泥石流對(duì)橋墩的沖擊作用響應(yīng)研究

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

橋墩的損毀一直是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的一個(gè)重要問題，目前橋墩損毀研究主要集中在地震損毀和船舶對(duì)橋墩的撞擊等，國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流災(zāi)害防治的基礎(chǔ)理論研究還相對(duì)比較薄弱。尤其在我國(guó)山區(qū)不良地質(zhì)條件下，橋梁數(shù)量逐年增加，同時(shí)因人工活動(dòng)和極端氣候條件導(dǎo)致的泥石流病害出現(xiàn)的頻率也不斷增多，許多橋墩出現(xiàn)了被泥石流沖擊破壞的現(xiàn)象，而有關(guān)泥石流沖擊荷載的形式、沖擊力的計(jì)算以及工程結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力破壞機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問題還沒有系統(tǒng)成果，相關(guān)方面的技術(shù)研發(fā)還有待加強(qiáng)。

一、泥石流沖擊作用研究現(xiàn)狀

關(guān)于泥石流沖擊力的研究主要集中在沖擊力計(jì)算模型研究和沖擊力信號(hào)實(shí)地觀測(cè)研究。研究工作主要通過理論分析、試驗(yàn)研究以及野外實(shí)地觀測(cè)來展開。

世界各國(guó)的專家學(xué)者們，從不同的角度出發(fā)建立了多種泥石流沖擊力計(jì)算模型：流體模型(一維流體模型、二維流體模型)；沖量-動(dòng)量模型；石塊沖擊力計(jì)算公式(懸臂梁、簡(jiǎn)支梁沖擊力計(jì)算公式，基于彈性碰撞理論的沖擊力計(jì)算公式，基于 Hertz 接觸理論的沖擊力計(jì)算公式，接觸剛度法，能量法)此外，還有一些特殊的計(jì)算模型，例如王林峰等提出的彈簧-阻尼器模型等，因?yàn)槟Ｐ退枰妮斎雲(yún)?shù)很復(fù)雜，難以在工程設(shè)計(jì)中推廣。

泥石流是由固液兩相物質(zhì)組成的，其沖擊荷載是由相對(duì)勻質(zhì)的整體流體沖擊力和較大粒徑滾石的沖擊荷載。按照泥石流體中石塊含量以及荷載持續(xù)時(shí)間的不同，泥石流的荷載作用形式可以基本分為鋸齒形脈沖、矩形脈沖和尖峰型脈沖。就泥石流的沖擊形式而言，可以將其分為陣性泥石流和連續(xù)性泥石流。

二、泥石流對(duì)橋墩的作用研究

(一)泥石流對(duì)橋梁的主要作用

泥石流對(duì)橋梁的作用主要為沖刷、沖擊、磨蝕、淤埋、振動(dòng)等。沖刷作用主要在泥石流溝上游段，包括沖刷下切作用，沖刷旁蝕作用，局部沖刷作用。泥石流的沖擊作用包括動(dòng)壓力、大石塊撞擊力以及泥石流沖擊引起的沖擊高、爬高、彎道超高等能力。泥石流的堆積主要在溝道下游，中上游有部分臨時(shí)堆積，上有堆積淤埋溝床，促進(jìn)改道；下游堆積淤埋橋墩及橋面系。泥石流中的沙石成分對(duì)建筑物各種工程表面有強(qiáng)烈的磨蝕作用。對(duì)于高速粘性泥石流，其振動(dòng)十分強(qiáng)烈，振動(dòng)可使橋梁等構(gòu)筑物出現(xiàn)裂縫并降低其強(qiáng)度，增加毀壞幾率。

(二)泥石流作用下橋梁的損毀方式

近年來，伴隨泥石流頻發(fā)，尤其在我國(guó)西部，山區(qū)的地震地質(zhì)活躍帶，泥石流災(zāi)害對(duì)位于泥石流溝道、溝口等位置處的橋墩構(gòu)成重大威脅。高能量反復(fù)沖擊作用，使得橋墩保護(hù)層破壞，甚至將橋墩的箍筋和主筋砸斷，導(dǎo)致橋梁整體垮塌。如不及時(shí)對(duì)受損橋墩進(jìn)行修復(fù)，橋墩極有可能在下一季洪水期間發(fā)生整體沖擊破壞，導(dǎo)致橋梁垮塌。

橋梁的破壞方式：橋梁橋墩因泥石流沖擊破壞而喪失承載力；橋梁基礎(chǔ)因泥石流的沖刷掏蝕破壞而喪失穩(wěn)定性；橋梁因大體積固體物質(zhì)的撞擊作用而局部破壞后影響橋梁的整體性能；沉積區(qū)橋梁因大量泥石流的停留而堵塞，泥石流堆積物漫過橋梁而破壞橋梁上部結(jié)構(gòu)影響橋梁的繼續(xù)使用。王林峰提出泥石流沖擊橋墩后，損毀方式主要有3種：橋墩與泥石流接觸部位混凝土被沖壞，橋墩下的抗滑力不夠?qū)е聵蚨栈瑒?dòng)引起橋梁破壞，橋墩的抗傾覆能力不夠引起橋墩傾覆破壞。

