不同影响因素对桥梁桩基承载力的影响分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言随着使用时间的增长，桥梁会受到各种因素的影响而出现劣化，其中水文因素对桥梁的损害尤为突出。在桥梁各组成部分中，桥梁桩基起着关键作用，在承担大部分荷载的同时，还要经受水流的持续冲刷。在冲刷作用下，桩基周围土体被水流带走，使基础埋深不断减小，还有可能导致基础底部被掏空，在很大程度上影响桥梁的稳定性和安全性1-3。此外，受外界环境的影响，桥梁钢筋和混凝土会发生劣化，影响桥梁的承载力。田昊等4研究发现钢筋锈蚀后体积会发生膨胀，同时锈胀产物会导致混凝土出现应力，降低其强度，从而大大削弱桩基的耐久性和承载力，埋下较大的安全隐患；乔存学5分析了钢筋在桥梁里的锈蚀原理，发现混凝土保护层较薄和密实度不够是导致钢筋锈蚀的主要因素，同时结构裂缝也会大大提高钢筋锈蚀速度，减小桥梁的耐久性；陈莹6分析了相对湿度、温度等因素对钢筋锈蚀的影响，提出了预测钢筋锈蚀程度的模型。目前的研究多针对单一因素对桥梁沉降和承载力的影响，未对多种因素进行对比和综合分析，基于此，为了进一步掌握冲刷深度、钢筋和混凝土劣化对桩基沉降和承载能力的影响规律，本研究以实际工程为背景，通过建立数值模型，对比分析不同年限、不同冲刷深度下钢筋和混凝土劣化前后桩基承载力和沉降的变化规律，为相关工程提供参考。1 钢筋和混凝土的劣化1.1 钢筋的劣化钢筋受到外界环境的影响会出现锈蚀现象，为了简便考虑，此次研究之中认为钢筋的锈蚀是均匀分布的。参考相关学者的研究7，可认为钢筋的弹性模量、屈服强度和其锈蚀率有密切关系，具体可表达为：当5%0时：fy,c=fy0()1-0.029（1）Eu,c=Eu0()1-0.052（2）当5%时：fy,c=fy0()1.175-0.064（3）Eu,c=Eu0()0.895-0.031（4）式（1）式（4）中：为钢筋的锈蚀率；fy,c和Eu,c分别为锈蚀钢筋的名义屈服强度和名义弹性模量；fy0和Eu0分别为未锈蚀钢筋的屈服强度和弹性模量。1.2 混凝土的劣化混凝土的劣化主要包括核心混凝土劣化和保护层的劣化，前者表现为核心区混凝土力学性能（极限应变和强度峰值）的减小，主要是由箍筋锈蚀后无法更好地对核心区混凝土起到约束作用引起的；后者表现为保护层混凝土的掉落，这主要是由钢筋锈蚀膨胀造成的。由于Mander模型能够较好地对混凝土应力应变过程进行模拟，同时考虑了箍筋对混凝土的约束作用，收稿日期：2022-12-28作者简介：罗富愿（1966），男，江西吉安人，高级工程师，研究方向为公路桥梁工程。不同影响因素对桥梁桩基承载力的影响分析罗富愿（吉安市交通运输综合行政执法支队，江西 吉安 343000）摘要：为进一步掌握冲刷深度、钢筋和混凝土劣化对桩基沉降和承载能力的影响规律，通过建立数值模型对比分析了不同年限，不同冲刷深度下钢筋和混凝土劣化前后桩基承载力和沉降的变化规律，研究结果表明：竖向荷载相同时，桩顶位移会随着桥梁冲刷深度的增加而增加，随着使用时间的增长，桩基承载力呈现出逐渐减小的规律，桩基钢筋劣化前后的沉降表现出先快速增长后缓慢增长的趋势，桩基承载力呈现出先快速降低后基本不变的趋势，均呈现为折线状；桩基沉降和其承载力在钢筋锈蚀前后基本保持不变，基本不会受到钢筋劣化的影响；不论混凝土是否出现劣化，随着时间的增长，桩基沉降均不断增大，但在混凝土出现劣化后，桩基沉降增大幅度大大提高；随着时间的增长，桩基钢筋劣化前后的承载力均表现出逐渐减小的规律，与混凝土未出现劣化时相比，劣化情况下的桩基承载力损失程度更大，减小速度更快。关键词：桥梁桩基；冲刷深度；混凝土劣化；桩基沉降中图分类号：U443.1文献标识码：A163总654期2023年第24期（8月 下）因此在此次研究中选择Mander模型对时间增长下核心混凝土力学性能的变化趋势进行描述。2 数值计算2.1 工程概况此次所研究大桥共有8跨，每跨20 m，一联包括四跨。对其中一跨的桩基开展分析，桩基形式为圆柱形嵌岩桩，嵌入岩层5 m，长度和直径分别为30 m和1 m。所用钢筋类型为 HRB335，混凝土等级为 C30混凝土，配筋率为1.4%。