軟土地基橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)探討

康 焯，高 遠(yuǎn)，張志賢

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院）

0 引言

樁基礎(chǔ)由于不僅具有施工便捷、承載能力大、穩(wěn)定性好，控制沉降好等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠適用于各種不良地質(zhì)條件，特別是軟土地基，而廣泛應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)工程中。樁基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)的外力，通過樁群通過較上部軟弱的土層而傳到較深的地層中去。樁基礎(chǔ)通常分預(yù)制樁和就地灌注樁兩大類，而橋梁樁基礎(chǔ)往往采用后者較多。隨著近年來不斷發(fā)生較大的地震災(zāi)害，尤其是我國1976年唐山大地震和2008年汶川大地震，給人類帶來了巨大的破壞，而抗震設(shè)計(jì)被橋梁設(shè)計(jì)中日益得到重視。

1976年唐山大地震中，唐山地區(qū)62％的公路橋梁發(fā)生不同程度的破壞，其中嚴(yán)重毀壞的大、中橋梁有20座；汶川大地震涉及受損的橋梁更是高達(dá)6 140座。根據(jù)已有的橋梁震害資料中，除了少數(shù)橋梁倒塌外，主要的震害往往是主梁位移和落梁、橋墩斷裂和傾斜、支座破壞、橋臺開裂變形的震害報(bào)道，而樁基礎(chǔ)的震害往往較少。主要原因是樁基的隱蔽性，埋置于土體往往較深，其震害情況不易被發(fā)現(xiàn)。而且就算地震后期的橋梁檢測，也只能發(fā)現(xiàn)埋置較淺處的樁基震害，更深處的破壞往往不容易檢測到。加之地址情況的多種多樣，土體的非線性，往往難以從理論上準(zhǔn)確模擬樁基震害的作用方式。

經(jīng)驗(yàn)證明，通常從樁基其上部結(jié)構(gòu)的震害可以間接地表現(xiàn)出震害程度。總結(jié)樁基震害經(jīng)驗(yàn)，對于今后加強(qiáng)橋梁抗震設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。

1 樁基橋梁震害形式

橋梁樁基震害受諸多因素影響，例如橋梁結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)土體特點(diǎn)、樁基的直徑和長度等。從近幾十多年來國內(nèi)外大量歷史地震中的樁基橋梁震害來看，樁基震害機(jī)制復(fù)雜，其中軟土地基的土體液化造成樁基過大的變形是樁基震害的一個(gè)主要因素。橋梁樁基震害主要表現(xiàn)形式如下。

（1）土體液化引起樁體下沉，從而導(dǎo)致橋面及梁體毀壞。如1976年的唐山大地震等都有這種震害。

（2）樁基和墩柱隨土體位移過大造成上部結(jié)構(gòu)落梁，這種震害形式最為常見。

（3）樁體未發(fā)生明顯側(cè)向移動(dòng)或下沉，而樁體附近沿樁周產(chǎn)生眾多密布的寬度不等的環(huán)帶狀裂縫。

（4）由于樁基與承臺連接處構(gòu)造措施設(shè)計(jì)不足，上部結(jié)構(gòu)傳到下的巨大慣性力，導(dǎo)致連接處的樁頂發(fā)生剪切斷裂。

2 橋梁樁基震害機(jī)制

根據(jù)我國對7°～9°度烈度區(qū)的樁基震害調(diào)查資料顯示，絕大多數(shù)樁基能經(jīng)受住地震的考驗(yàn)。一般土體不發(fā)生破壞時(shí)，樁基抗震效果好，破壞的很少；但在土體由于液化或滑移產(chǎn)生整體破壞時(shí)，則樁基將破壞，橋梁上部結(jié)構(gòu)也多半遭到破壞。

樁在地震荷載作用下的受力可劃分為兩類：一類是當(dāng)樁設(shè)置在地震時(shí)不發(fā)生側(cè)向位移的土體中時(shí)，只承受由振動(dòng)引起的作用力；另一類是當(dāng)樁設(shè)置在地震時(shí)發(fā)生側(cè)向位移的土體時(shí)，樁不但承受振動(dòng)引起的作用力而且承受土體側(cè)向位移引起的附加擠壓力。通常上，第二類震害往往發(fā)生在液化的軟土地基上，故此說軟土地基上的樁基都地震影響更為顯著。

而從結(jié)構(gòu)上看，由于樁身埋藏于土體中，通過樁帽與上部結(jié)構(gòu)相連，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，樁的運(yùn)動(dòng)要與周圍土體相協(xié)調(diào)，此時(shí)樁基引發(fā)的震害不僅僅是樁基本身與土體之間的作用力；另外，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)隨地震運(yùn)動(dòng)的慣性力而通過樁帽傳導(dǎo)到樁基的附加作用力。因此，在地震時(shí)，應(yīng)將土體－樁－結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體來進(jìn)行分析，樁基礎(chǔ)所承受的作用力往往是上述兩部分力的綜合影響結(jié)果。

總結(jié)和分析樁基橋梁震害情況，并結(jié)合地震時(shí)樁基的受力情況，橋梁樁基礎(chǔ)破壞機(jī)理可分為以下幾類。

（1）振動(dòng)引起的作用力下發(fā)生的破壞

這種機(jī)制的破壞方式一般發(fā)生在地震動(dòng)水平較高、樁基埋置深度較淺且樁徑較細(xì)、地基土層軟弱的情況下。地震時(shí)周圍土體對樁基提供的反力較小，從而造成樁的變形較大，導(dǎo)致樁基產(chǎn)生較大受力從而破壞。

