1.长安大学公路学院 陕西西安 710064
2.福建省交通建设质量安全监督局 福建福州 350001
3.福建省交通规划设计院 福建福州 350004
摘要：山区桥梁桩基础所处环境特殊，冲刷、撞击等因素影响其承载力发挥，为探明该区域桩基础在撞击作用下的承载特性，本文采用数值模拟手段，以落石质量、撞击位置及速度、冲沟坡度等4个主要影响因素为变量，研究落石撞击对山区桥梁桩基承载特性的影响规律。研究结果表明：①撞击力随着落石质量和撞击速度的增加而增大，随着冲沟坡度的增加而缓慢减小，随着撞击位置高度增大而基本保持稳定，其中撞击速度影响程度最大，撞击位置最小；②桩顶、撞击点及墩顶水平位移随着落石质量和撞击速度增大呈现显著线性增大趋势，随着冲沟坡度增大而缓慢减小，随着撞击位置高度增大而基本保持稳定；③撞击速度对桩顶和撞击点水平位移的影响程度最大，撞击位置对墩顶水平位移影响最大。
关键词：岩土工程；桩基础；落石；撞击；数值模拟
Influence on Bearing Characteristics of Bridge Pile Foundation Under Impact Load of Rock-fall in Mountainous Area
CHEN Si-xiao1.2 FENG Zhong-ju1 ZHANG Fan3
1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an, shaanxi 710064, China;
2.Fujian Province Traffic Construction Quality and Safety Supervision Bureau, Fuzhou, Fujian 350001, China；
3.Fujian Provincial Transportation Planning and Design Institute, Fuzhou, Fujian 350004, China
Abstract: Because of the special environment of pile foundation in mountainous area, load factors such as scour and impact affect the bearing capacity of pile foundation. In order to ascertain the influence of impact on bearing characteristics of bridge pile foundation in mountainous area, base on the numerical simulation method, this paper takes four main influencing factors as variables: rock-fall mass, impact position and velocity, gully gradient. The influence law of rock-fall impact on bearing characteristics of bridge pile foundation in mountainous area is studied. The results show that: ①The impact force increases with the increase of the falling mass and the impact velocity, and decreases slowly with the increase of the gully gradient, and keeps stable basically with the increase of the height of the impact position, in which the impact velocity has the greatest influence and the impact position is the smallest; ②The horizontal displacement of the pile top, the impact point and the pier top in creases with the falling mass and the impact velocity. The degree of impact