王成華，高　洋，李全輝

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津　300072)

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沖刷條件下既有橋梁樁基礎(chǔ)工作性狀研究進(jìn)展

王成華，高洋，李全輝

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072)

摘要：水流沖刷可導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)周圍土體受到侵蝕，其后果輕則降低樁基礎(chǔ)承載力，重則導(dǎo)致整座橋梁坍塌。盡管有關(guān)橋梁樁基礎(chǔ)沖刷的研究很多，而涉及如何評價沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀影響的研究卻較少，但正在受到學(xué)術(shù)界與工程界的高度重視。在分析由沖刷引起橋墩、橋臺及樁基病害的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面評述沖刷條件下，樁基水平和豎向承載性狀的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，認(rèn)為急需更多系統(tǒng)性的研究以探求合理的理論分析方法。因而，有必要進(jìn)行大量的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)甚至是現(xiàn)場試驗(yàn)來研究樁基的沖刷性狀，進(jìn)而為找到分析沖刷對整座橋梁結(jié)構(gòu)安全性能影響的實(shí)用評估方法提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基礎(chǔ)；沖刷；理論分析；數(shù)值分析；模型試驗(yàn)

面教學(xué)與科研工作，E-mail:chwang@tju.edu.cn。

1概述

沖刷是導(dǎo)致橋梁毀壞的主要原因之一。近些年，隨著高速鐵路和重載高速交通的發(fā)展，我國所建鐵路、公路跨河跨海的大型橋梁，多數(shù)采用深水群樁基礎(chǔ)，其體積、阻水面積均較大，在循環(huán)荷載和沖刷的作用下，使得樁基礎(chǔ)承載性狀顯著變化，由此可能引起橋梁毀壞和基礎(chǔ)裸露等嚴(yán)重安全隱患。

國內(nèi)外研究人員對沖刷造成的毀壞進(jìn)行了調(diào)查研究。2001年，美國“橋梁沖刷計算”報告中指出，在過去的30年中，美國有1 000座橋梁遭到破壞，其中，有60%的毀壞是由于沖刷導(dǎo)致的[1-2]。Wardhana和Hadipriono研究了1989年至2000年間美國的503次橋梁毀壞，其中與水流沖刷相關(guān)的事故高達(dá)243次[3]。2010年，湖南省高速公路管理局對320余座橋梁進(jìn)行了水下檢測，檢查結(jié)果表明：大多數(shù)橋梁墩臺存在不同程度的沖刷現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著橋梁結(jié)構(gòu)安全和使用者的安全，沖刷導(dǎo)致的橋梁損壞或破壞具有高隱蔽性，一旦破壞修復(fù)成本巨大[2]。由此可見，沖刷是導(dǎo)致橋梁毀壞、坍塌的主要原因之一。

目前，研究人員對橋梁的沖刷行為及最大沖刷深度的預(yù)測做了大量的研究[4-6]，但已有的研究主要集中在沖刷現(xiàn)象本身，如沖刷機(jī)理、沖刷坑的模擬等，主要研究內(nèi)容體現(xiàn)在三方面：基礎(chǔ)范圍土體沖刷深度及范圍、局部沖刷坑的確定；水流沖刷作用力對地下結(jié)構(gòu)物的影響；水流沖刷對基礎(chǔ)的侵蝕作用[7-10]。然而，針對沖刷敏感性橋梁，如何評估沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)甚至整座橋梁承載性狀、安全性、穩(wěn)定性等的影響卻十分有限，其中涉及沖刷前后樁基礎(chǔ)荷載傳遞、承載性狀變化等機(jī)制仍不夠清楚，這方面研究勢在必行。

綜上所述，研究河流沖刷對既有橋梁基礎(chǔ)的影響意義重大。在分析由沖刷引起橋墩、橋臺及樁基病害的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面評述沖刷條件下，樁基礎(chǔ)水平和豎向承載性狀變化的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，并對研究提出進(jìn)一步建議。

2橋梁樁基礎(chǔ)沖刷問題描述

2.1　橋梁樁基礎(chǔ)沖刷類型

建橋后，除河床的自然演變外，還有橋梁孔徑壓縮水流和墩臺阻擋水流引起的沖刷，各種沖刷交織在一起同時進(jìn)行，沖刷過程十分復(fù)雜。為了便于研究，在我國橋涵水文學(xué)中，將河流沖刷一般分為：自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。其中，自然演變沖刷不是水工結(jié)構(gòu)物造成的沖刷[11]，故此類沖刷不是研究的重點(diǎn)。

一般沖刷是因橋孔壓縮，水流單寬通過量增加，橋孔上下游河床面上的泥沙被急速通過的水流帶走，導(dǎo)致橋位附近的床面下降的沖刷[12]，一般沖刷在橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生。

