摘 要：为研究波流冲刷作用下变截面桩的承载性能，依托厦门第二东通道实体工程，利用数值模拟建立桩土相互作用模型，分析了波流冲刷作用下桩的水平承载特性和竖向承载特性。结果表明，随着冲刷深度增大，桩基竖向极限承载力逐渐减小，但对于整体竖向承载力的削弱不大，当冲刷深度较小时，在设计时可以不予考虑；随着冲刷深度增大，桩基横轴向极限承载力逐渐减小，冲刷6.55 m时H15和H19桩的横轴向承载力分别降低24.75%和21.51%。冲刷对于桩的横轴向承载力削弱极大，在设计时应充分考虑由于冲刷导致的横轴向承载力损失，以保证结构的安全。
关键词：变截面钢管复合桩;岩土工程;波流冲刷;承载特性;数值仿真;
1 研究背景近年来，我国大量建设跨河、跨海大型桥梁以发展交通，桩基础得益于其承载性能优越[1],在桥梁工程中大量使用。海洋环境气候条件复杂，水深流急，在海上修建桩基础会改变桩周原有海水的运动特性[2],导致海水流速、流态改变，进而在桩基周围产生冲刷，形成冲刷坑，影响整个结构的稳定性[3,4,5]。
在实际工程中，河道冲刷与波流冲刷并不完全相同。目前对于河道冲刷，众多学者已经进行了大量研究。研究河道冲刷条件下桥梁桩基承载特性，需要建立合理的分析模型。从理论层面而言，目前主流的简化方法有以下几种，第一种是基于水平受荷桩的p—y曲线进行研究[6,7,8,9];第二种是桩基在特定边界条件下进行冲刷，如桩基与地面铰接[10]或固结；第三种是将桩基视为有一定埋深且桩底固定的独立桩，改变桩侧的无支撑长度来模拟冲刷的影响[11]。学者[12,13]采用模型试验分析了冲刷对于桩基承载性能的影响，发现冲刷减小了桩基的埋置深度，从而影响其承载性能；Mostafa[14]通过数值模拟，分析了整体冲刷和局部冲刷对桩水平承载能力影响的差异，在此基础上进一步探究了冲刷深度、冲刷坑尺寸、土体类型等因素的影响；Ni等[15]得出当冲刷深度与桩径的比值达到1.3～2时，桩身水平承载能力最大将降低50%;陈鹏等[16]得出冲刷改变了桥梁桩基的竖向位移、水平位移和应力，尤其是水平位移的改变对桩基础的安全影响较大；胡丹等[17]通过室内模型试验，得出桩基础水平极限承载力随着冲刷深度的增加而减小，当冲刷深度超过8倍桩径时，水平极限承载力下降曲线趋于平缓。在实际冲刷情况下，有时会由于桥梁桩基的竖向承载力不足造成事故，所以竖向承载力的变化也值得重视。王成华等[18,19,20]提出“开挖法”模拟冲刷来分析群桩竖向承载性状的变化规律；梁锴等[21]利用有限元计算基底压力和墩顶位移，认为基础底部被淘空可通过改变基底的支承方式来实现；薛九天等[22]预测了桩基的冲刷深度并通过计算得到，冲刷后桩基础承载性能明显减弱，沉降值明显增大，冲刷对桩基础竖向承载性能的影响不可忽视；王楠等[23]得出冲刷作用使得持力层有效厚度减小，进而影响桩基础的承载能力，需要在工程中予以足够的重视，及时采取工程处理措施来预防应对。
但是，目前关于波流冲刷的研究大多集中于波流作用下冲刷深度的确定[24,25]以及水动力的计算[26],对于波流作用下桩的承载性能研究较少。因此，本研究基于厦门第二东通道实体工程，利用GTS NX有限元软件，建立桩土相互作用模型，对波流冲刷作用下变截面钢管复合桩的承载性能开展研究。
2 工程背景厦门第二东通道A2施工标段(K23 805.000～K27 105.300)中的海域桥梁段(K24 915.300～K27 105.300)有特大桥1座、大桥4座(含互通主线桥)。其中，H15、H19号墩的桩基础由6根大直径变截面深长桩构成，横向3排，横向中心距为6.25 m, 顺桥向中心距为7.6 m, 均为直径为2.50 m/2.15 m变截面桩，其中H15桩桩长45 m, H19桩桩长83 m。
H15墩周围岩土体由上至下的土层分布分别为砂土、强风化花岗岩、中风化花岗岩，其中，砂土厚度为15 m, 强风化花岗岩厚度为20 m, 中风化花岗岩厚度为30 m。H19墩周围岩土体由上至下的土层分布分别为淤泥、砂土、强风化花岗岩，其中，淤泥厚度为4.2 m, 砂土厚度为9.3 m, 强风化花岗岩厚度为90 m。