increases linearly, and decreases slowly with gully gradient, and keeps stable with the height of the impact position. ③The impact velocity has the greatest influence on the horizontal displacement of the pile top and the impact point, and the impact position has the greatest influence on the horizontal displacement of the pier top.
Key words: geotechnical engineering; pile foundation; rock-fall; impact; numerical simulation
引言
山区修建公路大多采用桥梁结构跨越，其基础形式主要为桩基础。该桩基础多建于斜坡、陡坡，所处环境特殊、条件复杂，滚石、泥石流、滑坡等挟带的冲击物产生撞击荷载，影响桩基础承载力及耐久性能，严重者危及桥梁结构使用安全[1-2]。例如2014年G65包茂高速公路西安至安康段的罗羌湾大桥发生大面积山体滑坡，落石击毁桥梁基础，最终导致约30米桥梁垮塌。因此，进一步探明落石对山区陡坡地区桥梁桩基础承载特性的影响，是做好此类桩基础设计、安全施工及使用的重要前提。
目前，国内外学者通过现场试验、数值模拟等多种方式，对桥梁结构所承受的撞击及防护技术措施展开研究[3-10]。陈驰等人[11]以冲量定理为基础，利用有限元方法，得到落石作用于钢筋混凝土棚洞的撞击力公式。叶四桥等人[12]选择国内外代表性的撞击力算法进行比较研究，建议引入基于落石现场撞击实测撞击力拟合得到的经验算法。顾乡[13]采用显示动力分析方法，研究落石撞击作用下桥梁墩柱的动态响应、损伤规律及其剩余承载力和桥墩受损后的通行能力评估。聂洪琳等人[14]基于动力学原理，利用有限元动力分析计算程序，建立了落石-桥墩防撞物柔性撞击精细化计算模型。综上，现阶段对多种因素耦合下，桥梁桩基础承载特性的影响研究较少，尤其可供山区陡坡环境下的设计及施工参考的针对性研究成果不足，难以有效地指导工程实践。
落石撞击桥梁桩基础过程比较复杂，影响结构受力的主要因素包括陡坡形状及坡度，落石物理力学性质、结构大小、质量，撞击位置、速度以及角度，基础混凝土性能等多方面[15-19]。为深入研究不同工程下落石对桩基础承载特性的影响，本文采用数值模拟手段，以落石质量、撞击点位置、速度以及冲沟坡度等4个主要影响因素为变量，研究落石撞击对陡坡桥梁桩基的受力性能和变形的影响情况。研究成果可为今后山区陡坡桥梁桩基础设计及施工提供理论依据及技术参考。
1.工程实例
1.1工程概况
该桥梁长度330m，桥面宽度9 m。上部结构跨径为8×40 m 预制混凝土T梁，采用钻孔灌注桩基础，桥梁中跨处采用薄壁空心墩，边跨采用柱式墩。桥梁常水位为0.6 m，设计水位1.8 m，历史洪水位2.5 m。桥梁跨越V型沟谷，桥台基础及边跨位于陡坡上，现场情况如图1所示。
图1 桥梁工程实例
Fig. 1 Example of bridge engineering
1.2环境条件
桥梁所处地区属于亚热带季风气候，年降水量在800~1600mm之间，尤其7~9月为暴雨多发季节，极易引发泥石流或滑坡。桩基础周边边坡为土石混杂边坡，岩土体较松软，植被未完全覆盖边坡坡面，存在大量孤石。
2.落石撞击下桩基础承载特性数值模拟
2.1基本假定
在建立落石撞击的非线性有限元模型时，做以下假定：
（1）采用欧洲技术标准ETAG-27[20]中试验试块模拟实际的落石，外观呈多面体形。
（2）不考虑落石撞击过程中桥梁上部结构的动力响应对能量的迁移吸收的影响。
（3）不考虑落石在撞击前的下落过程及其竖向速度。
2.2几何参数选取
几何模型采用空间模型，桩周土层区宽度取10倍桩径，以冲沟体坡度为45°的模型为例，其几何模型如图2所示，图中单位以米计。其中墩高、墩径、桩长、桩径分别为30m、2.0m、26m、2.0m。
图2 数值模拟几何模型
Fig. 2 Geometric model of numerical simulation
2.3材料物理力学参数选取
按各向同性材料考虑，各材料参数的选取见表1。
2.4单元划分
模型采用八结点六面体实体单元，有限元分析模型如图3所示。
(b)落石
(b)Rock-fall