局部沖刷，是造成橋梁水毀事故發(fā)生的主要原因。由于橋梁墩、臺的存在，阻擋了水流的行進(jìn)，改變了結(jié)構(gòu)物的局部流場，引起結(jié)構(gòu)物周圍急劇的泥沙運(yùn)動，形成局部沖刷坑，使得基礎(chǔ)周圍土側(cè)抗力減小，基底應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載性狀的變化，甚至失效。

2.2　沖刷造成橋梁基礎(chǔ)的病害及處理措施

對于跨?？绾拥拇笮蜆蛄?，其基礎(chǔ)長期處于復(fù)雜的水環(huán)境中，在沖刷作用下，使得河床下切，基礎(chǔ)埋置深度減小，從而造成基礎(chǔ)病害，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力降低甚至失效。與沖刷類型相對應(yīng)，沖刷造成的病害亦可以分為一般沖刷病害和局部沖刷病害，見圖1[2]。

圖1　河流沖刷導(dǎo)致的既有橋梁病害

當(dāng)河流長時間沖刷橋梁墩臺時，不僅會造成橋梁墩臺本身的破損，還會出現(xiàn)樁頭外露、水蝕縮徑、樁頭銹斑、樁頭外漏、鋼筋籠偏位銹蝕等病害[13]，導(dǎo)致樁的控制彎矩增加，降低樁基的承載力。

當(dāng)出現(xiàn)橋梁墩臺基底被淘空時，因其墩臺基礎(chǔ)受力面積發(fā)生變化，基底應(yīng)力將會重新分布，并導(dǎo)致橋梁墩(臺)身及基礎(chǔ)的承載力變化。因此需要對承載力進(jìn)行重新驗(yàn)算，以評估沖刷發(fā)生后橋墩的安全性和穩(wěn)定性[14]。

針對沖刷已造成的橋梁基礎(chǔ)病害，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例，可采取以下措施來改變沖刷后基礎(chǔ)的承載性狀，防止橋梁水毀事故的發(fā)生[13，15-16]。

(1)驗(yàn)算沖刷后樁基承載力，若承載力不足，可采取加樁的方式，如橫向加樁、豎向加樁或兩者結(jié)合等方法，提高樁基承載力；

(2)對露筋的樁基礎(chǔ)表面可以采取植筋、混凝土包裹等方式處理，防止侵蝕進(jìn)一步發(fā)展；

(3)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和檢測，并嚴(yán)禁橋址附近的采砂作業(yè)，防止河床下切；

(4)承臺周圍布置防沖刷樁，減小對樁基的影響；

(5)沖刷范圍內(nèi)可以對河床處理，如混凝土鋪砌等，但需考慮經(jīng)濟(jì)問題，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況處理。

上述措施主要是針對沖刷已導(dǎo)致既有橋梁樁基礎(chǔ)出現(xiàn)病害時采取的，工程中可根據(jù)沖刷造成病害的不同程度，并考慮經(jīng)濟(jì)性、可行性等方面做出處理，提高基礎(chǔ)承載力，進(jìn)而達(dá)到防止病害進(jìn)一步發(fā)展的目的。

3橋梁沖刷理論分析方法

3.1　沖刷深度計算

工程設(shè)計中，一般將沖刷深度進(jìn)行簡化計算，即分別計算一般沖刷深度和局部沖刷深度，二者之和即總沖刷深度[17]。國內(nèi)外對于一般沖刷和局部沖刷已有不少計算公式，僅就我國相關(guān)規(guī)范中一般沖刷深度和局部沖刷深度的計算做簡略說明。

(1)一般沖刷深度計算[18]

一般沖刷深度是指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計水位算起的最大垂線水深。在我國，《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(TB 10017—99)中鐵路橋橋下一般沖刷計算用64-1修正式，《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2002)中公路橋梁下一般沖刷用64-1修正式或64-2簡化式均可。

(2)局部沖刷深度計算[18]

為了便于分析計算，假定橋墩局部沖刷是在一般沖刷后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即沖刷計算公式中的相關(guān)參數(shù)采用一般沖刷后的具體參數(shù)?！惰F路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(TB 10017—99)要求非黏性土河床局部沖刷按照65-1修正式計算，《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2002)中局部沖刷既可按65-1修正式計算也可按65-2式計算。

