河流冲刷对桥墩承载力的影响分析

刘 政

(驻马店市宇畅路桥养护工程有限公司，河南驻马店463000)

1 桥梁概况

S219线大林淮河桥大桥建成于1998年，设计桥梁中心桩号为K0+577.18，位于驻马店市正阳县和信阳市罗山县县交界处。桥梁正交，上部结构为24 m×20 m预应力混凝土简支空心板，桥面简支连续，6孔一联，两桥台和第6号、12号、18号墩顶设伸缩缝。下部结构为柱式墩、台，钻孔灌注桩基础，柱径1.2 m，桩径1.5 m，0号台为双柱式，24号桥台为三柱式，桥墩均为双柱式，桩长30～32 m，桥梁全长485.24 m。原设计对应的过水断面面积为4 203.5 m2，湿周481.66 m，水利半径R=8.73。根据2014年6月实测成果及原设计资料，第3～17号桥墩均有不同程度的冲刷，其中7号墩冲刷深度最大，为8.5 m，冲刷较严重的桩基表面还出现大量混凝土剥落和钢筋外露现象。

2 桥梁冲刷原理

近年来，桥梁因水流作用出现垮塌的现象较多，冲刷成了桥梁水毁事故发生的最主要原因之一。长期的水流冲刷会造成既有桥梁墩台破损，从而降低材料性能及有效承载能力，严重情况下会造成墩台倾斜或桥梁垮塌。桥梁冲刷一般分为自然冲刷、一般冲刷及局部冲刷，三个相互独立的过程，并假定它们相继发生进行。在计算时可分别进行独立计算后汇总，以求得桥墩周围最大冲刷深度。

目前有关桥梁桩基础冲刷的研究很多，而评价冲刷对桥梁桩基础承载性状影响的研究却较少，这方面正受到学术界与工程界的高度重视。底杰［9］分析了河流采砂导致冲刷加大，降低了桥梁承载力；黎泰良［10］分析了桥梁冲刷降低桥梁承载力的程度，并提出桥梁桩基加固措施；姚童刚［11］提出桥梁冲刷加固的三种方法：抛铅丝石笼、外包桩基和加桩；马奎［8］研究了桥梁冲刷机理，提出了桥梁冲刷治理方法；陈稳［13］通过模型计算分析了冲刷对桥梁承载力的影响大小。

3 桩基病害原因分析

根据现场调查，冲刷较严重的桩基外表面出现大量混凝土剥落和钢筋外露现象。桩基冲刷主要原因有以下几点：

(1)桥位处河道地表2～5.5 m为松散的细砂和粉细砂，下层为中密的中、粗砂，细砂的水深1 m时不冲刷流速为0.35～0.32 m/s，中、粗砂的不冲刷流速为0.32～0.6 m/s，均属于易受冲刷的土层。

(2)淮河本身的流量较大，桥位处河道百年一遇设计流量为量11 868 m3/s，洪水位为52.20 m，设计流速为2.83 m/s，水流的自然冲刷是造成3～17号桥墩冲刷的主要原因。

(3)近年来，各种工程建设蓬勃发展，而河砂作为一种主要建筑原材料，其需求量也持续增加，进而促使人为无序地进行河道采砂越来越严重。

(4)采砂还造成河水的集中，而河水的集中又可以加速水流的自然冲刷。另外，当抽砂船在河中通行困难时，会用挖掘机挖深、挖宽桥位河道，也是造成桥下河床加深的一个主要原因。

4 桥墩承载力验算

桥梁承载力验算包括竖向承载力、水平承载力以及桥墩的稳定性分析。

4.1 效应计算

根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》，结构构件自身承载力采用作用效应基本组合进行验算，基本组合按JTGD60-2015《公路桥涵设计通用规范》第4.1.5条第一款计算，其表达式为：

4.2 7号墩冲刷深度

根据桥现场勘察情况，7号桥墩原有的地面标高和剩余桩长见表1。

4.3 7号桥墩纵向水平力

温度力：计算上部结构1联6 m×20 m空心板，桥面简易连续，联长120 m，考虑温降+收缩徐变温差30℃。7号墩的温度力73.603 27 kN。

制动力：一联上部结构车道荷载为1 560 kN，车道数为2，一联桥面的制动力为1560×2×10%=312kN，7号墩按刚度分配的制动力为51.938 54 kN。

7号墩温度力与制动力合计为125.541 8 kN。距柱底13.3 m。

表1 7号桥墩标高与桩长

4.4 恒载

根据原设计图纸计算，柱底以上恒载为2 690.968 kN，纵向汽车荷载1 512.635 kN，横向汽车荷载978.763 5 kN。竖向力+纵向水平力组合竖向力+纵向水平力荷载组合计算如下：柱底组合纵向弯矩1 048 kN；竖向力+横向水平力荷载组合计算497.1 kN。

4.5 桩、柱截面强度、稳定性验算结果汇总

根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》第5.3.3条第一款。单桩轴向受压承载力容许值：

表2 7号墩柱、柱截面强度、稳定性验算

表3 柱底截面强度、稳定性验算

7号墩验算结果汇总如下：竖向力+纵向水平力组合下：采用JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5.3.9-1计算柱底截面荷载组合为5 056.373 kN，抗力 5 269.112 kN，富裕度 1.041 456；采用JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5.3.9-2计算柱底截面荷载组合为2 150.236 kN，抗力2 278.787 kN，富裕度1.059 785；采用JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5.3.1计算柱底截面荷载组合为5 059.373 kN，抗力8 699.668 kN，富裕度1.719 515；验算结果显示当竖向力和纵向水平力组合时，7号墩的柱底截面最危险，按JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5.3.9-1、5.3.9-2验算截面承载力富裕量最小，仅5%左右，基本满足现行规范要求。计算中所采用的相关参数、公式主要根据现行规范选取。但个别工况(如30℃的+收缩徐变温差，受压构件的长度计算系数1.1和0.5等)则是根据工程经验假定。当遇到超过假定工况的极端天气、水文和车辆超载等现象时，桥梁结构仍有很大的风险。

5 结束语

水流冲刷会使桥梁承载力下降。该桥梁建成至今，由于桥位处水流冲刷造成桥墩高度的大幅增加，水流对桥墩桩、柱的冲蚀造成桥墩截面的削弱、偏心的增大，对桥梁的安全均构成严重的威胁。应及时对河床进行加固，对已经冲蚀的截面进行修复。针对河水冲刷防护有石笼防护、浆砌片石防护。针对桩基表面混凝土剥落和钢筋外露，可采用外包混凝土进行修补。