河流冲刷对桥墩承载力的影响分析

河流冲刷对桥墩承载力的影响分析

刘

【摘

政

（驻马店市宇畅路桥养护工程有限公司，河南驻马店463000）

要】文章针对省道219大林淮河桥的桥墩冲刷对桥墩承载力的影响，根据原设计图纸，计算分析

了冲刷对桥梁承载力的影响，为该桥后期的加固维修提供基础依据。

【关键词】桥梁工程；

一般冲刷；

局部冲刷；

竖向承载力【文献标志码】B

～0．32m/s，中、粗砂的不冲刷流速为0．32～0．6m/s，均属于易受冲刷的土层。

（2）淮河本身的流量较大，桥位处河道百年一遇设计流量

3

为量11868m/s，洪水位为52．20m，设计流速为2．83m/s，水流的自然冲刷是造成3～17号桥墩冲刷的主要原因。

【中图分类号】U445．7+5

1桥梁概况

S219线大林淮河桥大桥建成于1998年，设计桥梁中心桩号为K0+577．18，位于驻马店市正阳县和信阳市罗山县县上部结构为24m×20m预应力混凝土简交界处。桥梁正交，

6孔一联，12号、支空心板，桥面简支连续，两桥台和第6号、

18号墩顶设伸缩缝。下部结构为柱式墩、台，钻孔灌注桩基0号台为双柱式，24号桥台为三础，柱径1．2m，桩径1．5m，柱式，桥墩均为双柱式，桩长30～32m，桥梁全长485．24m。

2

原设计对应的过水断面面积为4203．5m，湿周481．66m，水利半径Ｒ=8．73。根据2014年6月实测成果及原设计资料，第3～17号桥墩均有不同程度的冲刷，其中7号墩冲刷深度最大，为8．5m，冲刷较严重的桩基表面还出现大量混凝土剥落和钢筋外露现象。

（3）近年来，各种工程建设蓬勃发展，而河砂作为一种主

要建筑原材料，其需求量也持续增加，进而促使人为无序地进行河道采砂越来越严重。

（4）采砂还造成河水的集中，而河水的集中又可以加速水流的自然冲刷。另外，当抽砂船在河中通行困难时，会用

挖宽桥位河道，也是造成桥下河床加深的一个挖掘机挖深、主要原因。

4桥墩承载力验算

2桥梁冲刷原理

近年来，桥梁因水流作用出现垮塌的现象较多，冲刷成

了桥梁水毁事故发生的最主要原因之一。长期的水流冲刷会造成既有桥梁墩台破损，从而降低材料性能及有效承载能力，严重情况下会造成墩台倾斜或桥梁垮塌。桥梁冲刷一般分为自然冲刷、一般冲刷及局部冲刷，三个相互独立的过程，并假定它们相继发生进行。在计算时可分别进行独立计算后汇总，以求得桥墩周围最大冲刷深度。

目前有关桥梁桩基础冲刷的研究很多，而评价冲刷对桥梁桩基础承载性状影响的研究却较少，这方面正受到学术界与工程界的高度重视。底杰分析了河流采砂导致冲刷加

［10］

降低了桥梁承载力；黎泰良分析了桥梁冲刷降低桥梁大，

承载力的程度，并提出桥梁桩基加固措施；姚童刚

提出桥

外包桩基和加桩；马梁冲刷加固的三种方法：抛铅丝石笼、

［8］

提出了桥梁冲刷治理方法；陈奎研究了桥梁冲刷机理，稳

［13］

［11］

［9］

桥梁承载力验算包括竖向承载力、水平承载力以及桥墩

的稳定性分析。4．1

效应计算

《公路桥涵地基与基础设计规范》，根据JTGD63－2007

结构构件自身承载力采用作用效应基本组合进行验算，基本《公路桥涵设计通用规范》第4．1．5条组合按JTGD60－2015第一款计算，其表达式为：

Sud=γ0S（4．2

∑γ

1

m

Gi

Gik，γQ1γLQik，φc∑γLjγQjQjk

j=2

n

7号墩冲刷深度

7号桥墩原有的地面标高和剩余根据桥现场勘察情况，

桩长见表1。4．3

7号桥墩纵向水平力

温度力：计算上部结构1联6m×20m空心板，桥面简易连续，联长120m，考虑温降+收缩徐变温差30℃。7号墩的温度力73．60327kN。

制动力：一联上部结构车道荷载为1560kN，车道数为

［2018－05－31定稿日期］［作者简介］刘政（1988～），男，本科，工程师，从事公路桥梁养护工作。

通过模型计算分析了冲刷对桥梁承载力的影响大小。

3桩基病害原因分析

根据现场调查，冲刷较严重的桩基外表面出现大量混凝

土剥落和钢筋外露现象。桩基冲刷主要原因有以下几点：（1）桥位处河道地表2～5．5m为松散的细砂和粉细砂，下层为中密的中、粗砂，细砂的水深1m时不冲刷流速为0．35

四川建筑第39卷1期2019.2

141

·工程结构·

表3项目

现河床冲止标高线25．9118．18

荷载偏心截面曲率影响系数ξ1长细比截面曲率影响系数ξ2

偏心距增大系数η/m增大后偏心距ηe0/m

ξ/mABCDe0/mγ0×Nd/kNγ0×Nd×ηe0/kNAr2fcd+cρr2fsd'/kNBr2fcd+Dρgr2fsd'/kN0．9φ（fcdA+fcd'As'）/kN