3.2　沖刷對樁基水平承載性狀的理論分析方法

3.2.1沖刷條件下橋梁樁基沖刷坑形態(tài)的簡化

目前為止，可利用的關(guān)于沖刷樁行為的研究是很有限的，大多數(shù)的研究中將沖刷深度假定為樁無支承長度的增加，移除假定沖刷范圍內(nèi)整層土體[19]，即一般沖刷模型，如圖2所示[20]。亦有研究人員考慮沖刷坑尺寸因素，不僅考慮沖刷深度，同時考慮了沖刷寬度、沖刷坡度等因素的影響，即局部沖刷模型，如圖3所示[19-20]。

圖2　一般沖刷模型

圖3　局部沖刷模型

一般沖刷和局部沖刷的沖刷坑形態(tài)均是按照均勻沖刷坑來考慮的，與實(shí)際沖刷坑形態(tài)仍有差別，雖然已有相關(guān)研究證明沖刷深度是最主要的影響因素，但目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍很少，需要進(jìn)一步研究論證。

3.2.2基于p-y曲線的簡化模型研究

研究沖刷對橋梁樁基水平承載特性的影響要建立合適的分析模型。諸多學(xué)者認(rèn)為，沖刷過程中水平荷載對于樁基的負(fù)面影響是主要的，因此將受沖刷樁基簡化為水平受荷樁是比較合理的，并基于水平受荷樁的p-y曲線法進(jìn)行了大量的研究。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo (2012)基于p-y曲線，針對土壤剛度、樁頂邊界條件以及樁長細(xì)比等因素對砂土中單樁沖刷條件下的水平承載力進(jìn)行了研究[21]，從不同方面討論沖刷對樁基水平承載特性的影響。

馬殿濱、李志剛、段夢蘭等(2012)，基于沖刷作用下砂土地基土體特性的變化，對平臺樁基承載力性狀進(jìn)行了研究，提出沖刷后砂土地基極限土抗力計算公式，并對樁基土抗力p-y曲線進(jìn)行了修正。分析表明，忽略沖刷后土體特性的變化可能會導(dǎo)致橫向受荷樁過于保守設(shè)計[22]，該方法考慮了沖刷前后土體經(jīng)歷的應(yīng)力過程的變化及土體特性的變化，可以更好地反映沖刷前后樁基水平承載特性的變化。

Cheng Lin， Jie Han， et.al.(2014)提出考慮沖刷坑的尺寸效應(yīng),研究沖刷條件下砂土中單樁的承載性狀，并基于p-y曲線提出了相關(guān)的模型，其數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該方法與有限元分析的方法結(jié)果吻合很好，有一定的工程應(yīng)用意義[23]。

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons(2009)在研究群樁受沖刷時的性狀，提出了利用等效單樁法來分析群樁的沖刷性狀，對等效單樁的p-y曲線進(jìn)行了修正，分析群樁沖刷后的承載性狀[24]，該方法將等效單樁法與p-y曲線相結(jié)合，對研究群樁的沖刷性狀有一定的指導(dǎo)意義。

3.2.3其他簡化方法

國內(nèi)外研究人員除了在基于p-y曲線法研究沖刷條件下的樁基之外，還提出了以下幾種簡化方法[19]。

第一種簡化方法是單樁在特定的邊界條件下進(jìn)行沖刷，如單樁與大地鉸接或固定連接。Daniels發(fā)表了一系列關(guān)于橋梁樁基沖刷的文章，研究中樁與大地鉸接的情形[25-26]，但該條件下的單樁與實(shí)際情況存在一定偏差，且沒有對沖刷性狀做詳細(xì)的研究。

第二種簡化方法是將樁基礎(chǔ)視為有一定埋深且樁底固定的獨(dú)立樁，通過增加樁基礎(chǔ)的無支撐長度來考慮沖刷對單樁的影響，并可利用方程來求出不同類型土體中樁底固定點(diǎn)的位置[27-28]。

第三種方法是考慮樁-土相互作用，利用離散的非線性土彈簧模型來模擬，提出一種沖刷條件下群樁承載特性的三維分析方法，該方法通過土體剛度的減小來考慮沖刷的影響[29-30]。

3.2.4簡化分析方法的若干討論

總結(jié)沖刷對樁基水平承載特性影響的理論簡化方法，可以得到幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)基于p-y曲線研究樁基的水平承載特性，該方法得到了較為理想的結(jié)果，但是沖刷條件下的p-y曲線缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)來提供其合理化參數(shù)。

(2)其他簡化方法中，簡化方法一、二，雖然也對樁基水平承載特性的研究進(jìn)行了簡化，但與實(shí)際情況有一定偏差，具有一定的局限性。而簡化方法三，利用土彈簧來模擬樁-土相互作用，通過土體剛度的減小來模擬沖刷，而沖刷前后土體剛度的確定需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。

(3)無論是哪種簡化方法，都仍需要現(xiàn)場試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬來論證其合理性。