3 数值模拟3.1模型建立和参数选取建立模型时，桩侧土体距离桩轴线12倍桩径，桩端距离底部边界10倍桩径，可以满足有限元计算的精度要求。建立H15和H19号桩在冲刷工况下的桩基础与岩土体相互作用模型，分别如图1和图2所示。
图1 H15墩桩基础与岩土体位置关系 下载原图
单位：m
图2 H19墩桩基础与岩土体位置关系 下载原图
单位：m
3.2本构关系及参数选取数值模拟中，桩基采用弹性体，桩周岩土体采用适合于岩土力学的摩尔—库伦弹塑性模型。
计算模型中各材料参数取值见表1和表2。
表1 土体物理力学参数 导出到EXCEL
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材料 |
弹性模量EMPa弹性模量EΜΡa |
重度γkN/m3重度γkΝ/m3 |
黏聚力CkPa黏聚力CkΡa |
内摩擦角φ(°)内摩擦角φ(°) |
|
砂土 |
39.792 |
17 |
0 |
27 |
|
强风化花岗岩 |
34.952 |
19.6 |
22.5 |
28.4 |
|
中风化花岗岩 |
3.9×104 |
25.8 |
70 |
39 |
表2 桩体参数 导出到EXCEL
|
材料 |
弹性模量EMPa弹性模量EΜΡa |
重度γkN/m3重度γkΝ/m3 |
黏聚力CkPa黏聚力CkΡa |
内摩擦角φ(°)内摩擦角φ(°) |
|
桩 |
3×104 |
24 |
— |
— |
为模拟现场情况，静力边界在模型x轴方向和y轴方向限制位移，在z轴方向将模型底部固定，顶面自由。设置边界条件是为了还原现实条件下的无限场地，以减少计算中的误差。边界条件如图3和图4所示。
根据地勘资料可知，H15号、H19号墩基础局部冲刷深度为6.55 m。取不同的局部冲刷深度作为研究变量，计算工况见表3。
图3 H15墩边界条件示意 下载原图
图4 H19墩边界条件示意 下载原图
表3 计算工况 导出到EXCEL
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桩号 |
桩长/m |
桩径/m |
桩型 |
冲刷深度/m |
|
H15 |
45 |
2.5/2.15 |
嵌岩桩 |
0、2、4、6、6.55、8 |
|
H19 |
83 |
2.5/2.15 |
摩擦桩 |
0、2、4、6、6.55、8 |
竖轴向荷载作用下，桩基的Q～s曲线如图5所示。
图5 不同冲刷深度桩基Q～s曲线 下载原图
由图5可知，当桩顶开始施加竖轴向荷载时，桩基与周围岩土体产生错动，桩基础发生沉降；当桩顶荷载逐渐增大时，桩基础沉降也逐渐增大。随着冲刷深度的增加，相同荷载作用下桩基的沉降逐渐增大。
采用桩顶沉降计算桩基竖向极限承载力P,取桩顶40 mm沉降处的对应荷载作为极限承载力，得到不同冲刷深度下的极限承载力值，见表4。
表4 不同冲刷深度下极限承载力 导出到EXCEL
|
冲刷深度 |
未冲刷 |
冲刷2 m |
冲刷4 m |
冲刷6 m |
冲刷6.55 m |
冲刷8 m |
|
H15墩桩身极限承载力/kN |
37 295.76 |
36 580.04 |
35 865.97 |
35 121.85 |
34 356.65 |
32 003.60 |
|
H19墩桩身极限承载力/kN |
31 684.49 |
31 631.74 |
31 579.75 |
31 175.85 |
31 064.31 |
30 759.43 |
冲刷2～8 m时，H15墩桩身极限承载力分别降低了1.92%、3.83%、5.83%、7.88%和14.19%。这是由于H15墩桩基为嵌岩桩，桩侧砂土层的冲刷主要体现在侧摩阻力的降低，而嵌岩桩的承载力大部分由桩端承载力提供。冲刷2～8 m时，H19墩桩身极限承载力分别降低了0.17%、0.33%、1.61%、1.96%和2.92%。冲刷对于桩基极限承载力的影响并不显著，尤其是对于H19墩桩身，这是因为H19墩桩身总长度为83 m, 且第一层为厚度4.2 m的淤泥，所以在冲刷对于H19桩竖向承载力影响并不显著。