柱底截面强度、稳定性验算

参数0．7475960．9648331．8710040．4250．551．33140．65230．24361．86390．432485059．3732150．2365269．1122278．7878699．668

满足满足满足

计算偏心增大系数计算偏心增大系数上端支座弹性

约束，下端固定

说明

2，7号墩按刚一联桥面的制动力为1560×2×10%=312kN，

表1

项目标高/m桩长/m

原设计河床

地面线41．0732

7号桥墩标高与桩长原设计河床冲止标高线29．4521．72

现河床地面线31．2223．5

度分配的制动力为51．93854kN。

7号墩温度力与制动力合计为125．5418kN。距柱底13．3m。4．4

恒载

根据原设计图纸计算，柱底以上恒载为2690．968kN，纵向汽车荷载1512．635kN，横向汽车荷载978．7635kN。竖向力+纵向水平力组合竖向力+纵向水平力荷载组合计算如下：柱底组合纵向弯矩1048kN；竖向力+横向水平力荷载组合计算497．1kN。4．5

桩、柱截面强度、稳定性验算结果汇总

《公路桥涵地基与基础设计规范》根据JTGD63－2007第

n

5．3．3条第一款。单桩轴向受压承载力容许值：

1

×U∑qikli+Apqr2i=1

式中：qr=m0λ[[fao]+k2γ2[h－3]]；U为桩基周长；qik为桩侧土体摩阻力；Li为土层厚度；Ap为桩基截面面积；qr为桩端土体竖向承载力。根据桥位处地址资料，计算冲止

[Ｒa]=

7号墩的柱底截面最危险，《公路钢筋合时，按JTGD62－2004

5．3．9－2混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5．3．9－1、验算截面承载力富裕量最小，仅5%左右，基本满足现行规

范要求。计算中所采用的相关参数、公式主要根据现行规范

受压构件的选取。但个别工况（如30℃的+收缩徐变温差，

长度计算系数1．1和0．5等）则是根据工程经验假定。当遇

到超过假定工况的极端天气、水文和车辆超载等现象时，桥梁结构仍有很大的风险。

标高以下剩余桩长的单桩轴向受压承载力。冲止标高以下

表3。的地层情况见表2、

表2项目

结构重要性系数γ0纵向计算长度系数纵向验算桩、柱计算长度L0/m

立柱截面回转半径i/m基桩截面回转半径i/m柱底截面纵向验算L0/i柱底纵向弯曲稳定系数Φ铺砌顶桩截面纵向验算L0/i铺砌顶桩纵向弯曲稳定系数Φ

7号墩柱、柱截面强度、稳定性验算

参数1．11．122．220．30．37574．066670．66571459．253330．787371

计算偏心增大系数计算偏心增大系数上端支座弹性

约束，下端固定

说明

5结束语

水流冲刷会使桥梁承载力下降。该桥梁建成至今，由于

桥位处水流冲刷造成桥墩高度的大幅增加，水流对桥墩桩、柱的冲蚀造成桥墩截面的削弱、偏心的增大，对桥梁的安全

对已经冲蚀的均构成严重的威胁。应及时对河床进行加固，

截面进行修复。针对河水冲刷防护有石笼防护、浆砌片石防

护。针对桩基表面混凝土剥落和钢筋外露，可采用外包混凝土进行修补。

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7号墩验算结果汇总如下：竖向力+纵向水平力组合下：

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵采用JTGD62－2004

设计规范》式5．3．9－1计算柱底截面荷载组合为

5056．373kN，抗力5269．112kN，富裕度1．041456；采用JTGD62－2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》式5．3．9－2计算柱底截面荷载组合为2150．236kN，抗力2

《公路钢筋278．787kN，富裕度1．059785；采用JTGD62－2004式5．3．1计算柱底截混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》

面荷载组合为5059．373kN，抗力8699．668kN，富裕度1．719515；验算结果显示当竖向力和纵向水平力组

（下转第146页）

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·工程结构·

表3

稳定后波高误差指标ＲH/%5．032310．228621．09022．54453．24752．58913．78626．99915．1367

ErP/%10．406．4411．685．754．874．9237．0548．7559．30

EF/%－0．37－0．70－1．220．000．020．011．723．206．22

EG/%0．631．613．500．01－0．010．051．964．177．71

DH/%0．03190．06020．12350．01580．02110．0168000

T0/sH/m0．4

H'/m0．34080．66480．93100．03930．08160．11780．59690．97871．4085

ErH/%－14．80－16．90－22．42－1．752．00－1．83－0．52－2．130．61

4（StokesⅡ）

0．81．20．04

8（Airy）

0．080．120．6

17（Cnoidal）

1．01．4

（4）在波高方面，Cnoidal模拟波误差最小。由于非线性波高稳定性StokesⅡ模拟波＜Cnoidal模拟波＜Airy模拟影响，

2

波，即竖向整体呈现稳定性随H/gT增大而降低趋势。且在水深较大区域，非线性影响显著，即对于StokesⅡ波，其波高

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越大，波高越不稳定。

（5）沿程波高衰减程度Cnoidal模拟波＜Airy模拟波＜

2

StokesⅡ模拟波，即横向整体呈现波高衰减度随d/gT增大而增大趋势。且在水较深区域，非线性影响显著，即对于StokesⅡ波，其波高越大，衰减越严重。（6）在峰值方面，Cnoidal模拟波衰减弱，但“毛刺”现象突出。

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