3.3　沖刷對樁基豎向響應(yīng)的理論分析方法

從以往的研究來看，大部分學(xué)者認(rèn)為沖刷過程中水平荷載對樁基的不利影響主要，研究重點(diǎn)大都為沖刷對樁基的水平響應(yīng)，而忽略了對樁基豎向承載性狀的研究。目前，沖刷對橋梁樁基的影響還處在初級階段，對其理論簡化方法仍需要繼續(xù)研究。

4數(shù)值分析方法

4.1　沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)水平承載特性的影響

橋梁樁基礎(chǔ)在水流沖刷作用下，特別是洪水的沖刷，其水平荷載對橋梁樁基礎(chǔ)起控制作用，因此，研究人員對沖刷條件下橋梁基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行了初步的研究。

陳鵬、李文華與范濤等針對河水沖刷導(dǎo)致的橋梁樁基土體的流失與淤積及產(chǎn)生的邊界條件的變化，采用FLAC3D通過對一承臺四樁體模型的三維有限差分的計算，得到相應(yīng)應(yīng)力和位移變化的定量關(guān)系。結(jié)果表明：沖刷對樁體產(chǎn)生的作用較為明顯，豎向位移、水平位移和應(yīng)力都有較大程度的改變。尤其樁體在水平方向上的位移對樁的安全影響很大[31]。

Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo采用基于p-y曲線法的LPILE PLUS程序分析均勻砂土中單樁-土模型的水平響應(yīng)?？紤]土壤剛度、樁頭固定條件以及樁長細(xì)比等因素，采用保守方式不考慮剩余砂土應(yīng)力歷史的影響，通過慢慢移除樁周砂土來研究不同沖刷深度對樁水平承載性狀的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)沖刷深度達(dá)到樁徑的1.3～2.4倍時樁水平承載力下降50%，樁頭被固定的樁更能抵抗水平負(fù)載損失，且對短樁來說沖刷引起的水平承載力降低更為嚴(yán)重[21]。

陳穩(wěn)對竹埠港大橋利用ANSYS建立了全橋模型，分別對大橋左幅11號墩～19號墩柱樁基埋深被沖刷0%(完整狀態(tài))、10%、15%，以及極端狀況沖刷50%等不同沖刷狀況下進(jìn)行船舶碰撞力作用下的動力響應(yīng)分析。計算得到了反映橋墩水平承載力的墩頂位移及墩身應(yīng)力，結(jié)果表明：橋墩沖刷狀況對墩頂位移及墩身應(yīng)力的影響呈非線性；當(dāng)橋墩沖刷深度達(dá)到50%時，竹埠港大橋在遭遇船舶撞擊的情況下，最大墩頂位移接近規(guī)范允許最大值。如果沖刷狀況繼續(xù)惡劣，橋墩水平承載力不足以抵抗船撞力，將對全橋穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重威脅[2]。

Cheng Lin， Jie Han，等利用FLAC3D建立三維有限元模型(圖4)，所建立的模型用以評估砂土中沖刷坑尺寸對樁基的水平受荷響應(yīng)。計算結(jié)果表明，與沖刷坑寬度和坡度相比，沖刷深度是影響樁承載特性的最主要因素?；趨?shù)敏感性分析來研究沖刷引起的樁水平位移，移除沖刷范圍內(nèi)整個土層模型計算結(jié)果比考慮三維沖刷坑尺寸的模型結(jié)果大49%～68%[23]。

圖4　考慮沖刷坑尺寸的有限元模型

Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons基于等效單樁法和p-y曲線，利用LPILE 5.0來分析沖刷對群樁水平承載特性的影響。研究了堪薩斯45號大橋的樁基礎(chǔ)受沖刷后的水平響應(yīng)，分析了沖刷深度和樁頂約束條件對樁頂總位移以及樁身撓曲的影響。研究結(jié)果表明，沖刷可降低群樁的水平承載力，尤其當(dāng)沖刷深度達(dá)到樁頂以下時。此外，沖刷改變了群樁的撓曲影響深度、彎矩和剪力分布[24]。

胡丹，李芬，張開銀采用FLAC3D軟件分析沖刷角、樁頂固定方式和不同沖刷深度下單樁的水平承載力性狀的變化，得到如下結(jié)論：不同沖刷坡角，樁基承載力受沖刷范圍的影響不明顯；樁頭固定有利于減小沖刷對樁基承載力的影響[32]。

綜上所述，影響沖刷后樁基水平承載特性的因素如下：沖刷深度、樁頭固定條件、樁長細(xì)比、土壤剛度、沖刷后土體參數(shù)的變化、土體應(yīng)力歷史的影響、沖刷寬度和沖刷坡度等。其中，沖刷深度是沖刷坑尺寸的主要因素。

