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摘要：桩基础工程中的冲刷作用是指在地表水或地下渗流水的冲刷作用下，地基中的土颗粒被逐渐带走，掏空土体的过程。桩基础工程中经常遇到冲刷问题，如季节性河道上的桥梁、渠道的桩基础。本文主要介绍河水局部冲刷深度计算以及冲刷对桩基础承载力、动力性能影响的研究现状。最后结合国内外研究现状提出有待进一步解决的研究问题。
关键词：桩基础；冲刷；承载力；抗震
引言：
桥梁是现代交通体系中必不可少的组成部分，是影响城市经济发展和社会进步的重要因素。为保障社会经济顺利发展，桥梁安全性更为重要。由于环境影响，随着使用时间的增加，桥梁的安全性不断降低，近年来桥梁安全已成为全社会关注的话题。随着冲刷环境下桥梁使用年限的增加以及新建桥梁的增多，桥梁基础冲刷问题将变得更加严峻。冲刷是由于流水侵蚀河床或基础材料以及基础中土颗粒逐渐被带走的一种自然现象。文献表明，大多数桥梁破坏是由基础冲刷引起的，由于桥梁基础受到冲刷作用，使其抵抗地震作用的能力降低，并可能引起桩基础承台弯矩增大，桥梁更容易破坏。虽然对于河流的冲刷做了广泛的研究，但关于冲刷对桩基础的影响的研究比较少，因此，有必要深入研究冲刷环境下裸露桥梁桩基础的性能。
图1-1 桩基础冲刷裸露图
1 局部冲刷深度计算
局部冲刷深度的变化会直接改变桥梁的受力状态，影响桥梁的稳定。国内外学者在冲刷深度预测和墩台基础稳定性分析方法研究方面，取得了一些有益的成果。
劳尔平和齐梅兰采用二维空间中沿水宽平均的水流数学模型对河流中淹没建筑物附近的流场进行了数值模拟，为冲刷深度的计算分析提供了借鉴。
Myrhaug和Rue通过室内试验方法，对随机波浪下群桩的冲刷机理进行了研究。
齐梅兰等人通过对新型墩型系数的扩充实验，提出了新型桥墩冲刷深度预测公式。
Chen等通过水槽和地震台耦合试验研究了地震和洪水冲刷的耦合作用，研究指出地震和洪水冲刷同时发生时将导致桥墩基础的冲刷深度增大。
Alipour等研究了考虑冲刷深度计算公式参数不确定性下的冲刷桥梁抗震设计时冲刷荷载的修正系数，但是该研究未考虑洪水流量不确定性的影响。
近年来，国内外许多学者根据多年的经验，提出了冲刷深度的计算公式。事实上，这些方法的准确与否主要取决于经验参数的准确性。由于冲刷影响因素复杂多变，又带有区域局限性，对于冲刷深度的计算很难得到理想的效果。此外由于地基土被部分淘空，此时地基的不均匀沉降计算也有待于进一步研究。
2 冲刷对桩基础承载力的影响
桩基承载性状分析计算是一个传统而有意义的课题，目前对于这方面的研究很多，也有相对较成熟的理论计算方法，但是对于群桩基础在水流冲刷下承载性状影响的研究很少，而这在实际工程中却是经常遇到的一个问题。如在季节性河道上桥梁、渠道的桩基础就需要考虑到水流冲刷对桩基础承载能力的影响等。目前工程设计人员还很难对其进行较好的把握和判断，如何正确考虑水流冲刷对桩基础承载性能的影响，对于实际工程中进行安全、合理设计具有十分重要的意义。
闫澍旺等人用三维有限元耦合数值模型，对水流冲刷作用下桩基础从低承台向高承台的变化过程中承载性状变化的数值模拟方法进行探讨，得出一种较为理想的模拟方法，对于复合地基中的水流冲刷问题及类似桩-土相互作用中的开挖问题的数值模拟有一定的参考价值。结合工程实例，说明工程计算中简单按高承台计算来考虑水流冲刷作用对桩基承载性状的影响是不准确的。通过调整接触面单元和土体单元刚度，更全面地分析了不同条件下冲刷后桩基承载性状的变化规律，说明冲刷后土体有明显的回弹效应，工程计算中不能简单忽略。
王成华等人利用三维非线性有限元程序模拟分析群桩基础在水流冲刷条件下的承载性状。采用特殊土单元法考虑水流冲刷作用，避免了传统有限元程序计算中一些复杂、繁琐的工作。通过冲刷和不冲刷两种状态下桩基承载性状的对比，分析水流冲刷后群桩基础承载性状的变化情况，得出一些有益结论，同时也说明该方法能较好地模拟桩基中水流冲刷的作用，并针对实际工程的设计计算提出部分建议和意见。
曲广琇、康家涛等人围绕着湘黔铁路线上的资水大桥受冲刷后的稳定性展开研究，进行受冲刷墩台基础的地基承载力试验，从基底被冲刷淘空后引起的墩台地基不均匀沉降入手，应用弹性半空间地基模型和Matlab编制的计算程序分析计算了基底不同冲刷淘空面积对桥墩墩顶弹性水平位移和基底压应力的影响，从而得到了在不同冲刷程度下桥梁的整体稳定情况。计算结果显示，在发生小面积冲刷时，墩顶弹性水平位移率先达到允许值。此外还将该方法分析计算得到的数据于有限元方法分析得到的数据进行了比较，两种分析方法所得的结论相互验证。结果表明该分析方法是一种解决此类问题的有效方法。
