橋梁樁基礎抗沖刷能力評估

許華翔

(西南交通大學橋梁工程系, 四川成都 610031)

橋梁樁基礎抗沖刷能力評估

許華翔

(西南交通大學橋梁工程系, 四川成都 610031)

橋梁受到洪水等沖刷作用而損傷破壞的現象普遍，且橋梁沖刷現象復雜，影響因素眾多。因此，評估橋梁的抗沖刷能力具有重要的工程意義。文章以某橋為研究對象，計算了土體不同深度的p-y曲線，并根據沖刷深度擬定多種沖刷狀態，通過計算得出相應沖刷狀態下的橋墩和樁的反應，討論了其屈服、破壞時的情況。具體研究內容：利用流體力學理論對水流壓力作用下的橋墩和樁建立沖刷力學模型；用Winkler地基梁模型模擬樁-土相互作用，并用滿足非線性p-y曲線的土彈簧來代表土體的非線性行為，利用分布式塑性鉸模型來模擬樁身可能發生的撓曲破壞；最后對橋墩和樁承載能力進行分析，進而對樁基礎的抗沖刷能力進行評估。

橋梁沖刷； 抗沖刷能力； Winkler地基梁模型；p-y曲線； 分布式塑性鉸模型

近年來，由于各種環境因素引起的河床沖刷，造成橋墩基礎裸露，基礎承載能力顯著削弱，由此引起的橋梁破壞甚至倒塌的事件被報道的越來越多。2015年，貴州省黔東南州境內突降暴雨，造成雷山縣丹江河、榕江車江河水位猛漲，造成縣城區臨河區域被淹，三座大橋被沖毀(圖1)。

圖1 貴州省橋梁沖刷破壞

橋梁沖刷事故發生在全國各地，且至今仍然對社會經濟、活動等造成巨大影響。這些事故讓越來越多的學者們將注意力放到有關沖刷的研究上面。本文通過對受沖刷墩臺承載能力的評估，以期能預先對橋梁進行加固和防護方案設計。一方面可減小經濟損失，另一方面也能在一定程度上避免災害造成的重大橋梁破壞與人員傷亡，具有一定的工程意義。

1 沖刷橋梁性能分析

1.1 墩基礎沖刷的影響

當橋墩周圍發生局部沖刷時，隨著墩、樁周土壤的逐漸減少，結構所受的側向土壓力也在削弱，同時流水荷載也因沖刷深度的增加而增加。總體上，沖刷分為沖刷前、沖刷至承臺裸露以及沖刷至樁裸露三個階段(圖2)。結構裸露的部分愈多，其整體剛度愈小，同時結構受到的約束也會削弱，結構屈曲、地基下沉也會隨之發生。當發生嚴重沖刷時，在上部結構對墩頂的豎向壓力作用下，結構可能會發生撓曲破壞；在側向流水荷載的作用下，結構可能會發生傾覆等破壞。

1.2 上部結構理論模型

在本文的研究當中，重點在水荷載影響下沖刷基礎的穩定性上，因此上部結構的模擬可以適當簡化。但應注意到，當樁嚴重裸露時，在上部結構荷載的作用下會引起顯著的P-Δ效應，其影響不可忽略。

1.3 樁-土系統模型

Winkler地基梁法是指以Winkler地基梁假設為前提，把樁看成置于土介質中的梁，用連續分布且相互獨立的彈簧和阻尼器來模擬樁周土對樁的動力阻抗的樁基礎分析方法。應用Winkler地基梁法可以考慮土層沿深度的非均勻變化以及土的非線性性質[1]。

樁的非線性行為可用塑性鉸理論進行模擬。但塑性鉸模型用于模擬嵌入土體樁的撓曲破壞時，樁上最大彎矩處可能會隨著樁周土的發展而產生非線性變化。采用分布式塑性鉸模型[2]可以有效解決該問題。如圖3所示，分布式塑性鉸模型在一個結構構件中插入了很多沿著預期塑性區的塑性鉸。只需要將屈服塑性鉸以及部分屈服塑性鉸的區域定義為實際塑性區即可。

