高烈度區橋梁樁基動力響應與抗震提升技術分析

史明霞、錢鑫、李沛、張彪

（1.宿遷市交通產業集團有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中鐵四局集團有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著新基建等國家戰略的提出，以及后疫情時代經濟發展的需求，我國進入了工程建設的黃金時代，已經建造或即將建造一大批超大型結構物。因樁基具備良好的承載能力，且能帶來較好的經濟效益，這類新建超大型復雜結構物系統普遍采用樁基或樁筏基礎。但這類大型結構物尚未真正經受過強烈地震作用的考驗，缺乏強震響應破壞的實際經驗，因此開展系統的土體—結構物動力相互作用的理論及應用研究尤為重要和緊迫，對液化地區橋梁工程的建設更是具有重要的指導意義。

我國地震多發且分布廣、強度大，建橋區大多為液化場地，特別是現有的干線交通和京滬高鐵，以及長三角、珠三角、環渤海三大城市群和沿海經濟發達區。當前，我國橋梁建設事業發展速度日益加快，且多采用樁基形式，在大量樁基震害事件中，液化側向擴展是樁基受損的最主要原因之一。對此，大量學者對地震液化引發側向擴展場地條件下的樁基地震響應進行了研究。

關于橋梁上部結構的抗震設計，目前國內外已經形成了一套較為成熟的設計方法，但是對橋梁樁基的抗震設計研究較少。常用的提升樁基抗震水平的方法是增大樁基截面積，增加樁基的入土深度，提高樁基的配筋率等措施，該類主動增強樁基抗震性能的設計方法會顯著增加施工成本，而且難以從根本上解決地震引起砂土地層液化導致的地基強度失效問題。而地基強度失效會導致橋梁樁基產生較大的水平位移，進而使橋梁墩柱產生偏移、橋梁產生較大滑移等問題。

基于上述問題，總結相關研究，分析在地震液化導致的側向擴展場地下，橋梁樁基產生大變形的機理及樁基受到破壞的原因，并系統分析橋梁樁基的抗震性能提升關鍵技術。

1 地震引起橋梁樁基破壞案例總結

國內外巖土工程界始終高度關注地震液化引發的樁基震害問題。這方面的典型案例有1964 年日本新潟地震、1975 年中國海城地震、1976 年中國唐山大地震、1995 年日本阪神地震、2008 年中國汶川地震（見圖1）、2010 年中國青海玉樹地震（見圖2）、2021 年中國青海瑪多地震。

圖1 汶川地震引發橋梁樁基受損

圖2 玉樹地震引發橋梁樁基受損

總結上述大地震中低承臺樁基震害，得出：第一，樁與承臺連接處的破壞。樁頂承受的壓、拔、彎、剪應力集中，致使樁頂混凝土出現壓碎、剪切斜裂縫、鋼筋屈服等現象。第二，土層剛度突變的軟硬分界處樁身易發生剪、彎損害。第三，土體大變形引起的樁身整體破壞。由于邊坡整體失穩滑動或飽和砂土、粉土發生液化側擴、流滑等大變形，在削弱樁基豎向承載力的同時，會產生顯著的水平推力，導致樁身發生嚴重的整體破壞。第四，軟土震陷、砂土液化導致樁基承載力降低或喪失。第五，土體液化后樁的有效長度減小，在上部結構軸向荷載的作用下，樁發生屈曲失穩。

根據上述地震引起的橋梁災害實例可以看出，這些震害問題通常并非是橋梁設計強度不足引起的，而是地震導致軟弱地層中橋梁樁基周圍土體的水平剛度降低，進而導致樁基水平承載力不足，使橋梁樁基產生較大的水平位移，從而造成橋梁破壞，甚至喪失使用功能。

2 可液化地層中樁基的動力響應

2.1 試驗研究

“可液化地基—樁—結構”抗震性能的大型振動臺及離心模型試驗結果表明，樁基的動力響應是由上部結構的慣性力和樁土運動的相互作用共同引起的。其中，易引起地震放大效應的可液化場地中的樁土運動相互作用，是樁基受到破壞的主要原因之一。在地震荷載的作用下，樁身剛度對樁—土動力的相互作用影響顯著，剛性樁—土體系的剛度主要由樁體控制，土體非線性對樁身彎矩影響不顯著，但由于樁周土體對柔性樁的水平支撐作用明顯，使得土體非線性對樁身彎矩影響顯著。動力荷載作用下的樁身響應深度較水平靜力情況下顯著加深；在水平動載作用下，剛性樁的最大彎矩較水平靜載情況下增大1.5～4 倍，柔性樁的最大彎矩較水平靜載情況下增大約9 倍。樁身最大彎矩發生在樁頭和軟硬土層交界處。地震作用下，樁基附近土體易發生液化，進而降低樁基承載力。隨著樁長增加，樁—土體系的固有頻率和樁身最大彎矩值不斷增大，樁身最大位移幅值顯著減小。在可液化地基中，樁間距對樁身彎矩的影響顯著。

楊敏和楊軍基于離心模型試驗，對比了飽和可液化地基中大間距樁筏基礎樁頭剛接與樁頭自由在抗震性能方面的差異。結果表明，樁頭剛接時上部結構側向位移與基礎傾斜值均較樁頭自由時減少一半以上（見圖3），但上部結構加速度放大作用更加明顯[1]。

