許華翔

(西南交通大學(xué)橋梁工程系, 四川成都 610031)

橋梁樁基礎(chǔ)抗沖刷能力評估

許華翔

(西南交通大學(xué)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(xiàn)象普遍，且橋梁沖刷現(xiàn)象復(fù)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(jù)沖刷深度擬定多種沖刷狀態(tài)，通過計算得出相應(yīng)沖刷狀態(tài)下的橋墩和樁的反應(yīng)，討論了其屈服、破壞時的情況。具體研究內(nèi)容：利用流體力學(xué)理論對水流壓力作用下的橋墩和樁建立沖刷力學(xué)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(fā)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(chǔ)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(huán)境因素引起的河床沖刷，造成橋墩基礎(chǔ)裸露，基礎(chǔ)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(nèi)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(qū)臨河區(qū)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(fā)生在全國各地，且至今仍然對社會經(jīng)濟、活動等造成巨大影響。這些事故讓越來越多的學(xué)者們將注意力放到有關(guān)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(yù)先對橋梁進行加固和防護方案設(shè)計。一方面可減小經(jīng)濟損失，另一方面也能在一定程度上避免災(zāi)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(chǔ)沖刷的影響

當(dāng)橋墩周圍發(fā)生局部沖刷時，隨著墩、樁周土壤的逐漸減少，結(jié)構(gòu)所受的側(cè)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?？傮w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(jié)構(gòu)裸露的部分愈多，其整體剛度愈小，同時結(jié)構(gòu)受到的約束也會削弱，結(jié)構(gòu)屈曲、地基下沉也會隨之發(fā)生。當(dāng)發(fā)生嚴重沖刷時，在上部結(jié)構(gòu)對墩頂?shù)呢Q向壓力作用下，結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生撓曲破壞；在側(cè)向流水荷載的作用下，結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生傾覆等破壞。

1.2 上部結(jié)構(gòu)理論模型

在本文的研究當(dāng)中，重點在水荷載影響下沖刷基礎(chǔ)的穩(wěn)定性上，因此上部結(jié)構(gòu)的模擬可以適當(dāng)簡化。但應(yīng)注意到，當(dāng)樁嚴重裸露時，在上部結(jié)構(gòu)荷載的作用下會引起顯著的P-Δ效應(yīng)，其影響不可忽略。

1.3 樁-土系統(tǒng)模型

Winkler地基梁法是指以Winkler地基梁假設(shè)為前提，把樁看成置于土介質(zhì)中的梁，用連續(xù)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(chǔ)分析方法。應(yīng)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(zhì)[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(fā)展而產(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件中插入了很多沿著預(yù)期塑性區(qū)的塑性鉸。只需要將屈服塑性鉸以及部分屈服塑性鉸的區(qū)域定義為實際塑性區(qū)即可。

1.4 非線性p-y曲線

地基的非彈性性質(zhì)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(xiàn)象也可由其反映到樁的計算中[1]。它能考慮靜力荷載、循環(huán)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(guī)范[4]中雙曲正切函數(shù)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(cè)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(cè)向均布壓力定義為：

p=5.14×10-4CLV2

(2)

式中：p為側(cè)向壓力；CD為阻力系數(shù)；CL為橋墩的側(cè)向阻力系數(shù)；V在強度和使用極限狀態(tài)下，為設(shè)計洪水的設(shè)計速度；在極端事件極限狀態(tài)下，為檢驗洪水的設(shè)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(xù)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(fā)生的撓曲破壞則用分布式塑性鉸來模擬。

在美國FEMA-356標(biāo)準(zhǔn)[7]中，建筑物在遭受地震災(zāi)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(yīng)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(zhuǎn)動)曲線(圖6)。鉸的屈服點位于B點處。A、B兩點間鉸內(nèi)沒有變形發(fā)生，因此鉸屈服前被假定為剛性的。樁基礎(chǔ)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(zhì)量難于控制，其殘余應(yīng)力不如其他結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)穩(wěn)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(tài)。

圖6 樁的分布式塑性鉸模型

3.2 土壤彈簧與沖刷狀態(tài)的確定

采用本文第1.3節(jié)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(nèi)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(xù)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(yīng)分析中起決定性作用，因此樁底固結(jié)來考慮樁底土體的豎向支撐作用，忽略樁側(cè)土體的豎向摩擦作用。并且在本文中，根據(jù)土層的不同，將沖刷狀態(tài)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(tài)。土體基本參數(shù)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(shù)

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(jié)果與分析

圖8為四種沖刷狀態(tài)下的墩-樁系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)的屈服荷載以及破壞荷載也隨之減小。因此，基礎(chǔ)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(dǎo)致橋梁更高的破壞等級。例如，假定在洪水期間，上游側(cè)主渠道橋梁斷面的平均流速估計為1.9 m/s，那么對應(yīng)于圖中，可知若該墩的最大沖刷深度為7 m(沖刷狀態(tài)Ⅰ)，則結(jié)構(gòu)仍保持彈性狀態(tài)；若最大沖刷深度為9.5 m(沖刷狀態(tài)Ⅱ)，則結(jié)構(gòu)將會接近于屈服狀態(tài)(初始破壞)；若最大 沖刷深度為10.5m(沖刷狀態(tài)Ⅲ)，則結(jié)構(gòu)將會超過屈服狀態(tài)；若最大沖刷深度為12m(沖刷狀態(tài)Ⅳ)，則結(jié)構(gòu)將會接近于完全破壞狀態(tài)。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(jié)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(jié)構(gòu)裸露的部分愈多，其整體剛度、強度愈小，同時結(jié)構(gòu)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(fā)展而產(chǎn)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(jù)橋梁沖刷深度及時預(yù)測結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生屈服、破壞。反之可根據(jù)水文資料、結(jié)構(gòu)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(chǔ)抗震簡化模型比較研究[D]. 上海: 同濟大學(xué), 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(xué), 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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