山洪冲刷对陡坡桥梁桩基竖向承载特性的影响分析

田海龙

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙　410004)



山洪冲刷对陡坡桥梁桩基竖向承载特性的影响分析

田海龙

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙410004)

摘要：为研究山洪冲刷对陡坡桥梁桩基的竖向承载特性的影响，采用MARC有限元软件模拟山洪冲刷作用下不同桩长、桩径与坡度的桩基竖向承载变化规律，并通过计算分析得出： ①桥梁的桩径或桩长越大，桩基竖向所受的承载力越大；坡度越大，桩基竖向承载力越小； ②相同坡度、桩长的桩基在同一冲刷深度中，其桩径愈大竖向所受承载特性变化越大； ③同一冲刷深度作用下，相同桩径、坡度的桩基其桩长越短竖向所受承载力变化越大； ④相同桩径、桩长的桩基在同一冲刷深度中，坡度越小桩基竖向承载特性变化越明显； ⑤冲刷深度小于2倍桩径时，山洪冲刷引起桥梁桩基的竖向承载力变化较弱；反之，则较强。

关键词：桥梁； 陡坡； 山洪冲刷； 桩基； 承载特性

0引言

山洪是陡坡桥梁的主要破坏原因之一，其对桥梁桩基功能的影响表现为：冲刷引起桩基竖向承载特性变化与滚石导致的横向承载特性变化[1-3]。目前，关于山洪对陡坡桥梁的影响研究主要集中在以下方面：通过模型试验得到桥梁对山洪抗力的可靠度，进而得到桥梁的水毁机理与预防措施[4]；在模糊可靠度试验基础上，提出相对应的数学计算公式，进而得出桥梁抗洪的设计依据与施工准则[5]。而针对山洪作用下陡坡桥梁桩基功能的研究，需先将其承载特性进行分析[6]。

由于陡坡岩体的表面在外界环境和地质运动的影响下会发生不同程度的分化现象[7]。当陡坡桥梁桩基周围受到山洪冲刷作用时，其桩基附近水土发生流失，致使桩基的埋置深度出现不同程度的减小，原平衡状态被打破，桩基的竖向承载力降低，严重影响到桥梁的使用功能与结构安全[8]。因此，本文针对不同冲刷深度作用下的陡坡桥梁桩基竖向承载特性变化进行模拟研究，总结出判断该类桥梁桩基的设计与使用安全的理论依据。

1建立模型

根据图1可知，在山洪冲刷过程中，由于桩周、底土体发生了变化，导致陡坡桥梁受力情况极其复杂。因此，本文采用三维模型将3种不同工况下山洪冲刷影响陡坡桥梁桩基竖向承载性状进行模拟分析。

图1　陡坡桩基冲刷影响分析示意图

1.1几何模型及单元划分

为准确地模拟山洪冲刷影响陡坡桥梁桩基的竖向承载特性，并结合相关桩基结构的受力特点与有限元计算的要求，模型中桩侧与桩底的土体范围分别确定为桩径的10倍、桩长的1倍，具体建立的几何模型如图2所示。

图2　陡坡桩基冲刷的几何模型图

采用20节点六面体单元等参实体单元对有限元模型进行单元网格划分，并对陡坡桥梁的桩基及附近土体单元进行加密处理，采取近密远疏的方式进行划分，以确保对桩-土相互作用机理的模拟更具准确性，其有限元分析模型如图3所示。此外，桥梁桩基采用理想弹性本构模型，岩石土体采用弹塑性本构模型，本构关系采用增量形式，应力与应变关系呈非线性来描述土体的变形过程。

图3　陡坡桩基冲刷的有限元计算模型图

1.2边界条件确定与参数选取

将模型顶面以外各方向的位移进行限制，并依次对桩顶施加应力。此外，模拟分析中材料的参数如表1所示。

表1 计算模型材料参数材料弹性模量E/Pa泊松比v粘聚力c/Pa内摩擦角φ/(°)容重ρ/(kN·m-3)桥桩3.1×10100.21——24强风化岩层3.9×1080.260.9×1062120中风化岩层2.3×10100.221.7×1062722

2模拟工况

在冲刷深度ΔL=1、2、3、4、5 m时分别对不同桩径、桩长、坡度的桩基竖向承载特性进行有限元分析，拟定3种模拟工况进行数值计算。

1) 工况1：在坡度r=30°、60°、90°，桩长L=20 m的条件下，对桩径D=1.3、1.5、1.8、2.0 m时的桩基进行有限元分析，研究山洪冲刷下不同桩径的桩基竖向承载变化规律。