图3 数值模拟分析模型
Fig. 3 Numerical simulation analysis model
2.5边界条件及初始条件
（1）边界条件
采用位移边界条件为：桩周岩土体的模型近似为半空间无限体，将模型底面及侧面X、Y、Z方向位移固定，并将模型的盖梁部分的两端X、Y、Z方向位移固定。
（2）初始条件
对落石模型施加质量密度和初始运动速度。考虑到落石撞击桩基础的最不利情况，选择落石正面撞击桩基础，且撞击速度方向与水平线的夹角为0°。
2.5计算方案
为了减少模型计算工况，研究各因素对桥梁桩基受力特性的影响规律，采用4因素5水平正交试验即L25（54）分析方法，确定落石质量、撞击点位置、撞击速度以及冲沟坡度等相关分析参数[21-23]（见表2），正交试验设计情况见表3。
表1 有限元分析模型材料参数
Table 1 Finite element analysis of model material parameters
3.落石撞击下桥梁桩基础承载特性成果分析
3.1落石撞击力情况
不同落石质量、撞击速度、撞击位置以及冲沟坡度对桥梁桩基础作用力的影响情况分别如图4所示，正交试验工况下的撞击力时程情况如图5所示。
表3 落石撞击桩基础正交试验设计方案
Table 3 Orthogonal test design scheme of rock-fall impact pile foundation
从图4（a）和（b）可以看出，落石质量和撞击速度变化对撞击力的影响趋势相似，随着撞击质量、速度的增大，撞击力线性增大。
从图4（c）可看出，随着落石撞击位置的增大，撞击力先增大后减小，接着呈现小幅度增大趋势。位置2m时撞击力达到峰值，4m过后撞击力变化不大。
分析图4（d），随着冲沟坡度增加，落石撞击力逐渐减小。在坡度45°~60°后，撞击力小幅增加后又减小，总体上呈缓慢下降趋势。
图5 不同工况下撞击力时程曲线
Fig. 5 The time curve of impact force under different working conditions
由图5可知，撞击力时程曲线的非线性波动特征强，有明显峰值，整体上呈现先增大后减小的变化趋势。在不同工况下，落石撞击力分别在撞击后0.05s~0.1s达到峰值，在0.2~0.25s减小至基本稳定状态。撞击力峰值最大者出现在工况22且远大于次者，最小者则出现在工况7。分析这两种工况可知，工况22的落石质量以及撞击速度均达到较大值，作用位置2m为撞击位置影响最大点，各项不利因素叠加导致出现峰值最大值，而工况7的落石、撞击速度及撞击作用位置均为影响因素较低值。综上可得，落石质量、撞击速度对撞击力的影响最大。
4.2落石撞击桥梁桩基础受力及变形情况
4.2.1水平位移分析
（1）水平位移变化
不同落石质量、撞击速度、撞击位置以及冲沟坡度对桥梁桩基础位移的影响情况如图6~图9所示。
(b)墩顶
(b)Pier top
图7 撞击速度
Fig. 7 impact velocity
从图6和7可看出，随落石质量、撞击速度增大，桩顶、撞击点以及墩顶的水平位移呈近似线性增大。图中负值代表位移方面与撞击速度的相反，下同。
(b)墩顶
(b)Pier top
图8 撞击位置
Fig. 8 Impact position
从图8可看出，随撞击位置高度的增大，水平位移呈现“倒S型”的变化趋势，位移值总体上保持基本稳定。当撞击位置为2m、6m时，桩顶、撞击点以及墩顶的水平位移均达到小峰值。
(b)墩顶
(b)Pier top
图9 冲沟坡度
Fig. 9 gully gradient
从图9可看出，同撞击位置不同引起水平位移变化的趋势相似，随冲沟坡度增大，总体上亦呈现“倒S型”的变化趋势，且γ=30°和45°之间变幅较为明显。
（2）水平位移时程
采用正交试验工况下的最大水平位移时程情况如图10所示。
由图10可知，不同工况下桩基桩顶、撞击点位置以及墩顶的水平位移时程曲线波动较复杂，随撞击时间增长，整体呈现出先增大后减小，并逐渐趋于稳定的趋势，即经一次撞击后迅速减小并基本保持位移状态至试验结束，整个过程大约持续0.25s。分析撞击作用下，桩基不同位置出现最大位移时的工况可知，桩顶最大位移发生在工况14，而撞击作用位置以及墩顶的最大位移发生在工况21。
①对于桩顶而言，撞击位置和速度对其挠曲影响程度大。上述单因素对结构影响分析结果得出，撞击位置位于距墩底2m处时位移最大，撞击速度越大，位移越大，工况14撞击位置为2m，撞击速度为最大速度10m/s，综合两种最不利因素，导致此工况下桩顶位移值最大。