圖3 基礎傾斜時程曲線（試驗1 為剛接，試驗2 為自由）

2.2 理論分析

采用整體數值分析法和時域逐步積分法（可考慮土體非線性）。通過可液化—樁—結構動力響應數值分析，得出：柔性樁或結構體系固有頻率大于或等于場地固有頻率時，樁身應力主要由慣性相互作用引起，剛性樁或結構固有頻率小于場地固有頻率時，樁土運動相互作用對樁的動力響應影響顯著，在這種情況下，樁基抗震設計不可忽略樁土運動相互作用的影響。地震作用下土體的非線性表現非常顯著，樁—土之間甚至出現滑移和脫離等現象。土體的非線性會增大低頻振動下樁頭和上部結構的動力響應，但對高頻振動下的動力響應影響較小。群樁效應能夠降低動力激勵作用引起的結構響應峰值，即可減弱土體的動力非線性影響；當樁間距大于4 倍樁徑時，可忽略群樁效應對樁身彎矩的影響。樁頭固定時樁土運動相互作用會導致樁頭與樁身軟硬土層交界面處產生較大的彎矩，上部結構的慣性力對樁頭處彎矩的影響更為顯著；樁頭與承臺間采用鉸接連接方式，可降低樁身彎矩；擴底對樁基抗震性能的影響并不顯著。

3 樁基的抗震性能提升方法

3.1 提高樁體截面抗彎、剪剛度

為控制靜動水平荷載下樁基的側向位移，工程設計中通常采用增加樁的數量或采用更大直徑樁基的方法[2]。也有學者提出采用變截面樁、纖維增強樁、加翼樁等方法。

變截面樁方面，等混凝土用量的階梯型變截面樁、楔形樁的水平承載力均高于等直徑樁[3]。孔綱強等通過開展模型試驗發現，砂性土和黏性土中等混凝土用量的楔形樁水平極限承載力比等直徑樁分別提高25%和33%[4]。劉新榮等通過開展室內模型試驗發現，變截面樁水平受力比等直徑樁更為合理，且變截面樁的最優變徑段長度占整個樁長的40%～50%[5]。離心模型試驗結果表明，軟黏土中方形樁和H 形樁的水平承載力比等體積圓形樁高25%～40%，樁端開口或閉口對水平承載力的影響不大。

此外，纖維加固可以顯著提高螺旋樁的延性和水平承載性能，但在雙向循環荷載作用下，由于樁與土之間會出現間隙，纖維加固螺旋樁依然會存在明顯的循環衰減效應。室內模型試驗結果表明，摻入1.0%～1.5%鋼纖維可有效提高混凝土樁的延性和水平承載力，減少樁身彎矩。設置翼板也可提高水平受荷樁性能。李煒等通過開展離心模型試驗發現，設置翼板可充分發揮樁側淺層土體水平抗力，提高樁的水平承載性能，且提高幅值會隨翼板長度和寬度的增加而增大[6]。

3.2 提高樁周土體強度

在水平靜動力荷載下，樁的承載與變形特性還受樁周土體性質的影響，因此可采用地基處理方法改良樁側土性質，提高樁側土的抗力、改善樁土的相互作用，進而提升水平受荷樁的性能。常用地基處理方法有換填法、深層密實法、化學加固法等。

現場試驗證明，橋臺樁前局部碎石換填可提高水平靜力和循環荷載作用下樁基的剛度和水平承載性能。樁基后注漿處理也可提高樁水平承載力，如李洪江等通過現場試驗對比發現，采用樁側樁端后注漿后，可液化地基中灌注樁單樁的臨界水平荷載提高約20%[7]。在樁周打設攪拌樁或旋噴樁可提高樁側土的初始剛度和水平抗力，降低樁體水平位移，提高水平承載能力。由于樁身最大彎矩和剪應力發生在加固土深度范圍內樁體中，在單向循環和雙向循環荷載作用下，旋噴樁能顯著提高灌注樁的樁頭剛度，減少樁身累積位移。此外，樁側土改良可提高樁—土體系剛度，減小樁—土體系加速度和側向位移，從而改善樁基的抗震性能。

3.3 改變樁頭連接形式

為降低地震影響下樁頭與承臺或筏板之間的彎矩和剪力，可在樁基礎與筏板之間設置砂石墊層，形成一種新型的非連接式樁筏基。研究表明，與傳統的連接式樁筏基礎相比，這種樁頭連接形式可在保持技術優勢的基礎上，充分發揮樁間土的承載效應，并能顯著減少水平荷載下剪力和彎矩在樁基與筏板之間的傳遞。王安輝等人采用1g 振動臺開展了連接式和非連接式復合樁樁筏基礎的模型試驗研究[8]。試驗結果表明，DPR（非連接式）工況中模型體系的固有頻率小于CPR（連接式）工況的固有頻率，而DPR 工況的阻尼比大于CPR 工況；DPR 工況中地基土體的超孔壓比均低于CPR 工況，說明采用DPR 基礎可降低地基土體的液化程度；DPR 工況中地基土體的加速度反應均低于CPR 工況，表明用墊層隔開樁頭與筏板，可減弱群樁—結構相互作用對樁周土體運動的影響；與CPR 基礎相比，采用DPR 基礎可使樁基界面動彎矩峰值減少近50%，如圖4 所示。綜上可知，采用DPR基礎不僅能有效降低樁基彎矩響應，還可防止樁筏連接處出現彎剪破壞。

圖4 樁基界面動彎矩峰值對比

4 結語

為有效提升橋梁樁基抗震性能，對高烈度區橋梁樁基地震動力響應規律進行分析，總結典型的地震引起橋梁樁基受損的案例，并根據現有研究成果，總結出可液化地層中樁基的動力響應規律，并提出一些樁基抗震性能提升方法。但關于樁頭連接形式對樁基抗震性能的影響機理，以及樁頭連接形式和參數的確定，還有待進一步研究。相關方面需要做出更加明確的規范，以更好地為工程服務，提高橋梁樁基抗震性能的同時，降低工程成本。