目前，沖刷條件下，橋梁樁基礎(chǔ)、橋墩等水平承載特性的數(shù)值分析研究大多是基于水平受荷樁的p-y曲線，對單樁水平承載特性的研究，其結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。但是目前對沖刷條件下群樁水平承載特性的數(shù)值分析仍很少，后續(xù)研究需要進(jìn)行大量的數(shù)值分析。

4.2　沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載特性的影響

橋梁沖刷造成的水毀事故中，由于橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載力不足而造成的事故越來越多，這就使得研究人員不僅關(guān)心樁基礎(chǔ)的水平承載特性，而且更加重視橋梁樁基的豎向承載特性的研究。

王成華、高江林、閆澍旺等人利用三維非線性有限元程序分析群樁基礎(chǔ)受沖刷條件下的豎向承載性狀，提出開挖的方法模擬土體沖刷，通過調(diào)整接觸單元和土體單元的剛度來分析沖刷后樁基承載特性的變化規(guī)律，并指出沖刷后樁的回彈效應(yīng)不可忽視。在工程實(shí)際設(shè)計計算中，對于存在水流沖刷的情況，應(yīng)優(yōu)先考慮端承型樁基礎(chǔ)；對于樁端土較軟的摩擦樁，應(yīng)特別注意在沖刷后樁端土是否滿足承載要求，采取合理方案，防止刺入破壞[10，33-34]。

梁鍇、方理剛與段靚靚提出了橋墩在各種不同沖刷程度下，通過改變基底的支承方式模擬基礎(chǔ)底部被淘空的途徑，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行基底壓力和墩頂位移計算分析的方法。該方法可分析墩頂最大橫向、縱向、豎向位移等因素引起基礎(chǔ)的各種變形與應(yīng)力的變化，為受沖刷橋墩的穩(wěn)定性分析提供了有力的依據(jù)[8]。

曲廣琇、康家濤與王華等進(jìn)行了資水大橋受沖刷墩臺基礎(chǔ)的地基承載力試驗(yàn)，從基底被沖刷淘空后引起的墩臺地基不均勻沉降入手，應(yīng)用彈性半空間地基模型和Matlab編制的計算程序分析計算了基底不同沖刷淘空面積對橋墩頂彈性位移和基底壓應(yīng)力的影響，從而得到了在不同沖刷程度下橋梁的整體穩(wěn)定的情況[35]。

薛九天、王偉與楊敏預(yù)測了單樁基礎(chǔ)周圍泥沙沖刷深度，指出沖刷對樁基礎(chǔ)豎向承載性能影響不可忽視。對比分析了沖刷前后樁基礎(chǔ)豎向承載力與豎向沉降，結(jié)果表明沖刷后樁基礎(chǔ)承載性能明顯減弱，沉降值明顯增大。因此，在海上風(fēng)電機(jī)樁基礎(chǔ)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮沖刷作用對樁基礎(chǔ)承載性能的影響，必要時應(yīng)增加防沖刷措施[36]。

王楠、徐永臣與宋玉鵬等利用有限元中的生死單元功能，即將沖刷范圍內(nèi)土體“殺死”，來分析沖刷作用對樁基豎向承載力的影響。結(jié)果表明，沖刷作用對樁基承載力產(chǎn)生顯著的不利影響，造成持力層有效厚度減小及樁靴入土深度變淺，進(jìn)而導(dǎo)致樁基承載力下降，需要在工程中予以足夠的重視，及時采取工程處理措施來預(yù)防應(yīng)對[37]。

陳穩(wěn)選取竹埠港湘江大橋沖刷最為嚴(yán)重的右幅10號墩作為研究對象，建立其空間有限元分析模型。依據(jù)水下檢測資料，模擬其墩身損傷，對橋墩豎向極限承載力進(jìn)行非線性有限元分析。計算結(jié)果表明:沖刷造成的墩身損傷導(dǎo)致10號墩豎向承載力與完好墩相比損失了20%左右[2]。

Liang Fa-Yun， Wang Ya-qiang， Han Jie 利用ABAQUS軟件對沖刷條件下樁基的承載力進(jìn)行了分析，研究了局部沖刷和一般沖刷對樁基的影響。一般沖刷與局部沖刷的有限元模型如圖5所示，得出如下結(jié)論：沖刷對樁基礎(chǔ)的豎向承載力有一定的負(fù)面影響；相對于一般沖刷而言，局部沖刷對樁的影響性狀較小，沖刷的影響依賴于沖刷寬度[38]。

