、9.15%；而相同條件下，樁長L=20 m的樁基豎向所受最大的承載力分別僅降1.02%、3.37%、6.5%。

圖14　30°坡度同一深度不同樁長樁基影響度變化規(guī)律

同一樁長的樁基在坡度、樁徑相同的情況下，沖刷深度越大其豎向所受承載力的影響相應(yīng)減小，且沖刷深度ΔL>3 m時(shí)，樁基豎向所受承載力的影響更為明顯。根據(jù)圖15可知，當(dāng)坡度r=30°，樁徑D=1.5 m，沖刷深度ΔL=3 m時(shí)，各樁長的樁基豎向所受最大承載力分別下降5.39%、3.37%、2.08%、1.65%，較沖刷深度ΔL<3 m的樁基最大承載力的降低程度明顯增大。

圖15　30°坡度同一樁長不同深度樁基影響度變化規(guī)律

3.3工況3樁基的承載變化規(guī)律

工況3樁基豎向承載力變化規(guī)律如圖16所示，在山洪沖刷過程中，樁基所在邊坡的坡度越大，其豎向所受最大承載力越?。浑S著沖刷深度的增大，不同坡度的樁基豎向所受承載力均有減小趨勢，同時(shí)坡度的樁基其豎向所受承載力的減小趨勢更為明顯。工況3樁基豎向最大承載力降幅見表5。

圖16　不同坡度的樁基豎向承載變化規(guī)律

表5 不同坡度下沖刷深度變化時(shí)的樁基承載力影響度坡度r/(°)不同沖刷深度ΔL/m時(shí)的影響度/%012345001.232.263.75.217.213001.022.093.375.016.56000.841.83.024.385.689000.611.742.43.64.5

由圖17可知，相同樁長、樁徑的情況下，坡度越大，沖刷深度影響陡坡橋梁樁基豎向承載力變化關(guān)系呈相互遞減，導(dǎo)致的原因?yàn)槠露仍酱?，陡坡巖土體產(chǎn)生的缺失效應(yīng)增強(qiáng)，從而引起樁周巖土體對樁基的側(cè)摩阻力相對減小。因此，樁周巖土體缺失深度相同時(shí)，坡度越大，沖刷深度對樁基豎向最大承載力的影響越小。如樁長L=20 m，樁徑D=1.5 m，沖刷深度ΔL=3 m時(shí)，各坡度的樁基豎向所承受最大的荷載力分別下降3.37%、3.02%、2.4%。

圖17　不同坡度的樁基豎向承載力影響度

4結(jié)論

1) 在山洪沖刷中，橋梁的樁徑或樁長越大，樁基豎向所受的承載力越大；坡度越大，樁基豎向承載力越小。

2) 相同坡度、樁長的樁基在同一沖刷深度中，其樁徑愈大豎向所受承載特性變化越大，且當(dāng)樁徑D>1.8 m其豎向承載受山洪沖刷影響的變化程度更加明顯。

3) 同一沖刷深度作用下，相同樁徑、坡度的樁基其樁長越短豎向所受承載力變化越大，且樁長L<20 m時(shí)樁徑豎向承載力變化程度更為明顯。

4) 相同樁徑、樁長的樁基在同一沖刷深度中，坡度越小樁基豎向承載特性變化越明顯，且坡度r<30°時(shí)其豎向承載特性變化尤為明顯。

5) 沖刷深度小于2倍樁徑時(shí)，山洪沖刷引起橋梁樁基的豎向承載力變化較弱；反之，則較強(qiáng)。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0208-06

收稿日期:2016-03-07

作者簡介:田海龍( 1976-) ，男，工程師，主要從事公路與橋梁工作。

中圖分類號：U 443.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A