简述地基土损失对桩基动力特性的影响

摘要： 本文针对现在一些桥梁下部结构由于种种原因，使得地基土侵蚀，桩基了出来。这些病害造成了不安全因素，为了找到这些病害对结构的动力特性有什么影响，本文通过建立有限三维模型进行分析对比，来模拟这些病害发生时结构自振频率的变化。

关键词： 桩基；地基土；冲刷

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0093-02

0 引言

随着我国大跨度桥梁的大量建设，桥梁的下部结构也会常常出现一些病害。随着大吨位的车辆的增加、地质环境的改变等都有可能使得下部结构的地基承载力的下降。比如在河水的冲刷等水的流动使得原来覆盖在基础上面的土被冲刷，有的甚至出现桩基在外面，随着承台下面土质的减少必然会引起桩基承载力的大大削弱和对桥墩的约束的减少。这也将引起结构本身的损伤，由于桩基被在外部使得环境中的含有盐类的物质将墩身和桩基的混凝土的剥落和风化。也有意外的外部力造成损伤，比如在受到车辆和船只的碰撞等引起的损坏。

通过量测墩身的动力特性来找到能够反映墩身的状态的参数，并且分析这些参数在不同损伤的情况下的不同的变化的规律。这些参数可以都是结构的固有特性的参量，也可以是在激励之下的响应，甚至可以是前两者的结合。鉴于目前对桥梁的动力特性大多都是在桥梁在运营阶段进行量测，通过在桥墩上安装传感器来对其固有特性进行量测。

1 计算方法

我国公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）用的“m法”计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国内广大工程师所熟习。“m法”的基本原理是将桩作为弹性地基梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩-土相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，“m法”中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。

土弹簧的系数计算模型示意图，在1和2的土层中，桩基受到土层作用的弹簧刚度系数为

由上面的推导，可以得到各个节点上的等效土弹簧的刚度

2 有限元模拟分析

本节将对桥墩桩基础的损伤进行模拟。模拟基础的部分受到了损伤和桩基土层被冲刷的病害，通过有限元来模拟。下图1为墩、承台及桩基墩高度为9m，桩基的深度为22mm，单元的划分是按每一米一个单元，通过对有限元模型的计算得到桥梁墩身的自振频率在有损伤的情况下的影响。模型的土弹簧是通过MIDAS中的弹簧约束来模拟土层对桩基的约束，土弹簧的刚度有上面所述中的方法计算得到。

通过模拟地基受到流水或者其他因素而发生对地基土的冲刷，在未冲刷和冲刷两米之后，桩基的动力特性的变化见表1。

工况1是模拟由于地基受到流水或者震动冲击引起了地基的土层的松动。

工况2是模拟整个基础的的刚度分别降低不同损伤量，以找到在建设期间或者后期环境的侵蚀而引起材质劣化问题。

对损伤工况1和损伤工况2的计算结果对比图如下图2所示，桥梁墩身的刚度的降低相比土弹簧刚度（土层的削弱）对自振的频率的影响更为明显。

通过计算振型的对比，发现桥墩振型是以弯曲变形为主，而由于桩的振型受到了承台的约束是比较的大的，这使得桩的弯曲变形要比桥墩的小。这是因为桩基在受到侵蚀而发生了损伤对结构的自振频率有比较小的影响，还有就是地基的弱化对结构自振频率的影响要比桥墩刚度的降低影响要小。

3 结语

利用有限元的计算结果对各个损伤与无损伤桥墩进行了比较。并介绍和利用地基弹簧系数m值法的计算。通过模拟由于地基受到流水或者震动冲击引起了地基的土层的松动，以找到在建设期间或者后期环境的侵蚀而引起材质劣化问题，这些损伤对结构的自振频率影响的程度等一些有价值的结论。

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