0 引言

近年来，河道乱挖乱采河沙现象十分严重，造成河床面条件发生很大变化，给很多跨河桥梁工程的安全运营带来巨大威胁，跨河大桥的安全尤其受到采沙的影响。国内外由于河道大规模无序采沙导致的桥基损坏和水毁桥梁事故层出不穷，造成很大财产损失和人员伤亡。大多数的桥梁损毁都是由于乱挖河沙导致基础外露，桥梁基础受到冲刷，桥基的承载能力降低造成的。这种情况如果能被提前发现，就可以及时地对桥梁进行维修、改造或限制其使用，从而减少或避免事故的发生。《公路桥涵地基与基础设计规范》^[1]中规定，摩擦桩的桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，并考虑桩端阻力。对于公路桥梁中常见的摩擦桩而言，在桩基四周开挖河砂，将导致桩基承载能力降低，危及结构安全，严重情况下会引起桥梁垮塌。

桩柱式桥墩基础由于结构简单、受力明确，在我国公路中应用较多，而摩擦桩基础则是最主要的一种结构类型。在摩擦桩柱式桥墩基础周围采沙，将改变水文状态和结构受力，对桥墩基础和主梁受力造成不利影响。很多学者开展了河道采沙、基坑开挖对基础及桥梁承载力的数值分析和试验研究，其中齐梅兰等人进行了河道采沙对大桥基础安全影响研究和采沙河床桥墩冲刷研究^[2-3]；梁森栋等结合某跨海大桥，完成了复合桥墩局部冲刷深度的研究^[4]；朱彦鹏、邓志勇、刘陕南等开展了单桩承载力的数值分析和试验研究^[5-7]；李智彦、李怀健、彭龙仕、赵明华等完成了单桩承载力数值分析和动力响应研究^[8-11]；王菲、李文平、陈明等则在基坑开挖对桥梁基础、桩基的影响方面进行了深入研究^[12-14]。这些研究大都集中在桩基承载能力分析和开挖对邻近桥桩的影响方面，有关摩擦桥桩四周开挖对桥梁受力影响研究很少。据此，针对某公路桥摩擦桩柱式桥墩基础桥下挖沙严重现象，迫切需要开展挖沙对摩擦桩基础桥梁的受力及安全影响研究，掌握桥下采沙对桥墩及主梁的影响规律，以便采取防护和加固措施，保障大桥安全使用。

1 桥梁概况

某高速公路连接线桥梁跨越河流，全长581 m，上部结构为23 m×25 m预应力混凝土先简支后连续小箱梁，分为5联，横向布置4片梁，直线桥，桥面横坡为2%单向坡；下部结构为桩柱式墩台，均采用灌注桩基础，按摩擦桩设计，设计桩长43 m。设计荷载为公路一级，桥面宽度2×0.5 m防撞护栏+净-12 m行车道，桥梁全宽13 m。桥位处地基土由第四系中砂、粗砂砾砂及黏土构成，桩端持力层为粗砂层。河流为典型的季节性河流，除汛期外，河道几乎常年无水，设计洪水频率1/100，一般冲刷深度3.9 m，最大冲刷深度5.36 m。

桥下存在乱采河沙现象，第15~21孔桥下挖沙现象最为严重，河床已比原始河床下挖了3.00~9.05 m。第16^#~21^#墩部分桩基础裸露在外，其中16^#墩桩基露出9.05 m，17^#墩桩基露出8.1 m，18^#墩桩基露出4.86 m，19^#墩桩基露出2.3 m，20^#墩桩基露出7.0 m，对大桥桥墩基础造成巨大影响。加之本条线路上超载车辆异常繁多，最大超载车辆重量达到100 t以上，已经严重危及大桥安全^[15]。

2 数值模拟计算 2.1 计算参数

各土层桩侧摩阻力标准值q_ik参照《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 063-2007)^[1]取值和设计图纸取值，采沙前后地基土层参数相同，通过对比的方法建立有限元模型来分析研究桥下采砂对墩梁承载力的影响，各土层桩侧摩阻力标准值见表 1。

其中：清底系数m₀取0.7；修正系数λ，20 < L/d < 25时取0.8，L/d≥25时取0.85；容许承载力随深度修正系数k₂取6；桩端处土的承载力基本容许值[f_a0]取550 kPa；粗砂重度取16.5 kN/m³。