3 冲刷对桩基础动力性能的影响
冲刷是桥梁破坏的主要因素之一。因为流水可以带走桥基处的泥沙，使桥基变浅，进而造成桥基位移破坏或者桥梁的倾斜。流水中携带的泥沙、石块等，还会对桥梁的水下结构造成削蚀作用。使桥梁上部结构与下部结构的连接减弱。流水还可以造成的桥梁基础埋深减小，和桥梁水下结构截面的削蚀，又会对桥梁的质量、刚度造成影响，进而改变桥梁的动力性能。对于改变了动力性能的桥梁在一些的条件下，又有可能因外力，如风、水流、地震波、爆破等，而引发共振破坏。
Foti和Sabia曾经对意大利都灵的一座五跨简支桥的修复前后分别进行过动力性能测试。该桥由于年久失修加上2000年的一场洪水，使得桥梁的基础埋深大大减小。2004年对该桥的修复使得该桥的基础埋深得到恢复。其对桥梁在基础埋深修复前后的对比，从一个侧面证明了水流冲刷对桥梁动力性能的影响。
Deger等人用300个单元建立了一个单跨混凝土拱桥的有限元模型，并通过线性分析采用受迫振动的方式，模拟了该模型振动，并求出前七阶振型和频率。
Charles和Tomas建立过一个三跨简支梁桥的有限元模型，并用于分析桥的动力特性。但该模型中没有设计加劲肋，也没有考虑到土体对于桥梁结构的影响。
鲁传安等人以工程实例群桩基础为背景，采用pushover分析方法，建立群桩基础弹塑性分析模型，分析了冲刷效应、设置斜桩、增加桩基配筋率三种因素对群桩基础抗震能力的影响。结果表明，桩基础在屈服状态和极限状态下的水平抗力对冲刷深度变化比较敏感。冲刷深度越深，桩基础的水平抗力越小。设置斜桩和适当增加桩基配筋率能在一定程度上改善群桩基础的抗震能力。
叶爱君，张喜刚等以一座超大跨度斜拉桥为工程背景，采用解析法和有限元模拟计算相结合的方法，对河床冲刷深度变化对大型桩基桥梁地震反应的影响进行初步探索性研究。建立两质点单墩模型，推导地震反应计算公式，用解析法计算桥墩及其基础的地震反应随河床冲刷深度变化的情况，分析高桩承台基础与桥墩的动力相互作用规律，结果表明，当桥墩和基础的自振周期相近时，会出现一个峰值，承台底剪力的共振效应不明显，弯矩会出现明显的共振峰值。无冲刷时，当基础的自振周期大于桥墩的自振周期时，随着冲刷深度的增大，桥墩及其基础的地震内力逐渐变小；当基础的自振周期小于桥墩的自振周期时，桥墩及其基础的地震内力先逐渐增大到达一个峰值，然后逐渐变小。
Han和Ye等还通过Pushover方法研究了冲刷对桥梁桩基的抗震承载力的影响，研究表明冲刷将导致桩基础承载力降低。
李一博等从冲刷深度和冲刷所造成的桥梁基础截面损失两个方面，分析水流冲刷对桥梁动力性能的影响。在总结已有的模型分析方法的基础之上，提出本文的有限元建模思路。并以密西西比河上被冲毁的33号公路桥为例，通过SAP2000软件建立有限元模型并进行模态分析，得到冲刷条件与桥梁动力性能之间的关系。研究表明：冲刷造成桥梁基础埋深减小使得桥梁自振周期上升，自振频率下降。使桥梁在荷载振动形式作用下，比如风振、车载振动等情况下是不利的。冲刷发生初期桥梁动力特性变化比较明显，变化值较大。且影响较大的是桥梁前两阶的自振周期，冲刷继续进展影响比较大的是后面几阶的自振周期。
4 需要深入研究的问题
从现有的研究可以看出，国内外在冲刷对桥梁抗震性能影响做了积极的探索研究。由于洪水强度以及地震发生时间和烈度的不确定性，所以还有一些问题有待进行深入的研究：
（1）对于考虑不同冲刷深度对桥梁桩基础抗震性能影响的研究中有较少的文献考虑了群桩，所以对于建立群桩的空间三维模型还需进一步的研究。
（2）除考虑极端事件发生的不确定性，对于桥梁结构其他参数的不确定性还需进一步的研究。
（3）针对冲刷环境下裸露桩基础在桥梁后续使用年限内的地震风险概率评估及其抗震加固方法的研究目前未见相关报告。
（4）基于荷载与抗力系数法的冲刷桥梁抗震设计还有待进一步深入研究。
参考文献：
[1]王志丰．考虑气候变化背景下基础冲刷对桥梁抗震性能的影响[D]．北京：北京交通大学，2012．
[2]叶爱君，张喜刚，刘伟岸．河床冲刷深度变化对大型桩基桥梁地震反应的影响[J]．土木工程学报，2007，40（3）：58-62．
论文作者:刘璐
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/25
标签：桥梁论文; 桩基础论文; 基础论文; 深度论文; 桩基论文; 桥墩论文; 水流论文; 《防护工程》2019年第6期论文;