黏性-砂性土层中桥梁群桩基础冲刷机理及其承载性状研究

对于桩承式桥梁，冲刷可能导致桩基础的裸露或覆土高程降低，削弱桩的承载能力。目前的研究主要是针对单一的砂性或黏性土层，对于江河入海口区域常见的黏性与砂性土层交互的地层条件尚未引起充分的重视，对于冲刷后群桩基础安全状态也缺乏必要的评估手段。本项目拟采用波浪水槽模型试验、离心模型试验和理论分析方法，系统研究黏性-砂性土层中既有桥梁群桩基础的冲刷机理。通过波浪水槽模型试验确定黏性-砂性土层中群桩基础的冲刷深度以及波浪荷载静力等效公式；采用离心模型试验模拟冲刷过程中土体应力历史对于群桩承载性状的影响；基于虚拟桩模型和积分方程理论，建立冲刷作用下群桩基础的分析方法；通过参数分析，研究群桩基础承载性状与桩的布置形式、冲刷深度等因素的相关关系，提出一种简捷的既有桥梁群桩基础冲刷安全评估方法。研究成果也可用于设计阶段对群桩基础冲刷作用的潜在危害进行预估，以保证桥梁工程设计的安全和经济合理。

对于桩承式桥梁，冲刷导致桥墩基础裸露或覆土高程降低，削弱了桩基础的承载能力，目前的研究大多仅针对单一的砂性或黏性土层，对于江河入海口区域常见的黏性与砂性土层交互的地层条件尚未引起充分的重视，对于冲刷后群桩基础安全状态缺乏必要的评估方法。本项目采用波流水槽模型试验、1g物理模型试验、离心振动台模型试验和理论分析方法，系统研究了桥梁群桩基础的冲刷机理及其承载性状。本项目取得的主要成果总结为：(a)针对不同土层中的群桩基础及沉井基础分别开展波流水槽模型试验，研究了砂性土层中不同布桩方案下群桩基础的局部冲刷特性，揭示了大体型沉井基础的局部冲刷特性及其动态演化过程；分析砂性土层上覆不同厚度黏性土层中群桩基础的局部冲刷特性，探讨黏性土层对局部冲刷发生发展过程的影响规律。(b)针对冲刷作用下桥梁桩基础静动力承载特性开展了1g物理模型试验，研究了不同冲刷深度下桩基的竖向承载性状以及循环加载所引起的累积沉降；开展高承台群桩基础及桩箱基础的离心振动台模型试验，揭示冲刷土体应力历史和地震强度对群桩基础动力特性的影响规律。(c)基于最小势能原理与Winkler地基模型，提出了冲刷作用下水平桩承载性状的能量变分分析方法；考虑冲刷过程中土体应力历史的影响，建立了桥梁桩基冲刷屈曲稳定分析方法；分别提出了基于虚拟桩模型的群桩基础积分方程方法以及基于Fourier-Laplace积分变换的水平受荷长桩简化解答，可应用于冲刷作用下桥梁桩基础的简化分析。(d)基于Lagrange-D’Alembert原理和Winkler地基模型，假设土体为相互独立的薄层，建立了频域中考虑冲刷作用的群桩动力阻抗三维分析模型，该方法可同时考虑冲刷作用下群桩中所有桩基的动力相互作用。(e)开展了冲刷深度对单桩和简支桥模态影响的模型试验，分析冲刷形态对单桩和简支桥桥墩自振频率的影响，结合有限元数值模型探讨冲刷后桥梁基础的模态频率变化规律；通过室内波流水槽试验研究了牺牲桩对群桩基础的防护效果，提出了一种变高度牺牲桩的局部冲刷防护技术。本项目研究成果可用于对群桩基础冲刷作用的潜在危害进行评估，以保证桥梁工程设计的安全和经济合理。