复杂群桩基础冲刷计算方法研究_周泳涛

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（ ） 对群桩引起的局部冲刷和冲刷机理 ， 特别是 １ 纵横不均匀的复杂 布 设 群 桩 ， 已为现代高桩桥基设
收稿日期 ： ２ ０ １ ２－０ ３－２ ０
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是以单桩 （ 单桩 宽 ） 作 为 参 照 物， 桩 群 系 数 Ｋｍ 的物 φ 理意义相当于墩形 系 数 ， 虽然两种公式的计算结果 基本接近 ， 但从公式推导的技术思路来看 ， 美国规范 中公式的推导技术思路比较合理 。 （ ） 公式的边界条件不尽合理 ， 为了对两国现行 ３ 规范推荐公式进行评比 ， 化解两推荐公式 ， 并按统一 由大量试验 结构式以进行评比 。 公式的结构统一后 ， “ 成果可知 ， 群桩综合系 数 ” 两个规 Ｋｇ １ ． ５～１ ． ９， ｒ≈ 范公式存在一定 的 偏 差 。 因 此 ， 我国行业规范的式 （ ） 和式 （ 中引入的“ 桩 群 系 数” ６ ５ ２ ６ ５ １） ＫｍΦ 的 计 算 － － 公式边界条件有待进一步完善 。 同时两公式的结
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但对其 冲 刷 机 理 和 局 部 冲 刷 特 性 研 究 计大量采用 ， 还有所欠缺 。 （ ） 关于群桩局部冲刷公式推导的技术思路 ， 美 ２ 国现行规范的群桩局部冲刷公式和其技术思路是用 群桩 相 连 的 等 效 实 体 桩 乘 以 群 桩 的 间 距 校 正 系
２］ 。 而我国现行规范所推性 纵向冲刷河床的形态特 为探 讨 复 杂 群 桩 横 向 、 征， 试验按纵向桩群 数 目 分 为 方 形 桩 群 布 置 和 矩 形 桩群布置两部分 进 行 。 对 比 试 验 结 果 表 明 ， 复杂群 桩的局部冲刷形态和最大冲深位置均与规则群桩有 所不同 ， 主要反映在 最 大 冲 刷 区 不 在 桩 前 区 而 在 桩 最大冲刷深度也略有增大 。 群内部 ， ３ ． ２ 复杂群桩冲刷特性 （ ） 复杂群桩的 局 部 冲 刷 形 态 和 最 大 冲 深 位 置 １ 均以规则排列群桩有所不同 。 试验结果表明规则排 列群桩最大冲深发 生 在 第 １ 列 桩 的 前 沿 ， 而复杂群 桩（ 梅花形排列 ） 的最大冲深区域位于纵 向 第 ３～ 第 最深点大多集中 发 生 在 第 ４～ 第 ５ 列 附 近 ， 不 ７列， 受桩群纵向长度 （ 即列数 ） 变化的影响 。 （ ） 在同样水流泥沙和边界条件下 ， 复杂群桩的 ２ 最大冲刷 深 度 略 大 于 规 则 排 列 群 桩 的 最 大 冲 刷 深 大概为规则排列群桩 度 。 复杂群桩的最 大 冲 深 度 ， 最大冲深的 １ ． １ ４～１ ． ２ ２倍。
特大洪水所引起桥墩的局部冲刷是桥梁冲毁的 罪魁祸首 ， 因此研究 桥 墩 的 局 部 冲 刷 对 于 桥 梁 的 稳 定性及工程的 安 全 性 至 关 重 要 。 目 前 ， 跨江大桥的 建设已经进入一个 飞 速 发 展 的 阶 段 ， 涉及群桩桥墩 为确保大桥稳定 ， 有必要 基础的局部冲刷相当频繁 ， 对桥墩周围的水流以及局部冲刷机制做进一步的系 统研究 。 国内外对一般桥墩的局部冲刷预测已经进入较 高的水平 ， 并取得了一系列理论研究成果和工程实践 经验 。 但在群桩引起的局部冲刷和冲刷机理 、 局部冲 刷公式技术思路和公式的边界条件等三个方面仍有 进一步提高的空间 。 我国和美国按两种技术思路 ， 分 提出 别针对稳定流作用下简单布设群桩的局部冲深 ， 了 预 测 公 式， 但总体来说对群桩基础局部冲刷的预 测， 目前尚属初级阶段 ， 在以下三个方面亟待提高
［ ３］