（2）土體側(cè)向位移引起的擠壓力下發(fā)生的破壞

這種機(jī)制的破壞多發(fā)生在軟土場地。由于軟土場地易在地震中發(fā)生較大的側(cè)向位移，造成對樁基產(chǎn)生較大的擠壓力，從而造成樁基破壞。根據(jù)震害調(diào)查，即使地震動(dòng)水平較低，樁基也可能會(huì)發(fā)生這類的破壞。

（3）因土體液化，樁基發(fā)生陷落，喪失承載力導(dǎo)致的破壞

這類的破壞可分為兩種：第一種為單樁破壞。由于土體液化，造成單樁承載力降低，樁基向下產(chǎn)生較大位移。第二種為整體樁基破壞。即樁基為群樁基礎(chǔ)，單樁的承載力未喪失，而整體樁基發(fā)生失穩(wěn)、下沉或者傾斜。

3 橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)的探討

在可液化地基上，地震液化大變形是導(dǎo)致橋梁樁基破壞的最主要原因，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須采用必要的抗震措施。本文主要針對工程地質(zhì)情況與樁基類型的選擇、樁基抗震構(gòu)造措施方面提出探討。

3.1 工程地質(zhì)情況與樁基設(shè)計(jì)

（1）在進(jìn)行橋梁路線選擇時(shí)，應(yīng)盡量避開一些地震斷裂帶、破碎沉積帶、松散粉砂等軟土層地區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)。但有的時(shí)候往往很難完全避開。

（2）通過地址勘察，查明地震斷裂帶位置，液化層的厚度、埋深等地址基本情況，根據(jù)地址情況選擇樁基類型。

（3）對于可能發(fā)生液化的地段，樁基長度設(shè)計(jì)是應(yīng)充分保障樁基深入密實(shí)穩(wěn)定土層有足夠長度，避免液化造成樁基承載力下降從而發(fā)生較大沉降的情況。同時(shí)應(yīng)避免采用短樁，確保樁尖設(shè)置于地質(zhì)較好的持力層。

（4）對于軟土地基，設(shè)計(jì)中盡量選擇一些群樁樁基的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)建議加大樁徑尺寸。

3.2 樁基抗震設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施

我國規(guī)范與國外規(guī)范相比，主要是沒有考慮地面大變形作用，即土體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。而計(jì)算方法主要以M法為主。但根據(jù)有關(guān)研究成果，對于土層的剛度相差較大的軟土場地，M法則不能反映樁身實(shí)際的最不利情況。在液化場地特別是有側(cè)向土體流動(dòng)的地震情況下，最不利的樁身內(nèi)力位置往往在液化土層界面附近。地震動(dòng)越強(qiáng)，M法計(jì)算出的樁身內(nèi)力誤差越大，故而設(shè)計(jì)中宜采取強(qiáng)構(gòu)造措施以彌補(bǔ)計(jì)算方法存在的不足。

（1）一般橋梁樁基按照彈性基礎(chǔ)計(jì)算，其地基液化土層部分的側(cè)壁摩阻力、地基系數(shù)、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等可根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行折減考慮。

（2）改進(jìn)樁頭的嵌固程度。根據(jù)大量震害調(diào)查和有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，不論液化或非液化土中的樁基，其樁頭部分由于彎矩及剪力都達(dá)到最大，極易產(chǎn)生如錯(cuò)位、拔出、鋼筋斷裂等破壞。而承臺和樁連接處是最容易產(chǎn)生震害的部位。因而，改進(jìn)樁頭的嵌固程度應(yīng)通過增加樁基直徑或者加大樁頭部分的箍筋直徑來提高。

（3）對于長細(xì)比較大的樁基，在液化場地的地震作用下有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，樁基抗震設(shè)計(jì)是應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（4）在土層有側(cè)向位移的情況下，我國規(guī)范中未提出側(cè)向流動(dòng)場地樁基抗震設(shè)計(jì)的方法。可以參照日本公路橋梁規(guī)范，樁基設(shè)計(jì)時(shí)樁身作用力只考慮土壓力不考慮上部結(jié)構(gòu)慣性力。設(shè)計(jì)中土壓力取值為液化土層豎向土壓力與非液化覆蓋層被動(dòng)土壓力之和的0.3倍，從而驗(yàn)算樁基的抗剪能力。

4 結(jié)語

橋梁樁基抗震問題是一個(gè)長期困難的課題，土體位移與軟土液化是大多數(shù)震害發(fā)生的最主要原因。國內(nèi)外有很多學(xué)者和課題對軟土地基中樁基的破壞機(jī)理進(jìn)行分析研究，提出了很多理論觀點(diǎn)。同時(shí)我國的規(guī)范也隨著研究的不斷進(jìn)展，豐富和修改橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以期提高橋梁樁基的抗震水平。

［1］王青橋，韋曉，王君杰.橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2009，（6）.

［2］胡建新，張力，唐光武，等.液化場地樁基抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀［J］.世界橋梁，2008，（4）.