圖5　單樁沖刷問題有限元模型

李全輝利用ABAQUS有限元分析軟件，引入模擬開挖的思想，將土體沖刷過程看作開挖土體的過程，考慮沖刷坑的深度、寬度、坡度等的影響(圖6)，并針對土體剛度、樁長細(xì)比等因素分析了高、低承臺單樁基礎(chǔ)遭受沖刷過程中，不同工況條件下，樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，沖刷深度是影響樁基豎向承載特性的最主要因素；沖刷完成后，短樁的豎向極限承載力損失程度更大、樁基礎(chǔ)更容易失效，增大樁徑有利于減緩樁基由沖刷導(dǎo)致的豎向承載力降低的趨勢，但效果不明顯[20]。

圖6　三維有限元模型

綜上所述，影響沖刷后樁基豎向承載特性的因素：沖刷深度、土體剛度、樁長細(xì)比、沖刷寬度、沖刷坡度等因素，且沖刷深度仍為沖刷坑的主要因素。

現(xiàn)階段，沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)、橋墩等豎向承載特性的數(shù)值模擬，其沖刷坑形態(tài)主要以均勻沖刷為前提，但是這與實(shí)際情況并不完全相符。不同的沖刷坑形態(tài)對橋梁基礎(chǔ)豎向承載特性的研究，仍待大量的數(shù)值分析來探討，且目前的研究工作主要集中于單樁，對群樁豎向承載特性的研究是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

5橋梁沖刷的模型試驗(yàn)研究

橋梁沖刷的模型試驗(yàn)研究也是研究沖刷對橋梁樁基承載力影響的重要方法之一，研究人員進(jìn)行了相關(guān)的模型試驗(yàn)研究。

Yu Qing-quan， Gong Wei-ming研究了由16根樁組成的群樁模型試驗(yàn)，如圖7所示，分別測試了在沖刷前、后群樁的豎向極限承載力，詳細(xì)分析Q-S曲線、軸力、荷載傳遞、側(cè)摩阻力和端阻力分布的規(guī)律。試驗(yàn)得到如下結(jié)論：(1)細(xì)砂中群樁沖刷前、后的Q-S曲線都有陡降段；(2)沖刷前、后樁側(cè)和樁端摩阻力，在極限狀態(tài)下，幾乎相同；(3)有剛性承臺的群樁，各樁承擔(dān)荷載的遞減順序?yàn)椋航菢?、邊樁、中間樁[39]。

圖7　群樁沖刷前后圖示

梁發(fā)云、李彥初與陳海兵通過模型試驗(yàn)對高鐵橋梁單樁基礎(chǔ)進(jìn)行靜載試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)，探討了不同沖刷深度下單樁循環(huán)累積沉降和動位移幅值的發(fā)展規(guī)律.研究結(jié)果表明：樁基循環(huán)累積沉降隨沖刷深度增加而增加，對于沖刷深度較小的樁，循環(huán)累積沉降和沉降平均速率在較少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)即可趨于穩(wěn)定；而對于沖刷深度較大的樁，循環(huán)累積沉降大且發(fā)展較快，達(dá)到穩(wěn)定需要的時間長，甚至持續(xù)發(fā)展以致破壞，在實(shí)際工程中應(yīng)重視長期循環(huán)累積沉降對其承載特性的影響[40]。

胡丹，李芬，張開銀通過自行設(shè)計加工的水平加載裝置，考慮沖刷深度，利用開挖的方法進(jìn)行了一系列不同沖刷深度下的樁基室內(nèi)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：樁基水平極限承載力隨著沖刷深度的增加呈減小趨勢，當(dāng)沖刷深度超過8倍樁徑時，水平極限承載力下降曲線趨于平緩[32]。

梁發(fā)云，王琛，王玉等通過波流水槽試驗(yàn)，對黏性-砂性土層的局部沖刷機(jī)理進(jìn)行了研究，并對比分析了沖刷對單樁、雙樁在砂性土及黏性-砂性土兩種不同土性的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，黏性-砂性土層中的沖刷比單一砂性土層的最終沖刷深度?。磺茵ば?砂性土分層的沖刷曲線存在臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該臨界點(diǎn)前后沖刷速率發(fā)生明顯變化，這種突變在工程中存在著安全隱患[41]。

河流沖刷對樁基礎(chǔ)承載特性影響的試驗(yàn)，國內(nèi)外研究甚少，試驗(yàn)過程中可能遇到的各種各樣的問題，如沖刷過程的模擬是否考慮水流的作用，沖刷坑的形成是否除了開挖還有更好的模擬方法，對樁頂位移的測量精度是否能夠滿足要求等等，這些都是在今后的模型試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)有待解決的。

6結(jié)論及展望

6.1　結(jié)論

沖刷對橋梁墩臺、樁基礎(chǔ)帶來的安全隱患是不容忽視的，現(xiàn)在越來越受到學(xué)術(shù)界與工程界的重視。綜上所述，可得到如下結(jié)論。