2.2 承载能力计算

计算内容主要包括：(1)原设计状态下桥墩基础承载能力计算；(2)河道开挖不同程度状态下桥墩基础承载能力计算；(3)河道开挖后水流冲刷状态下桥墩基础承载能力计算；(4)采沙前后桩身变化对上部结构受力影响分析。

承载力计算分原设计、原设计最大冲刷、采沙及采沙后最大冲刷4种工况。

桩端土处承载力容许值q_r计算：

(1)

原设计桩长43 m，直径1.5 m，L/d=28.7≥25，所以取λ=0.85，γ₂按19^#桩取加权后的平均重度7.9 kN/m³，h取43 m，计算q_r数值:

(2)

所以原设计时桩端土处承载力容许值取1 450 kPa。考虑最大刷后的修正系数λ取值见表 2所示。采沙后、采沙后冲刷及原设计冲刷后的桩端土处承载力容许值见表 3。

采沙后，16^#~20^#墩桩端土处承载力均比原设计有所降低。不考虑冲刷，降低程度最低的是19^#墩，承载力降低7.7%，采沙最为严重的16^#墩，承载能力降低23.4%；考虑冲刷作用，采沙最为严重的16^#墩其桩端土处承载力容许值比原设计降低45.4%，采沙情况最轻的19^#墩，其桩端土处承载力容许值比原设计降低13.0%。采沙已经对桩端土处承载力造成了很大影响，桩端土处承载能力随挖沙深度增加而逐渐减小。

单桩承载力计算：

式中，u为桩身周长；q_ik为各土层桩侧摩阻力标准值；l_i为各土层厚度；A_p为桩端截面面积；q_r为桩端土处承载力容许值。计算得到的各工况下单桩承载力如表 4所示。

由采沙前后单桩承载力计算结果可知：原设计最大冲刷后单桩承载力损失最大的是19^#墩钻孔桩，是原设计不冲刷时的88.3%。采沙后单桩承载力损失最大的是16^#墩钻孔桩，是原设计不冲刷时的81.1%；采沙后在最大冲刷工况下单桩承载力损失最大的是16^#墩钻孔桩，是原设计最大冲刷时的73.3%，单桩承载力损失最小的是19^#墩钻孔桩，是原设计最大冲涮时的93.1%。桥桩单桩承载能力随挖沙深度增加而逐渐减小，采沙后单桩承载力最大降低18.9%，考虑冲刷时单桩承载力最大降低26.7%，采沙已经对桩基承载力造成了显著降低。

2.3 采沙对桥跨受力影响分析

桥梁上部结构采用梁格法建模，梁体截面按照设计图选取，横向连接根据设计图纸横隔板位置及尺寸确定，混凝土强度等级为C50，支座采用弹性连接，桥墩及桩基础均采用设计截面，桩土作用采用m法，地基土水平向抗力系数的比例系数m取值参考《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 063-2007)^[1]，如表 5所示。作用点位置首先根据土层划分，然后再将每层土分成1 m左右单元。采沙导致桩身部分裸露的为16^#~20^#墩，分别属于两联5×25 m和4×25 m，所以建模时建立两联整体模型，采用有限元软件Midas/Civil建立空间有限元模型进行结构分析计算，有限元模型见图 2~图 5，其中箱梁之间横梁和桥面接缝均采用刚接。

根据设计图纸确定车道位置，全桥共布置3个车道，活载取公路一级荷载(加载图式见图 6)，加载时按最少一车道，最多三车道加载，程序自动实现多车道加载折减，恒载考虑梁体自重及二期恒载作用。

计算在汽车荷载作用下，采沙后工况及原设计工况下梁体跨中最大竖向变形、墩顶下沉量、墩柱弯矩。汽车荷载作用下桥跨及墩柱部分参数计算值(最大值)见表 6。

在公路一级汽车荷载作用下，采沙后桩身变化对墩柱受力、上部结构受力、墩柱弯矩、自振频率产生一定的影响，其中跨中竖向变形最大值增大6.2%，墩顶下沉量最大值增大17.4%，主梁跨中挠度增加19.4%;而桥跨前5阶自振频率均有所降低，其中第1阶自振频率降低约19.8%，墩柱弯矩有所降低。静力参数计算结果表明，桥下采沙对墩梁结构都产生一定不利影响，导致反力和变形增大，频率降低。

虽然采沙对墩梁结构造成一定影响，但部分计算参数增减幅度绝对值都比较小，而桥跨为先简支后连续结构形式，采砂前后桩身变化对上部结构的影响不大。桥梁在汽车荷载作用下梁体跨中挠度、竖向弯矩、墩柱弯矩和反力变化不明显。