２ ． １ 规则布设桩群局部冲刷横向形态特征 横向桩柱间冲深变幅较小 ， 即使 试验结果表明 ： 在发生明显冲刷的 迎 水 面 前 ５ 列 ， 其横向最大冲深 与最小冲深的变幅为 １ ３ ． ７％ ～２ ５ ． ５％ 。 ２ ． ２ 规则布设桩群纵向局部冲刷形态特征 规则 排 列桩 群 顺 水流 的 纵 向 冲 刷 特征 表 现 为： 桩群纵向冲刷呈迎 水 面 深 背 水 面 浅 的 基 本 形 态 ， 最 大冲刷区域均位于迎水面第 １ 列 。 迎水面第 １ 列至 桩群中部为由深变 浅 的 过 渡 区 ； 桩群中部至中后部 为浅冲区和淤积堆 高 区 ； 背水面附近形成冲幅较小 的二次冲刷区 。 由于贴近两侧最外排桩柱的水流离 开桩群背水面时具 有 相 互 归 拢 的 特 性 ， 因此在桩群 两侧最外排桩间呈浅 中部至中后部的浅 冲 堆 高 区 ， 冲状态 ， 而横向向内各排均呈淤积堆高状态 。 ２ ． ３ 桩群最大冲深位置 桩群最大冲深位置与桩柱排列有关 。 试验表明 桩柱规则排列的桩群最大冲深点始终处在迎水面第 且不受桩群纵向长度（ 即列数） 变化的 １ 列桩脚处 ， 影响 。 ３ 复杂群桩局部冲刷机理和冲刷特性研究 复杂 群 桩 冲 刷 兼 有 群 桩 纵 向 排 列 、 横向排列和 纵向 斜交排列的综合 冲 刷 机 理 和 效 应 。 其 中 包 括 ， 掩蔽作用 、 纵向冲 刷 联 动 作 用 、 横 向 阻 力 增 大 作 用、
６］ 。 横向冲刷联动作用 ［
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利用水槽试验对桩群横向 （ 纵向 ） 相对间距大小
４］ 和王智 对阻力 系 数 的 影 响 进 行 研 究 。 以 周 华 兴 ［
辉
［ ５］
的 试 验 结 果 为 代 表 性 成 果， 分别对纵向排列
折减系数 ＫＬ 和横向 排 列 影 响 系 数 ＫＢ 进 行 了 试 验 研究 。 １ ． １ 圆桩横向排列阻力系数研究 试验 观 测 表 明 ， 随着群桩的横向排列相对间距 的减小 ， 桩群断面 前 的 水 位 有 所 提 高 ， 流 速 降 低， 桩 并 出 现 较 大 漩 涡。 在 桩 群 断 群断面后的水 位 降 低 ， 面附近水流变化很大 ， 局部坡降也加大 ， 流速增加 ， 阻 ／ 力系数也增加 。 当群桩横向排列的相对 间 距 Ｂ ＞ 流速增加对阻力 系 数 的 影 响 不 是 太 大 ， 横 ８ １ ０ 时， ～ ／ 群桩 向影响系数也趋于 １ ． ０。 而当 Ｂ ０时， ＜８～１ 的存在对水流的影响显著 ， 桩前水位壅高明显 ， 水位 坡降较大 ， 阻力系数上升迅速 。 １ ． ２ 圆柱纵向排列阻力系数研究 试验结果表明 ， 当两桩纵向排列间距较小时 ， 后 水流脉动强度较大 ， 频 桩柱处在前桩柱的漩涡区内 ， ／ 由于后桩柱阻 力 显 著 下 降， 因 率高 。 在 Ｌ ＜６ 时 ， 而平均 阻 力 下 降 也 较 为 显 著 ； 当后桩柱处在前桩 柱 ／ 的 漩 涡 之 外 时， 即Ｌ 后桩柱的阻力向上较 ＞６ 时 ， 快， 因而平均阻力也随之上升 ； 然而当两桩间距增大 ／ ， ／ ， 到一定值后 ， 圆柱桩为 Ｌ 方桩为 Ｌ 两 ０ Ｂ＞１ ５ ＞１ 。 桩的阻力趋于稳定 ， 纵向排列折减系数 ＫＢ → １ ． ０ ２ 规则群桩局部冲刷形态和冲刷深度的研究 为了 与 复 杂 排 列 桩 群 的 成 果 进 行 比 较 ， 先采用 方形和矩 形 桩 群 进 行 桩 柱 规 则 排 列 的 桩 群 冲 刷 试 验， 使研究成果具有普遍意义并适用于一般情况 。
周泳涛１， 高正荣２， 鲍卫刚１
（ ） 中交路桥技术有限公司 北京市 １ 南京水利科学研究院 南京市 ２ １． ０ ０ ０ ２ ９；２． １ ０ ０ ２ ９
摘 要 ： 为研究公路桥梁群桩基础的冲刷计 算 ， 根据我国现有公路桥梁群桩基础的现状， 详细分析、 研究各类 流态、 流速分布以及泥沙运动性态。研究结果表明， 在复杂布设群桩条件时， 群桩布设情况下的河流的阻力特性、 存在四种冲刷机理： 纵向掩蔽作用、 纵向冲刷联动作用、 横向阻力增大作用和横向冲刷联动作用。并根据该研究结 果， 修订完善目前我国行业标准《 公路工程水文勘测设计规范》 中， 桥墩非黏性土的局部冲刷计算公式中边界条件 不合理部分， 在原公式中仅考虑群桩横向排列影响系数的基础上， 进一步提出同时考虑群桩横向和纵向排列的综 合影响系数。并用实桥数据进行验证后， 提出了复杂群桩基础冲刷计算的推荐公式。这一结论使原有冲刷计算公 从而能运用于复杂群桩基础的冲刷计算 。 为非黏性土群桩基础的局部 冲 刷 计 算 提 供 有 价 值 的 参 考 式更加趋于合理， 依据 。 关键词 ： 公路桥梁 ； 复杂群桩基础 ； 试验研究 ； 冲刷计算 ； 水文分析 ； 计算