(1)沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)水平承載特性的理論分析方法及數(shù)值分析方法多數(shù)基于p-y曲線，而對于豎向承載特性的簡化方法仍需進(jìn)一步研究。

(2)由大量的數(shù)值分析，可以得出影響橋梁基礎(chǔ)承載特性的因素：沖刷深度、樁頭固定條件、樁長細(xì)比、土壤剛度、沖刷寬度和沖刷坡度等。其中，沖刷深度是沖刷坑尺寸的主要因素。

(3)通過沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀影響的模型試驗(yàn)，得出沖刷后橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀的變化規(guī)律。

6.2　展望

通過對已有文獻(xiàn)的評述，研究沖刷對橋梁基礎(chǔ)存在的問題，可以做出如下展望。

(1)沖刷條件下橋梁基礎(chǔ)豎向承載性狀實(shí)用理論分析方法有待于改進(jìn)及加強(qiáng)。

(2)橋梁沖刷的常規(guī)模型試驗(yàn)有很大局限性，建議今后能結(jié)合工程開展足尺試驗(yàn)來更好地研究沖刷過程，同時應(yīng)開展沖刷的現(xiàn)場監(jiān)測工作。

(3)沖刷過程是動態(tài)的，而沖刷試驗(yàn)往往采用開挖的方法來模擬，且為靜態(tài)試驗(yàn)，故急需開展模擬動態(tài)沖刷過程的研究。

(4)目前橋梁基礎(chǔ)沖刷問題的研究主要在單樁承載性狀的方面，今后應(yīng)重點(diǎn)開展在沖刷條件下群樁承載性狀研究。

(5)要評估橋梁的安全性能，就需要采用橋梁上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基相互作用的方法來分析沖刷條件下橋梁的工作性狀。

參考文獻(xiàn)：

[1]Richardson E V， Davis S R. Evaluating scour at bridges. Publication No. FHWA NHI01-001， Hydraulic Engineering Circular NO.18， Federal Highway Administration， U.S. Department of Transportation. 2001.

[2]陳穩(wěn).河流沖刷對既有橋梁墩臺承載力影響的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2013.

[3]Lagasse P F， Clopper P E， Zevenbergen L W， et al. National cooperative highway research program (NCHRP Repot 593): countermeasures to protect bridge piers from scour[R]. Washington D C: Transportation Research Board， 2007.

[4]劉震卿.橋梁墩臺局部沖刷與CFD仿真研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.

[5]詹磊，董耀華，惠曉曉.橋墩局部沖刷研究綜述[J].水利水電科技，2007(9)：27-30.

[6]周玉利，王亞玲.橋墩局部沖刷深度的預(yù)測[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1999，19(4)：161-168.

[7]Richard Avent R，Alawady Mohamed. Bridge scour and substructure deterioration: case study[J]. Journal of Bridge Engineering，ASCE，2005，10(3)：247-254.

[8]梁鍇，方理剛，段靚靚.沖刷對橋墩穩(wěn)定性影響的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2006，27(9)：1643-1645.

[9]Peggy A J，Denial A D. Probabilistic bridge Scour estimates[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1998，124(7)：750-754.

[10]閆澍旺，高江林，王成華.水流沖刷對樁基承載性狀的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2009，30(5)：1458-1464.

[11]鄭從信.橋墩沖刷保護(hù)機(jī)構(gòu)之現(xiàn)地試驗(yàn)與探討[D].臺北：成功大學(xué)，2007.

[12]孟慶峰.橋渡局部沖深度預(yù)測方法研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2008.

[13]宋春霞，馬曄，楊宇，等.橋梁水中樁基病害分析與防治[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2012(7):41-43.

[14]康家濤.沖刷對橋墩安全性的影響研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[15]操川.高速公路橋梁樁基沖刷加固處理[J].橋梁與隧道工程，2014：116117.

[16]黎泰良.橋墩樁基沖刷病害加固設(shè)計研究[J].福建建筑，2012(7)：60-63.

[17]齊梅蘭.采砂河床橋墩沖刷研究[J].水力學(xué)報，2005，36(7)：835-838.

[18]張玉娥.橋渡設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[19]Liang Fa-yun. A literature review on behavior of scoured piles under bridges[J]. International Foundation Congress and Equipment Expo， 2009:482-488.

[20]李全輝.河道沖刷對既有橋梁單樁基礎(chǔ)豎向承載性狀影響的數(shù)值分析[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[21]Sheng-Huoo Ni， Yan-Hong Huang， Kuo-Feng Lo. Numerical investigation of the scouring effect on the lateral response of piles in sand[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2012，26:320-325.