2) 工况2：在桩径D=1.5 m，坡度r=30°、60°、90°的条件下，对桩长为L=15、20、25、30 m的桩基进行有限元计算，分析山洪冲刷下不同桩长的桩基竖向承载变化规律。

3) 工况3：在桩长L=20 m，桩径D=1.5 m的条件下，对坡度为r=30°、60°、90°时的桩基进行有限元分析，研究山洪冲刷下不同坡度影响桩基竖向承载变化规律。

3模拟结果及分析

3.1工况1桩基的承载变化规律

图4　30°坡度不同桩径的桩基竖向承载变化规律

图5　60°坡度不同桩径的桩基竖向承载变化规律

图6　90°坡度不同桩径的桩基竖向承载变化规律

表2 不同桩径下冲刷深度对桩基竖向承载的影响度坡度r/(°)桩径D/m不同冲刷深度ΔL/m时的影响度/%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

根据图7可知，不同桩径在相同坡度、桩长条件下与桥梁桩基的竖向承载变化关系呈相互递增形式，造成此状况的主要原因为桩径越大，其桩基侧部表面积也随之增大，从而引起陡坡土体对桩基的侧摩阻力变大。因此，在桥梁发生冲刷时，桩侧土体缺失深度相同的条件下桩径越大导致桩基最大承载力损失更加明显。如坡度r=30°，桩长L=20 m，冲刷深度ΔL=1 m时，各桩径的桩基竖向所承受最大的荷载力分别下降为0.91%、1.02%、1.31%、1.72%；当冲刷深度ΔL=4 m时，桩径D=1.3、1.5、1.8、2.0 m的桩基竖向所受最大的承载力分别下降为4.18%、5.01%、5.7%、8.26%。

图7　1 m冲刷深度下各桩径的影响度变化规律

由图8可知，同一坡度、冲刷深度下，桩径越大，桩基竖向承载的影响度相应增大，且桩径D>1.8 m的桩基竖向承载受山洪冲刷的影响更加显著。如坡度r=30°，冲刷深度ΔL=1、3、5 m时，直径D=1.5 m的桩基竖向所受最大的承载力分别下降1.02%、3.37%、6.5%；而相同条件下，直径D=1.8 m的桩基竖向所受最大的承载力分别下降1.31%、4.25%、7.15%。

图8　30°坡度同一深度不同桩径桩基影响度变化规律

同一桩径的桩基在相同坡度、桩长的情况下，冲刷深度越大其桩基竖向所受承载力的影响随之增大，且冲刷深度ΔL>3 m时，桩基竖向所受承载力的影响更为明显。根据图9可知，当坡度r=30°，桩长L=20 m，冲刷深度ΔL=3 m时，各桩径的桩基竖向所受最大承载力分别下降3.25%、3.37%、4.25%、5.32%，且降幅均大于3%。

图9　30°坡度同一桩径不同深度桩基影响度变化规律

3.2工况2桩基的承载变化规律

通过对工况2进行有限元分析可知，桩基的桩长越长，其竖向所受最大承载力随之增大；随着山洪冲刷深度的增大，不同桩长的桩基竖向所受承载力均呈减小趋势，同时桩长较小的桩基其竖向所受承载力的减小趋势更为明显。工况2桩基最大承载力变化规律具体如图10～图12所示，最大承载力降幅见表4。

图10　30°坡度不同桩长的桩基竖向承载变化规律

图11　60°坡度不同桩长的桩基竖向承载变化规律

图12　90°坡度不同桩长的桩基竖向承载变化规律

根据图13可知，同一坡度条件下，桩长越长，冲刷深度影响桥梁桩基竖向承载力的变化关系呈相互递降形式，引起此现象的主要原因是桩长越长，陡坡岩土体产生缺失效应，从而导致岩土体对桥梁桩基的侧摩阻力相对减小。因此在岩土体缺失深度相同的条件下，桩长越长影响桩基竖向最大承载力的程度逐渐消弱。如坡度r=30°，桩径D=1.5 m，冲刷深度ΔL=1 m时，各桩长的桩基竖向所承受最大的荷载力分别下降为1.68%、1.02%、0.64%、0.41%；当冲刷深度ΔL=4 m时，各桩长的桩基竖向所受最大的承载力分别下降为7.31%、5.01%、2.91%、2.19%。

表4 不同桩长下冲刷深度对桩基竖向承载的影响度坡度r/(°)桩长L/m不同冲刷深度ΔL/m时的影响度/%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