1.4 非線性p-y曲線

地基的非彈性性質一般可用p-y曲線以進行較為真實地反映，由地表開始的進行性破壞現象也可由其反映到樁的計算中[1]。它能考慮靜力荷載、循環荷載、土的軟化、土抗力的退化與折減等作用[3]。

其中，砂土的p-y曲線由美國API規范[4]中雙曲正切函數表示，黏土的p-y曲線采用1970年Matlock[5]提出的p-y曲線確定。

圖2 墩-樁沖刷模型

圖3 樁的分布式塑性鉸模型

1.5 水流壓力

水流施加在橋墩和樁群上的縱向與側向壓力可由AASHTO[6]的建議來估計。由水流引起的橋墩縱向壓力定義為：

p=5.14×10-4CDV2

(1)

由水流引起的橋墩側向均布壓力定義為：

p=5.14×10-4CLV2

(2)

式中：p為側向壓力；CD為阻力系數；CL為橋墩的側向阻力系數；V在強度和使用極限狀態下，為設計洪水的設計速度；在極端事件極限狀態下，為檢驗洪水的設計速度。

2 實例橋梁工程概況

參考某跨河大橋，該橋為跨徑30 m的四跨連續梁橋，橋梁全長128.2 m(圖4)。采用鉆孔灌注樁雙柱式橋墩，其中1號墩長為7 m， 2號墩長11 m，3號墩長13 m，樁長為30 m。墩、樁采用C35混凝土，HRB335鋼筋。

(a)大橋立面示意

(b)大橋橫橋向示意圖4 某大橋立面、橫向示意(單位:cm)

3 沖刷橋梁模型分析

3.1 模型建立

利用大型有限元軟件SAP 2000建立模型(圖5)。基于Winkler地基梁法，將樁模擬為梁，土壤用Winkler彈簧模擬，沖刷引起的樁的裸露用移除彈簧來模擬，墩、樁可能發生的撓曲破壞則用分布式塑性鉸來模擬。

在美國FEMA-356標準[7]中，建筑物在遭受地震災害后可維持的功能被劃分為四個等級：正常使用、可立即使用(IO)、生命安全(LS)和建筑物不倒塌(CP)。在SAP 2000中，每一個自由度皆對應于一條用于給出屈服值以及屈服后塑性變形的力-位移(彎矩-轉動)曲線(圖6)。鉸的屈服點位于B點處。A、B兩點間鉸內沒有變形發生，因此鉸屈服前被假定為剛性的。樁基礎承載能力對沖刷橋梁的影響尤為顯著。通常由于樁嵌入土體，質量難于控制，其殘余應力不如其他結構(構件)穩定可靠。因此在本文中，D點(破壞點)被認為是樁中塑性鉸的完全破壞狀態。

圖6 樁的分布式塑性鉸模型

3.2 土壤彈簧與沖刷狀態的確定

采用本文第1.3節中介紹的方法考慮樁-土相互作用，取樁長30 m，采用彈性框架單元模擬樁身，將樁身平均劃分為30個單元，以保證在樁頂10倍樁徑范圍內至少有5個單元的要求。

本文中采用簡化的p-y曲線法，將土體對樁的作用簡化為一系列沿樁長連續分布且相互獨立的非線性彈簧，p-y彈簧沿樁有效總長度分部間距為1.0 m。以p-y非線性彈簧模擬土體的水平抗力，由于主要考慮水平單向地震動的輸入，土體水平抗力在橋梁地震反應分析中起決定性作用，因此樁底固結來考慮樁底土體的豎向支撐作用，忽略樁側土體的豎向摩擦作用。并且在本文中，根據土層的不同，將沖刷狀態劃分為Ⅰ(沖刷深度3 m以下)、Ⅱ(沖刷深度4～8 m)、Ⅲ(沖刷深度9～12 m)、Ⅳ(沖刷深度13～17 m)四個狀態。土體基本參數如表1所示，不同深度處的p-y曲線如圖7所示。