[22]馬殿濱，李志剛，段夢蘭,等.沖刷后地基土體特性及平臺樁基承載力研究[J].石油機(jī)械，2012，6(40)：54-58.

[23]Cheng Lin， Jie Han， et al. Analysis of laterally loaded piles in sand considering scour hole dimensions[J]. Geotechanical Geoenvironmental， 2014，140(04014024):1-13.

[24]Caroline R. Bennett， Cheng Lin， Robert Parsons. Evaluation of behavior of a laterally loaded bridge pile group under scour conditions [J]. Structures Congress， ASCE， 2009:290-299.

[25]Daniels, Hughes. Effects of pile bent geometry and levels of scour and P loads on bent pushover load in extreme flood/scour events [J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction， 2007，12(2):122-134.

[26]Hughes， Ramey， Hughes. Bridge pile bent number of piles and X-bracing on system: Impact on pushover capacity as scour increases [J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction， 2007，12(2):82-95.

[27]Davisson M T， Robinson K E. Bending and buckling of partially embedded piles[J]. Proc. 6thInternational Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering， 3:243-246.

[28]Ferdous. Pile capacity utilization for bridge bents designed using simplified procedures[J]. Master’s Thesis. Louisiana State University， Baton Rouge.

[29]Li. Displacement analysis of scoured pile foundation un-der lateral loading[J]. National Cheng Kung University， Tainan City (in Chinese).

[30]Jeong， Won. Analysis of pile groups considering riverbed scouring[J]. First International Conference on Scour of Foundations ICSF-1， Texas.

[31]陳鵬，李文華，范濤,等.土體沖刷對橋梁樁基影響的三維差分模擬計算分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007(10):23-26.

[32]胡丹，李芬，張開銀.沖刷作用下單樁水平承載特性試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報，2015(S1):263-266.

[33]王成華，高江林，高文梅.群樁在水流沖刷影響下的承載性狀研究[J].低溫建筑技術(shù)，2006(3):60-63.

[34]高江林.水流沖刷對群樁承載性狀影響的研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[35]曲廣琇，康家濤，王華,等.受沖刷橋梁墩臺基礎(chǔ)地基承載力試驗(yàn)與墩臺穩(wěn)定性研究[J].公路工程，2008，33(4):61-66.

[36]薛九天，王偉，楊敏. 海水沖刷效應(yīng)對海上風(fēng)機(jī)樁基承載性能的研究[J].建筑科學(xué)，2012，28(S1)：84-88.

[37]王楠，徐永臣，宋玉鵬,等.沖刷作用下樁基承載力分析[J].海洋地質(zhì)前沿，2013，29(9)：54-58.

[38]Liang Fayun， Wang Yaqiang， Han Jie. Numerical analysis of scouring effects on the behavior of pile foundations with the Mohr-Coulomb Model [J]. Geotechnical Special Publication No. 214 ? ASCE, 2011:82-87.

[39]Yu Qingquan， Gong Weiming. Test research on the influence of pile group vertical bearing characteristic due to water scouring, 2011 IEEE: 808-811.

[40]梁發(fā)云，李彥初，陳海兵.沖刷作用下單樁循環(huán)加載特性的模型試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，42(10)：1511-1515.

[41]梁發(fā)云，王琛，王玉，等.黏性-砂性土層中群樁基礎(chǔ)沖刷特性波流水槽試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報，2015(S1):79-83.

Current Development in Behavior Study of Pile Foundation of Bridge Subject to Scouring

WANG Cheng-hua， GAO Yang， LI Quan-hui

(School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China)

Abstract：Soil erosion caused by scour occurs around pile foundation of bridge and may reduce the capacity of foundations and even lead to failure of bridge. Even though many researches focus on the behavior of pile foundation subject to scouring and few are involved in the evaluation of the effect of scouring on pile foundation. However， more attentions have been paid by academic and engineering experts. Based on defects of piers， abutments and pile foundations caused by scouring， this paper focuses on the lateral and vertical bearing behavior of pile foundation subject to scouring with theoretical researches， numerical analyses and model tests， and concludes that more systematic investigations to develop more reasonable theoretical methods are now badly needed. A large amount of research works on the behavior of pile foundation， numerical analysis， model tests and even field tests should be embarked on to lay the foundation for practical methods of evaluating the safety of bridge subjected to scouring.

Key words：Pile foundation of bridge; Scour; Theoretical Analysis; Numerical analysis; Model test

作者簡介：王成華(1959—)，男，教授，工學(xué)博士，主要從事巖土工程方

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478313，50978182)

收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-09

中圖分類號：U445.55+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.013

文章編號：1004-2954(2016)01-0059-07