(三)對(duì)泥石流作用下橋墩的研究

近年來，關(guān)于橋墩在泥石流作用下的橋墩響應(yīng)分析增長(zhǎng)迅速，尤其是在泥石流災(zāi)害發(fā)生較多的西南地區(qū)等。譚沸良對(duì)雙圓柱、圓端柱和尖角柱沖擊響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出流線型橋墩有一定的導(dǎo)流作用，沖擊動(dòng)壓相對(duì)減小；尖角型橋墩削弱泥石流的爬高，泥石流的整體沖擊壓力減?。浑p圓柱橋墩在泥石流到達(dá)時(shí)有很大的不平衡壓強(qiáng)，受沖擊的橋墩受力最大，所以此類橋墩是最不適合建在泥石流溝壑區(qū)。覃月璋通過對(duì)雙柱中相同橫截面積的圓形、圓端形和矩形橋墩的對(duì)比得出，圓端形橋墩不管是抗傾覆，還是抗滑都是最好的，矩形次之，圓形最次。由此可見，泥石流作用區(qū)的橋墩，減小其橫截面寬度，從而減少受力面積，增加橫截面的長(zhǎng)度，有助于提高橋墩的穩(wěn)定性。孫鴻斌通過對(duì)泥石流流速、橋墩混凝土強(qiáng)度、配箍率、沖擊位置的對(duì)比分析，對(duì)橋梁破壞失效進(jìn)行研究分析。常凱通過黃土泥石流對(duì)橋墩的不同工況進(jìn)行對(duì)比分析，得出了不同截面橋墩、不同沖擊角度對(duì)陣發(fā)性、持續(xù)性泥石流的沖擊響應(yīng)。

對(duì)泥石流作用下的橋墩的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，大部分是利用仿真軟件FLAC 3D/LS-DYNA，在考慮上部結(jié)構(gòu)恒載的作用下，分析橋墩在泥石流不同流速的沖擊作用下，其墩頂?shù)奈灰?、墩底的?yīng)力以及樁基變形和應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而為橋墩抵抗泥石流沖擊設(shè)計(jì)提供參考。

三、泥石流區(qū)橋墩的防護(hù)措施

泥石流區(qū)橋梁的防護(hù)措施包括直接防護(hù)和間接防護(hù)。直接防護(hù)就是直接設(shè)置在或附著在橋墩或橋臺(tái)上的防護(hù)構(gòu)造，用以直接抵御洪水或泥石流的沖刷，如橋墩、橋臺(tái)周圍床面的鋪砌、護(hù)坦、拋石、石籠以及在橋墩墩身上的防沖盤、防護(hù)墩等。間接防護(hù)則是通過在橋梁上游設(shè)置調(diào)治或防護(hù)構(gòu)造物，如丁壩、導(dǎo)流堤、樁排或在橋孔下游設(shè)置急流槽和消力池等，固定橋孔下游沖刷基準(zhǔn)面，來調(diào)整橋下泥石流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免墩臺(tái)過度沖刷。

王東坡等對(duì)泡沫鋁夾芯板加固山區(qū)跨泥石流橋墩抗沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究，通過對(duì)五種不同結(jié)構(gòu)形式的泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的靜力加載試驗(yàn)得出吸收能量較好的結(jié)構(gòu)形式。

江楊、劉思聰通過鋼套筒硬質(zhì)聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)，可以最大限度地吸收大塊孤石的沖擊能量，減輕其對(duì)橋梁的破壞，提高橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中的安全性。

四、結(jié)論與展望

泥石流對(duì)橋墩的沖擊作用是一個(gè)非常復(fù)雜、有待研究的問題。在泥石流橋墩碰撞問題上，決定撞擊荷載對(duì)橋墩損傷程度的因素很多，除橋墩本身的結(jié)構(gòu)特性外，泥石流的速度、撞擊方向、撞擊物的結(jié)構(gòu)、剛度、撞擊點(diǎn)的位置、變形能力等都起著至關(guān)重要的作用，加快泥石流與橋墩之間的相互作用的研究會(huì)對(duì)未來山區(qū)的建設(shè)提供更多的可參考的依據(jù)。

鑒于泥石流對(duì)橋墩的沖擊響應(yīng)涉及的試驗(yàn)工程量大，耗時(shí)也較長(zhǎng)，技術(shù)偏難，碩士論文等皆以數(shù)值模擬為主，關(guān)于橋梁受泥石流沖擊作用的響應(yīng)還需更多的研究。