2.2 计算局部冲刷一般情况下局部冲刷深度远远大于一般冲刷深度，因此对桥墩造成伤害较大的往往是局部冲刷深度故在此次研究中仅考虑计算局部冲刷深度。Briaud等通过分析冲刷时间和冲刷深度间的关系，得出了时间增长下预测冲刷深度的公式，具体为：S=S0tt+T（5）式（5）中：S0和 T 分别为冲刷平衡深度和时间尺度，分别取10 m和3.2年；S为冲刷深度；t为时间。Lin C等假设局部冲刷后会形成倒圆台状的冲刷坑，和其他假设相比，此种假设与真实情况下的冲刷坑更为接近，有助于仿真计算的准确性，此次研究中冲刷坡角取40。2.3 建立模型通过有限元软件建立模型，分别选择摩尔库伦模型和塑性损伤模型模拟土体和桩基，建模时选择三维实体单元。为了避免土体边界对计算结果造成影响，高度设置为桩长的两倍（60 m），宽度设置为桩径的40倍（40 m），同时为了建模方便，把上部土层视作厚度为 25 m 的黏土，风化泥质灰岩为持力层，厚度 35 m，如表1所示为具体材料参数。表1 材料参数材料桩灰岩黏土摩擦角/3020黏聚力C/（kN/m2）2015容重/（kN/m2）252014泊松比0.20.30.3弹性模量E/MPa3.3810412020选择四节点四面体和八节点六面体混合实体单元模拟桩基，桩长和桩径分别为30 m和1 m，HRB335为钢筋等级，为了确保计算准确性和效率，适当加密桩基和附近土体的网格，如图1所示为所建模型图。选择钝化桩基附近土体的方式来对冲刷过程进行模拟，当桥梁使用时间不断增长时，钢筋劣化程度与冲刷深度不断提高，借助改变钢筋力学性能和土体钝化深度来对使用期间桥梁桩基承载能力的变化趋势进行模拟此次研究选择了桥梁6个使用时长节点，依次是第2、5、10、25、50和100年，对各年间的钢筋劣化程度和冲刷深度进行计算，如表2所示为具体计算结果。图1 有限元模型表2 不同服役时间下材料参数和冲刷深度服役时间/年100502510520混凝土极限应变0.550.820.941111混凝土峰值强度0.910.960.971111钢筋混凝土折减弹性模量/104MPa3.33.313.363.373.373.373.37钢筋弹性模量/105MPa1.121.541.972222钢筋腐蚀率（%）14.14.30.240000冲刷深度/m9.79.48.877.586.13.850冲刷坡角/40404040404003 分析结果3.1 分析冲刷前未劣化桩基承载性能冲刷前未劣化单桩荷载-沉降关系曲线如图2所示。根据图2能够判断出Q-S曲线类型属于未发生明显下降的缓慢变形曲线，根据桩基检测规范，对于此类曲线的桩基极限荷载可取40 mm处的荷载值，即为5 260 kN，桥梁桩基的工作荷载取为极限承载力的一半，即2 630 kN。在进行冲刷的模拟时，分 5 级加载工作荷载，在冲刷完成后再分5次加载到极限荷载。图2 单桩未劣化荷载-沉降关系曲线3.2 分析冲刷后未劣化桩基承载性能经过有限元计算能够获取竖向荷载改变时，桩顶位移的变化曲线，如图3所示；同时能够得到使用时间增164交通世界TRANSPOWORLD长下，极限承载力的变化曲线，如图4所示。从图3中能够得出，竖向荷载相同时，桩顶位移会随着桥梁冲刷深度的增加而增加，桩顶位移在桥梁冲刷深度达到9.7 m（服役时间100年）时最大，为50.62 mm。在桥梁服役时间为10、5以及2年时，对应的冲刷深度分别是7.58 m、6.1 m以及3.85 m，此时冲刷后的桩顶位移在工作荷载作用下有回弹现象，并且回弹程度随着冲刷深度的提高而降低。在桥梁服役时间为100、50以及25年时，对应的冲刷深度分别是9.7 m、9.4 m以及8.87 m，此时冲刷后的桩顶位移在工作荷载作用下主要表现为下沉，并且下沉程度随着冲刷深度的提高而增大。出现此现象是因为土体经过冲刷后，桩附近土体出现回弹，迫使桩基发生方向朝上的位移，但随着冲刷程度继续增大，荷载作用下的下沉超过冲刷的回弹时，桩基便出现下沉现象。从图4使用年限和极限承载力间的关系曲线中能够得出，随着使用时间的增长，桩基承载力呈现出逐渐减小的规律。在刚开始使用期间，冲刷对承载力影响较大，承载力减小速度较快，随着使用时间的增长，冲刷深度逐渐稳定，对承载力的影响逐渐减弱，承载力减小速度慢慢变缓，基本保持不变。