不同冲刷深度下，桩身极限承载力损失值如图6所示。
图6 不同冲刷深度桩基承载力损失曲线 下载原图
由图6可知，相较于H19桩，H15桩的承载力受冲刷的影响更大。这是因为，H15为嵌岩桩，而且其桩长比H19桩更短，所以受冲刷后桩极限承载力损失更大。
4.2波流冲刷作用下变截面钢管复合桩轴力演化竖轴向荷载作用下，桩身轴力的变化规律如图7和图8所示。
图7 不同冲刷深度下H15墩桩身轴力规律 下载原图
由图7和图8可知，随冲刷深度的增大，桩身轴力逐渐增大。当桩顶施加竖向荷载时，桩顶荷载通过桩身轴力沿桩身向下传递，致使桩身轴力衰减呈上慢下快的趋势。这是因为，在软弱土层中，土层强度较低，桩—土接触产生相对位移时土体的剪应力较小，发生位移变形时土体所能提供的侧阻力较小，桩身变形较大，荷载很快就开始向下传递；当进入岩层后，桩周岩土体强度增大，此时桩—土接触产生侧阻力较大，荷载由桩侧岩体承担，桩身轴力衰减速度显著增大。
图8 不同冲刷深度下H19墩桩身轴力规律 下载原图
桩身轴力在不同冲刷深度时的变化并不显著。这是因为，H15为嵌岩桩，桩侧摩阻力仅提供一部分承载力，并且冲刷冲掉的土层为顶层的砂土，该部分的强度较低，提供的侧摩阻力也相对较小；H19为摩擦桩，但是桩身长度较大，冲刷土层厚度相对于桩长而言较小，而且冲刷土层为土质偏弱的淤泥，所以冲刷对于轴力的影响并不显著。相较于H15桩，H19桩轴力受冲刷的影响更小，这也与前文中两桩的桩身极限承载力对比结果相对应。
4.3波流冲刷作用下变截面钢管复合桩竖侧摩阻力及桩端阻力演化桩侧阻力变化规律如图9和图10所示。
图9 不同冲刷深度下H15桩侧摩阻力 下载原图
从图9可以看出，H15桩的桩侧摩阻力整体上呈三角形分布。在摩擦段，随着桩侧土体应力增大，侧摩阻力越容易发挥；进入嵌岩段后，由于土层参数变化较大，在分界面以下侧摩阻力呈减小趋势。随着冲刷深度增大，桩侧摩阻力不断减小，最大值有上移靠近冲刷面的趋势，这是因为冲刷造成桩周上覆土体流失，土体对桩侧压力减小，桩侧摩阻力降低。从图10可以看出，对于H19桩，随着冲刷深度增大，桩侧摩阻力不断减小。在变截面处侧摩阻力趋势发生变化，但是总体而言，冲刷深度对于桩侧摩阻力的影响并不大。
图10 不同冲刷深度下H19桩侧摩阻力 下载原图
5 波流冲刷作用下变截面钢管复合桩横轴向承载特性5.1波流冲刷作用下变截面钢管复合桩横轴向承载力演化横轴向荷载作用下，桩身的Py～y曲线如图11所示。
图11 不同冲刷深度桩基Py～y曲线 下载原图
采用桩顶水平位移计算桩基横轴向极限承载力P,取桩顶6 mm水平位移处的对应荷载作为极限承载力，得到不同冲刷深度下的横轴向极限承载力值，见表5。
表5 横轴向极限承载力 导出到EXCEL
|
冲刷深度 |
未冲刷 |
冲刷2 m |
冲刷4 m |
冲刷6 m |
冲刷6.55 m |
冲刷8 m |
|
H15墩极限承载力/kN |
530.76 |
505.91 |
497.41 |
448.84 |
399.41 |
368.26 |
|
H19墩极限承载力/kN |
403.57 |
388.57 |
377.91 |
326.61 |
316.78 |
277.91 |
冲刷对于桩横轴向承载力的影响显著。对于H15墩桩基，冲刷2～8 m时，极限承载力分别降低了3.72%、6.34%、19.07%、24.75%和31.13%。冲刷导致桩周土层缺失，无法提供足够的桩侧土抗力以抵消外荷载。对于H19墩桩基，冲刷2～8 m时，极限承载力分别降低了2.91%、6.28%、15.43%、21.51%和30.62%。H19墩桩基比H15墩桩基受冲刷的影响小，这是因为19号墩桩基更长，冲刷8 m占总桩长的比例更小。
不同冲刷深度下，桩身的极限承载力损失如图12所示。
图12 不同冲刷深度桩基承载力损失曲线 下载原图
由图12可知，H15桩的承载力比H19桩受冲刷的影响更大。这是因为H15相较于H19桩，其桩长更短，在横向荷载作用下由于桩端土体缺失而引起的承载力损失更大。
