冲刷对预应力混凝土连续刚构桥桩承载力的影响研究

赵永亮

(中铁十六局集团第五工程有限公司 唐山市 064000)

0 引言

冲刷是导致桥梁破坏的主要原因之一。在国内，60%以上的桥梁破坏是由冲刷引起的。冲刷对桥梁基础和整个桥梁结构造成了复杂的影响。由于冲刷清除材料，桩基础的承载能力大大降低，影响整个桥梁系统的能力和稳定性[1]。

大多数研究都是分别研究下部结构和上部结构。在少数情况下，冲刷的影响完全用桥梁结构进行分析。桥梁冲刷行为分析是一个非常复杂的研究课题，这也是为什么大多数研究者研究冲刷对下部结构的影响，进而预测冲刷对上部结构的影响。关于冲刷对下部结构的影响，国内外已有大量研究工作。主要研究了桩的承载能力、屈曲风险和由于冲刷作用而增加的水位对桩的附加力矩[2-3]。

就冲刷对桩承载力的影响进行研究。研究地区的桥梁都以摩擦桩为基础。建造这些桩的土壤剖面通常是河流沉积物、湿地和沼泽地。由于该地区的土壤剖面相似，因此进行了案例研究。在本案例研究中，为了分析损失承载能力，选择了无垫桥。这座桥建于1979年，地基是摩擦桩。根据之前的研究，其32个桩排架中有19个存在严重的冲刷问题。这些桩上的冲刷高度从0.5～4.5m不等。主管部门必须确定哪些桥梁存在严重冲刷问题。本研究旨在向有关部门提供冲刷深度对桩承载力的影响。

1 桥梁概况

某预应力混凝土连续刚构桥位于宁夏回族自治区银川市，如图1所示。这座桥兼用两条汽车车道和一条火车道。大桥共33跨，全长787m，共有32个桥墩和2个桥台。所有桥墩固定在桩帽上。30个相同的群桩，28根桩，直径30cm，其中18个桩长12m，10个桩长10m，桥墩1～30。两组桩共8根，桩径100cm，桩长12m，桥墩31～32，如图2所示。桥梁上部结构由两部分组成，一部分是汽车，一部分是火车。汽车部件由四个相同的T形、销支撑的钢筋混凝土梁组成。四根钢筋混凝土轨道梁由四根钢筋混凝土简支而成。

图1 预应力混凝土连续刚构桥及其位置

图2 桩帽平面图

地基土剖面由四层组成。第一层是1.5m有机土，没有任何承载能力，并且在技术报告中规定不应该在这个层上设置地基。第二层为3.5m低密砂砾石，单位重量γ=18.2kN/m3，内摩擦角Φ=30°。桩帽放在这一层上。第三层为6.0m中密砂砾石，单位重量γ=19.1kN/m3，内摩擦角Φ=32°。第四层为10.0m以上高密砂砾石，单位重量γ=20.6kN/m3，内摩擦角Φ=35°。桩端设置在该层上。该桥的基础轮廓如图3所示。

图3 群桩土质剖面及评分图

2 分析方法

在桩的设计和分析中，根据周围土壤提供的支撑性质来识别桩，即将桩分为端承桩和摩擦桩。当端承桩将其大部分荷载转移到端承层时，摩擦桩通过沿桩表面产生的表面摩擦来抵抗其大部分荷载。摩擦桩的工作性状主要取决于周围土体与桩身的相互作用。

桩的极限轴向承载力(Qu)由桩端承载力(Qt)和桩身摩阻力(Qs)组成。文献中描述的一般方程如等式(1)所示。

Qu=Qt+Qs=qtAt+fAs

(1)

式中，qt为单位桩端承载力，At为桩端面积，f为单位表面摩擦力，As为桩身面积。根据土壤是松散砂、密实砂、正常固结粘土或超固结粘土，有一些公布的关系式取决于计算桩极限轴向承载力的土壤工程值，设置预应力混凝土连续刚构桥桩的土壤剖面为颗粒状无粘性土。无粘性土的单位表面摩擦阻力采用β方法计算。该方法是基于土的侧压力系数。单位表面摩擦f由式(2)给出。

(2)

(3)

在土体中，有效应力等于饱和土中总法向应力与水压力之差，等式(4)给出了这种关系。

(4)

式中，γ是土壤密度，γwater是水密度，简单计算时取10kN/m3，h是从测量点到地面的土壤高度。

3 结果分析

图4 有效土压力分布

表值和临界深度

根据式(1)、式(2)、式(3)和图4所示结果，计算单桩和群桩的承载力。桩基础由桩组构成，对于桩间距大于6倍桩直径，群桩承载力没有任何影响。设置在颗粒土上的桩(主要位于砂土上)在桩间距小于3倍桩直径时群桩承载力会受到影响，当桩间距从3倍桩直径变为4倍桩直径时，这种效应迅速减小，如果桩间距大于4倍桩直径，则群桩承载力不会受影响。在案例研究中，桩的距离为3～5倍桩直径，因此不存在任何影响。群桩极限承载力是单桩的总和。

群桩承载力数值见表2。以0冲刷为参考点计算松散承载力。表2所示承载力以kN为单位计算：承载力(0m冲刷)-承载力(点冲刷)。

表2 群桩极限承载力与承载力松动

表2显示，28根直径为30cm的桩，其中18根为12m，10根为10m，总荷载为6101kN。图5(a)以图形方式显示了承载力如何随桩深进行变化。在10m水平上，曲线有偏移，即水平线为10根桩的端承力。直径为30cm的桩有两个不同的深度，这就是为什么图5(a)中的图形有两条水平线。10m处的水平线如上所述，12m处的水平线为其余18根桩的端部承载力。这些群桩的承载力从0m冲刷处的6101kN到冲刷4.5m处的5025kN不等。在冲刷深度4.5m处，群桩承载力降低约17.64%。

图5(b)以图形方式显示了直径为100cm的群桩的承载力如何随桩深变化。这些群桩的数值见表2。在12m深度处，图5(b)中有一条水平线，显示了群桩的端部承载力。直径100cm的群桩由8根相同的12m长桩组成。冲刷桩承载力从18322kN到9513kN不等。群桩承载力降低约48.08%。

图5 群桩承载力

4 结论

介绍了冲刷对预应力混凝土连续刚构桥桩承载力的影响。利用岩土工程资料对桩单元进行了分析，研究了不同冲刷深度对桩承载力的影响。预应力混凝土连续刚构桥冲刷深度在0.5～4.5m之间，30cm直径桩的最大冲刷深度为4.5m，在该深度下承载力松散约17.64%。直径为100cm的桩的最大冲刷深度为3.0m，对于该刻痕深度，承载力松散约为32.11%。虽然土力学中的安全系数在2.5到3之间变化，但承载能力的降低是相当大的。桩的承载力直接影响到整个桥梁结构的安全。由于水压的增加，这种承载力的松动是桥墩沉降或倾覆的严重风险。建议对这些影响进行进一步的挠度和桥梁承载力研究。