3 荷载试验研究 3.1 试验概况

大桥布置为5联，其中第11~14孔为一联，第15~18孔为一联，根据结构受力分析和结构对称原则，选择对应桥墩和主梁进行测试，测点布置详见图 7。现场测试分为3种工况。

(1)选择挖沙最严重的16^#墩和原始状态的13^#墩进行对比试验，测试试验车和过路车作用下的墩顶竖向动位移、纵向动位移(沿行车方向)。

(2)选择伸缩缝位置处的14^#墩和18^#墩进行对比，其中14^#墩为原始状态，18^#墩病害为中等程度，测试试验车和过路车作用下的墩顶竖向动位移、纵向动位移。

(3)选择墩身未挖沙的第15孔2^#箱和墩身处挖沙的第17孔2^#箱梁进行对比检测，测试试验车和过路车作用下的主梁跨中竖向动挠度。

测试车辆分为试验车辆和过路车辆，试验工况分为行车试验和刹车试验两种，试验车辆总重35.37 t，单辆车。试验车辆在桥上中间车道行驶，以10，20，30，40，50 km/h速度通过桥梁；试验车辆以30 km/h通过桥梁进行刹车试验，在测试位置处刹车；过路车辆按照正常行驶速度通过测试桥跨。位移测试采用北京光电技术研究所生产的BJQN-4D桥梁挠度检测仪进行。

3.2 结果分析

现场试验试验车速度在13~48 km/h之间，过路车辆速度在30~65 km/h之间，试验车辆总重35.37 t，过路车主要是运煤车辆，重量大于试验车辆。实测13^#墩与16^#墩对比结果、14^#墩和18^#墩对比结果和第15孔和第17孔主梁对比结果见表 7，图 8~图 9为实测墩顶动位移和主梁跨中动挠度时程曲线。

由表 7和图 8~图 9可知：

(1)速度为13~48 km/h的试验车通过时，实测16^#墩和18^#墩墩顶竖向动位移和纵向动位移均大于对应的13^#墩和14^#墩数值；16^#墩墩顶竖向动位移与18^#墩数值基本相等，其墩顶纵向动位移小于18^#墩数值；第15孔和第17孔跨中动挠度基本相等，试验车辆对桥墩和主梁的影响较小。

(2)桥上刹车时，实测16^#墩和18^#墩墩顶竖向动位移和纵向动位移均大于对应的13^#墩和14^#墩数值，且增幅较大；刹车试验数值大于对应行车试验数据，增幅明显，其中纵向动位移增幅均在100%以上，纵向动位移增幅远大于竖向动位移增幅；实测18^#墩和16^#墩数值均大于病害程度基本相同的14^#墩和13^#墩；第15孔和第17孔跨中动挠度略大于行车试验数据。

(3)速度为30~65 km/h的过路车通过时，实测桥墩墩顶纵向动位移大于试验车行车时数据，小于刹车试验数据；实测桥墩墩顶竖向动位移大于试验车行车和刹车数据。这说明过路车重量远大于试验车重量，过路车超载严重，影响了桥梁的运营安全。

(4)现场试验数据表明：车辆荷载是影响墩顶竖向位移的主要因素，车辆刹车时的纵向制动力是影响墩顶纵向位移的主要因素，桥上刹车具有较大危害；河道挖沙对墩柱的竖向和纵向位移影响都很大，导致位移增大，位于桥面接缝处的桥墩尤为严重。

4 结论

本文针对桥下乱采乱挖河沙对桥梁结构受力及安全影响进行了理论分析和现场试验研究，主要结论有：

(1)桥下挖沙大幅降低了桩端土处承载力和单桩承载力，承载力降低程度随桥下采沙深度增加逐渐增大，最严重的单桩承载力降低达到26.7%，对基础受力造成很大不利影响。

(2)采沙后桩身变化对墩柱受力、上部结构受力、墩柱弯矩产生一定的影响，在汽车荷载作用下，采沙后墩柱下沉量、主梁跨中竖向挠度有所增大，但增幅均较小，采沙对上部结构受力影响较小。

(3)试验车辆和过路车作用下，实测采沙桥墩动位移均大于未采沙桥墩，且增幅较大；刹车试验数据远大于行车试验数据，桥上刹车对桥梁危害较大；过路车数据远超试验车数据，说明过路车超载严重，建议尽快采取限速、限重、加固等措施，保证桥梁结构安全。