图13　1 m冲刷深度下各桩长的影响度变化规律

由图14可知，同一坡度、冲刷深度条件下，桩长越长，其桩基竖向承载影响度随之减小，且桩长L<20 m的桩基竖向承载受山洪冲刷的影响更加显著。主要原因是由于桩长较短，桩基上部位置受到土体的荷载相对较大，在冲刷作用时，对桩基竖向承载影响较为明显。如坡度r=30°，冲刷深度ΔL=1、3、5 m时，桩长L=15 m的桩基竖向所受最大的承载力分别下降1.68%、5.39%、9.15%；而相同条件下，桩长L=20 m的桩基竖向所受最大的承载力分别仅降1.02%、3.37%、6.5%。

图14　30°坡度同一深度不同桩长桩基影响度变化规律

同一桩长的桩基在坡度、桩径相同的情况下，冲刷深度越大其竖向所受承载力的影响相应减小，且冲刷深度ΔL>3 m时，桩基竖向所受承载力的影响更为明显。根据图15可知，当坡度r=30°，桩径D=1.5 m，冲刷深度ΔL=3 m时，各桩长的桩基竖向所受最大承载力分别下降5.39%、3.37%、2.08%、1.65%，较冲刷深度ΔL<3 m的桩基最大承载力的降低程度明显增大。

图15　30°坡度同一桩长不同深度桩基影响度变化规律

3.3工况3桩基的承载变化规律

工况3桩基竖向承载力变化规律如图16所示，在山洪冲刷过程中，桩基所在边坡的坡度越大，其竖向所受最大承载力越小；随着冲刷深度的增大，不同坡度的桩基竖向所受承载力均有减小趋势，同时坡度的桩基其竖向所受承载力的减小趋势更为明显。工况3桩基竖向最大承载力降幅见表5。

图16　不同坡度的桩基竖向承载变化规律

表5 不同坡度下冲刷深度变化时的桩基承载力影响度坡度r/(°)不同冲刷深度ΔL/m时的影响度/%012345001.232.263.75.217.213001.022.093.375.016.56000.841.83.024.385.689000.611.742.43.64.5

由图17可知，相同桩长、桩径的情况下，坡度越大，冲刷深度影响陡坡桥梁桩基竖向承载力变化关系呈相互递减，导致的原因为坡度越大，陡坡岩土体产生的缺失效应增强，从而引起桩周岩土体对桩基的侧摩阻力相对减小。因此，桩周岩土体缺失深度相同时，坡度越大，冲刷深度对桩基竖向最大承载力的影响越小。如桩长L=20 m，桩径D=1.5 m，冲刷深度ΔL=3 m时，各坡度的桩基竖向所承受最大的荷载力分别下降3.37%、3.02%、2.4%。

图17　不同坡度的桩基竖向承载力影响度

4结论

1) 在山洪冲刷中，桥梁的桩径或桩长越大，桩基竖向所受的承载力越大；坡度越大，桩基竖向承载力越小。

2) 相同坡度、桩长的桩基在同一冲刷深度中，其桩径愈大竖向所受承载特性变化越大，且当桩径D>1.8 m其竖向承载受山洪冲刷影响的变化程度更加明显。

3) 同一冲刷深度作用下，相同桩径、坡度的桩基其桩长越短竖向所受承载力变化越大，且桩长L<20 m时桩径竖向承载力变化程度更为明显。

4) 相同桩径、桩长的桩基在同一冲刷深度中，坡度越小桩基竖向承载特性变化越明显，且坡度r<30°时其竖向承载特性变化尤为明显。

5) 冲刷深度小于2倍桩径时，山洪冲刷引起桥梁桩基的竖向承载力变化较弱；反之，则较强。

参考文献：

[1] 王克成，郑雪，夏玉荣.西南地区公路桥梁山洪灾害破坏机理研究[J].公路交通技术，2010(6)：88-93.

[2] 冯忠居.基础工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 梁森栋，张永良.大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析[J].水利学报，2011，42(11)：1334-1340.

[4] 高璇.陡坡地段桥梁嵌岩桩基竖向承载特性模型试验研究[D].西安：长安大学，2011.

[5] Mutlu B Sumer，Richard J S W，Alf Torum.Scour Around Coastal Structures：ASummary of Recent Research[J].Coastal Engineering，2001(44)：153-190.

[6] 赵彦波，游勇，柳金峰，等.黏性泥石流沟床冲刷深度试验研究[J].水利学报，2012，43(S2)：92-97.

[7] 张清.洣水河特大桥桩位纵桥向陡坡稳定性及防护措施[J].中外公路，2012(3)：48-62.

[8] 卢秀娟.傍山桥墩设计探讨[J].公路，2011(2)：40-42.

文章编号：1008-844X(2016)02-0208-06

收稿日期:2016-03-07

作者简介:田海龙( 1976-) ，男，工程师，主要从事公路与桥梁工作。

中图分类号：U 443.15

文献标识码：A