表1 土體基本參數

利用橫斷面分析軟件XTRACT 3.0對墩、樁各截面進行分析。如表2所示，墩的屈服彎矩取2.659×106N·m，屈服曲率取2.888×10-31/m,樁的屈服彎矩取2.886×106N·m，屈服曲率取2.683×10-31/m。

(a)1～3m p-y曲線

(b)4～8m p-y曲線

(c)9～12m p-y曲線

(d)13～20m p-y曲線

(e)21～24m p-y曲線

(f)24～30m p-y曲線

墩截面樁截面有效屈服曲率2．888×10-31/m2．683×10-31/m有效屈服彎矩2．659×106N·m2．886×106N·m

3.3 計算結果與分析

圖8為四種沖刷狀態下的墩-樁系統承載能力曲線。由圖可知，隨著沖刷深度的不斷增加，樁周土系統的剛度不斷減小，墩-樁承載能力曲線的曲率不斷減小。同時，相對應的屈服荷載以及破壞荷載也隨之減小。因此，基礎沖刷顯著地削弱了橋梁的剛度和強度。

在承載能力曲線上畫出等流速線，如圖8中虛線所示，更高流速導致橋梁更高的破壞等級。例如，假定在洪水期間，上游側主渠道橋梁斷面的平均流速估計為1.9 m/s，那么對應于圖中，可知若該墩的最大沖刷深度為7 m(沖刷狀態Ⅰ)，則結構仍保持彈性狀態；若最大沖刷深度為9.5 m(沖刷狀態Ⅱ)，則結構將會接近于屈服狀態(初始破壞)；若最大 沖刷深度為10.5m(沖刷狀態Ⅲ)，則結構將會超過屈服狀態；若最大沖刷深度為12m(沖刷狀態Ⅳ)，則結構將會接近于完全破壞狀態。同理，若能獲得橋梁沖刷水文資料，以及橋墩的破壞情況，便可反推出洪流期間橋墩的沖刷深度。

圖8 沖刷墩與樁承載能力曲線

4 結論

(1)將橋梁沖刷分為沖刷前、沖刷至承臺裸露以及沖刷至樁裸露三個階段，隨著結構裸露的部分愈多，其整體剛度、強度愈小，同時結構受到的約束也會削弱。

(2)塑性鉸模型用于模擬嵌入土體樁的撓曲破壞時，樁上最大彎矩處可能會隨著樁周土的發展而產生非線性變化。因此樁的非線性行為可用塑性鉸理論進行模擬。

(3)基于沖刷墩與樁承載能力曲線，可根據橋梁沖刷深度及時預測結構是否會發生屈服、破壞。反之可根據水文資料、結構破壞情況，反推洪流期間橋墩的沖刷深度。

[1] 燕斌. 橋梁樁基礎抗震簡化模型比較研究[D]. 上海: 同濟大學, 2007.

[2] Ko, Y.Y., Chiou J.S., Tsai Y.C., Chen C.H., Helsin W., Wang C.Y. Evaluation of Flood-Resistant Capacity of Scoured Bridges[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2014, 28(1): 61-75.

[3] 胡勝剛. 基于p-y曲線模型的樁基非線性性狀分析研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2005.

[4] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning. Design and Constructing Fixed Offshore Platforms[S]. API RP 2A - WSD, 20th ed. American Petroleum Institute, 1993.

[5] Matlock H. Correlations of Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clay[J]. Proceedings, Offshore Technology Conference, Houston, TX. 1970(1204): 577-594.

[6] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (7th ed.)[S].

[7] FEMA-356. Prestantard and Commentary for The Seismic Rehabilitation of Buildings[S]. FEMA, 2000.

[定稿日期]2017-06-28

許華翔(1993～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁沖刷與抗震。

U441.4

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