图3 单桩竖向荷载-沉降关系曲线图4 单桩服役年限-极限承载力关系曲线3.3 分析冲刷后钢筋劣化桩基的承载性能如图5所示为使用时间增长下钢筋劣化前后桩基承载力和沉降的变化趋势。从图5(a)中能够得出，随着时间的增长，桩基钢筋劣化前后的沉降表现出先快速增长后缓慢增长的趋势，具体呈现为折线状。在使用时间25年内时，桩基钢筋劣化前后沉降速度较快，达到0.42 mm/年；在使用时间25100年时，沉降值基本保持不变。同时，桩的竖向荷载大部分由桩端阻力和侧摩阻力承担，而在冲刷过程中，水体带走了大量桩侧土体，从而降低了侧摩阻力。因此，从图5(b)中能够看出，随着使用时间的变长，侧摩阻力随着冲刷深度的增大而减小，使桩基承载力不断降低，当桩的竖向荷载一致时，桩基沉降不断提高，其变化规律和冲刷深度变化规律基本一致。桩基沉降在钢筋锈蚀前后基本保持不变，如使用年限在25年时，钢筋劣化前后的沉降值分别为50.31 mm和50.6 mm，基本保持不变。而当桥梁使用时间至100年时，钢筋锈蚀率已增长至14.1%，此时桩顶位移与钢筋未劣化时相比仅提高了0.51 mm，因此能够看出桩基沉降基本不会受到钢筋劣化的影响。3.4 分析冲刷后混凝土劣化桩基的承载性能如图6所示为使用时间增长下混凝土劣化前后桩基承载力和沉降的变化趋势。从图6(a)中能够得出，不论混凝土是否出现劣化，随着时间的增长，桩基沉降均(a)劣化前后沉降随时间变化趋势(b)劣化前后承载力随时间变化趋势图5 钢筋劣化前后沉降和承载力随时间变化趋势165总654期2023年第24期（8月 下）不断增大。但在混凝土出现劣化后，桩基沉降增大幅度大大提高，如在使用时间25年内时，桩基混凝土劣化前后沉降值分别为50.31 mm和56.22 mm；使用时间50年时，桩基混凝土劣化前后沉降值分别为50.45 mm和75.35 mm；而在使用时间100年内时，桩基混凝土劣化前后沉降值分别为 50.61 mm 和 97.22 mm，提高近92.1%，由此可见桩基沉降受混凝土劣化的影响较大。从图6(b)中能够看出，随着时间的增长，桩基钢筋劣化前后的承载力均表现出逐渐减小的规律，与混凝土未出现劣化时相比，劣化情况下的桩基承载力损失程度更大，减小速度更快。如在使用时间25年时，桩基混凝土劣化前后承载力分别为 4 418.49 kN 和 4 254.8 kN；在使用时间50年时，桩基混凝土劣化前后承载力分别为4 416.51 kN和3 825.1 kN；在使用时间100年时，桩基混凝土劣化前后承载力分别为4 407.65 kN和3 366.5 kN。4 结论为了进一步掌握冲刷深度、钢筋和混凝土劣化对桩基沉降和承载能力的影响规律，本研究以实际工程为背景，通过建立数值模型对比分析了不同年限，不同冲刷深度下钢筋和混凝土劣化前后桩基承载力和沉降的变化规律，得出以下结论：1）竖向荷载相同时，桩顶位移会随着桥梁冲刷深度的增加而增加，在桥梁服役时间为 10、5 以及 2 年时，冲刷后的桩顶位移在工作荷载作用下有回弹现象，并且回弹程度随着冲刷深度的提高而降低；在桥梁服役时间为100、50以及25年时，冲刷后的桩顶位移在工作荷载作用下主要表现为下沉，并且下沉程度随着冲刷深度的提高而增大。随着使用时间的增长，桩基承载力呈现出逐渐减小的规律。2）随着时间的增长，桩基钢筋劣化前后的沉降表现出先快速增长后缓慢增长的趋势，桩基承载力呈现出先快速降低后基本不变的趋势，均呈现为折线状；桩基沉降和其承载力在钢筋锈蚀前后基本保持不变，基本不会受到钢筋劣化的影响。3）不论混凝土是否出现劣化，随着时间的增长，桩基沉降均不断增大，但在混凝土出现劣化后，桩基沉降增大幅度大大提高；随着时间的增长，桩基钢筋劣化前后的承载力均表现出逐渐减小的规律，与混凝土未出现劣化时相比，劣化情况下的桩基承载力损失程度更大，减小速度更快。参考文献：1 陈一飞.混凝土结构劣化机理及耐久性设计研究J.煤炭工程，2003（12）：48-52.2 胡峰强，陈家俊，胡思聪，等.桥梁冲刷深度计算方法评价及基础合理埋置深度研究J.公路交通科技，2022，39（3）：62-70.3 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