5.2波流冲刷作用下变截面钢管复合桩水平位移演化荷载作用下，不同冲刷深度的桩身位移曲线如图13和图14所示。
图13 不同冲刷深度下H15墩桩身位移规律 下载原图
图14 不同冲刷深度下H19墩桩身位移规律 下载原图
由图13可知，H15墩桩身的横轴向位移随着深度的增大而逐渐减小，且随冲刷深度的增加而增大。在15～18 m范围内达到第一位移零点，随后产生负位移，直至桩端处位移趋于零。随着冲刷深度的增加，桩顶的最大横向位移逐渐增大，冲刷深度为6.55 m时，桩顶的横轴向位移达到最大值15.02 mm。由图14可知，H19墩桩身的横轴向位移随着深度的增大逐渐减小，且随冲刷深度的增加而增大。在15～20 m范围内达到第一位移零点，随后产生负位移，直至桩端处位移趋于零。随着冲刷深度的增加，桩顶的最大横向位移逐渐增大，冲刷深度为6.55 m时，桩顶的横轴向位移达到最大值17.53 mm。
这说明，当桩顶受到水平荷载作用时，桩身产生变形挤压周围土体。与此相对应，桩周岩土体将产生抗力来抵抗变形，当桩周土体达到塑性屈服阶段时，水平荷载继续向下传递且向下传递的荷载逐渐减小，桩身位移也逐渐减小。当达到第一位移零点后，桩身由于挠曲变形会挤压桩后土体，此时产生负位移，这是由于冲刷使得桩的有效长度减小，在荷载作用下横轴向位移增大。
5.3波流冲刷作用下变截面钢管复合桩弯矩演化不同冲刷深度下，桩身弯矩沿桩埋深方向的变化规律如图15和图16所示。
图15 不同冲刷深度下H15墩桩身弯矩变化规律 下载原图
图16 不同冲刷深度下H19墩身桩身弯矩变化规律 下载原图
由图15可知，H15墩在荷载作用下，桩身弯矩先迅速增大，达到弯矩最大值后逐渐减小，在进入嵌岩段后逐渐趋于零。由图16可知，H19墩桩身弯矩沿深度方向先迅速增大，达到弯矩最大值后逐渐减小，在强风化层中弯矩逐渐趋于零。随着冲刷深度的增大，桩身最大弯矩点的出现位置逐渐下移，但整体而言，弯矩最大值出现的位置总是位于冲刷线下(未冲刷时为海床面)3～5 m处。
这说明，当桩顶受到水平荷载时，桩身发生挠曲变形，桩身会产生垂直于桩身横截面的拉应变和压应变。由上文的桩身位移曲线规律可知，由于上层土体的强度较低，桩身产生的位移变形较大，应变量也较大，此时桩身弯矩迅速增大。继续沿桩身向下，则桩身荷载逐渐减小，位移减小，应变值减小，弯矩也随之减小。当进入嵌岩段后，由于岩体强度显著增大，对桩身约束作用增强，因此应变量显著减小，桩身弯矩逐渐趋于零。
H15墩桩身反弯点出现在桩身埋深35 m, 距离桩底5 m的位置附近，此处为强风化土层和中风化土层的交接处。在此处，由于桩周土体强度变化较大，所以反弯点出现在该处。H19墩桩身的反弯点并不明显。
5.4波流冲刷作用下变截面钢管复合桩剪力演化不同冲刷深度下，桩身剪力沿桩埋深方向的变化规律如图17和图18所示。
图17 不同冲刷深度下H15墩桩身剪力变化规律 下载原图
由图17和图18可知，随着桩身由自由端进入到土层，H15墩、H19墩桩身剪力值从荷载大小减为零，随后剪力先增大后减小；剪力在埋深15 m附近达到最大值，该位置为砂土层和强风化土层的分界面。随着荷载的增大，桩身剪力也逐渐增大。
图18 不同冲刷深度下H19墩桩身剪力变化规律 下载原图
6 结语通过数值模拟计算分析，研究了不同冲刷深度对桥梁桩基础的竖向和横轴向承载特性以及力学与变形规律的影响，得出以下结论。
(1)随冲刷深度增大，桩基竖向极限承载力逐渐减小，冲刷6.55m时，桩的竖向极限承载力降低了7.88%;冲刷深度小于6 m时，桩的竖向极限承载力降低不足5%,可以不予考虑。在实际工程中，当冲刷深度较小时，可以不考虑其对桩竖向承载性能的影响。
(2)随冲刷深度增大，桩基横轴向极限承载力逐渐减小，冲刷6.55m时，H15和H19桩的横轴向承载力分别降低24.75%、21.51%。冲刷对于桩的横轴向承载力的削弱较大。在设计时应充分考虑由于冲刷导致的横轴向承载力损失，以保证结构安全。
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