②撞击作用位置以及墩顶的位移最大值均出现于工况21，即落石质量、撞击速度均为最大值时，对两个位置的位移影响最大。由此可知，在落石撞击桩基础的瞬间是对结构最不利的时刻，当撞击结束后，水平位移稳定在0mm~2mm内，可近似认为撞击结束后对桩基础结构无影响。
③墩顶与盖梁相连，盖梁两端X、Y、Z方向位移固定，墩顶会产生小幅度的反向水平位移。因此，墩顶位移方向与桩顶及撞击作用位置的位移方向相反。
(c)墩顶最大水平位移
(c)Maximum horizontal displacement of pier top
图10 不同工况下桩基最大水平位移时程图
Fig. 10 Maximum horizontal displacement time history under different working conditions
综上分析可得，撞击速度是影响桩基础水平位移变化的最重要因素，落石质量以及撞击作用位置都能对其产生重要影响，导致桩基础位移偏大。从曲线整体来看，不同工况下，桩顶水平位移作用持续时间最长，撞击点的水平位移是最大的。
4.2.2内力分析
（1）弯矩分布
因上部埋置土层抗力，各试验工况下桩基础弯矩均为负值。通过对比不同模拟工况下桩基弯矩变化情况可得，随撞击时间增长，桩基弯矩整体呈现先增大后减小的趋势。最大桩基弯矩出现于工况22，此为最不利计算工况。弯矩较大部分位于距桩顶0~6m范围内，其中距桩顶2m处的弯矩值最大。结果表明当落石撞击桩基时，桩顶部分先发生破坏机率大于桩身下部。图11为工况22对应的桩基弯矩分析。
(a)桥墩 (b)桩基础
(a)Bridge pier (b)Pile foundation
图13 模型应力分布特征云图
Fig. 13 Model stress distribution characteristics
（2）变形和应力分布
当落石正面撞击桩基础且撞击速度方向与水平线夹角为0°、t=0.1s时刻的等效应力云图详见图12，图13所示为桥墩和桩基础的应力分布特征云图。
从图12和图13分析可知：
①在桩基础直接与落石接触撞击的位置处出现应力集中现象，在落石撞击桥墩的瞬间，最大压应力出现在撞击区域中心，值约为7.5MPa；最大拉应力出现在与之相对的另一侧，约为10.0MPa。
②在落石撞击桩基础瞬间，在远离撞击一侧的桩顶出现最大拉应力，值约为1.2MPa；在远离撞击一侧的桩身中部出现最大压应力，值约为3.5MPa。
4.3落石撞击过程能量转换情况
图14 落石撞击过程中能量转化
Fig14 Energy conversion during rock-fall impact
从图14可看出，在落石撞击过程中，其动能主要转化为结构变形能、落石反弹动能以及热能三种形式。在撞击瞬间即0~0.1s，落石动能迅速减小，而桥墩变形能急速增大，能量之间快速相互转化，桥墩的温度热能则保持在低水平缓慢增大。0.1s过后，动能小幅增大并保持稳定，桥墩变形能对应小幅减小并保持稳定，动能、变形能以及温度热能在分别达到最小值和最大值之后趋于稳定。此时落石撞击过程中能量转化已基本完成，三者所占比例分别为11.25%、87.16%、1.58%，变形能所占比例最大，温度能最小。
结果表明：落石撞击过程产生的能量主要被混凝土结构以变形能的形式加以吸收，落石撞击结束后发生反弹，存在一定动能。而整个撞击过程历时极短因而热能所占比例最小。
结论
（1）撞击力随着落石质量和撞击速度的增加而增大，随着冲沟坡度的增加而缓慢减小，随着撞击位置高度增大而基本保持稳定，其中撞击速度影响程度最大，撞击位置最小。落石撞击历时在0.2s~0.25s范围内，撞击力在撞击后0.05s~0.1s出现最大值，在0.2~0.25s减小至最小值且趋于稳定。
（2）桩顶、撞击点及墩顶水平位移随着落石质量和撞击速度增大呈现显著线性增大趋势，随着冲沟坡度增大而缓慢减小，随着撞击位置高度增大而基本保持稳定。撞击速度对桩顶和撞击点水平位移的影响程度最大，撞击位置对墩顶水平位移影响最大。
（3）由于落石撞击桩基础时，作用力在短时内达到峰值，在大坡度、多冲刷等落石易发地段的桥梁墩台，建议设置消能防撞措施。
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论文作者:陈思晓1.2,冯忠居1,张帆3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/3
标签：落石论文; 位移论文; 工况论文; 桥梁论文; 位置论文; 速度论文; 桩基础论文; 《基层建设》2018年第33期论文;