增補管樁加固的既有樁基抗震韌性提升機理研究

2025-11-15 00:00:00石海洋王甫友張一民

天津建設科技 2025年5期

【中圖分類號】：U445.72 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-24-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.006

Research on theMechanism of Improvement of Seismic Resilience of Pile Foundations Based on Supplementary Pipe Pile Reinforcement

SHIHaiyang，WANG Fuyou，ZHANG Yimin （Tianjin Transportation Research Institute，Tianjin 3Oo30o，China）

【Abstract】：Inorder to improve theseismicresilienceof existing bridge pile foundations，this paper proposesareinforcement scheme based on supplementary pipe piles，the mechanism and influencing factors of the improvement of seismic resilience of existing pile foundations is studied by finite element numerical methods.The follwing conclusions were drawn by conducting sensitivity analysis on parameters such as pile length，pile diameter， and pile spacing.Adopting additional seismic reinforcement measures for pile foundations，the horizontal resistanceof thereinforcedpilecanbesignificantlyimproved，andtheinternalforceresponseofthepilefoundationunder dynamic loads can be reduced.However，the reinforcement effect gradually weakens as the reinforcement strength increases.The effct of reducing the deformation and internal force response of the existing pile foundation is more significant by increasing the diameter specifications and spacing of the pipe piles.

【Key words】：bridge fundation；supplement pipe piles；pile foundation reinforcement；seismic performance；resilience enhancement

隨著經濟發展，交通量增加，橋梁原有通行能力無法滿足社會需求，改擴建項目逐漸增多。通常橋梁原有上部結構及墩柱重建后，上部荷載增大，對下部舊樁基動力響應增大；加之GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》自2016年實施后，大部分建筑物抗震設防烈度等級提高，按照原設防烈度設計的橋梁樁基結構再利用時，抗震性能無法滿足要求；因此，近些年樁基抗震加固、韌性提升呼聲越來越高[-3]。史明霞等4為了提高液化地層中樁基抗震韌性，總結國內地震作用下橋梁典型受損案例，提出增強樁體截面抗彎和抗剪剛度、提高樁周土體強度、改變樁頭連接形式三種加固思路，為類似工程提供了參考；楚斌針對既有樁基，提出一種新型加固思路，即采用地基加固技術在樁基礎中設置抗震增強體，并與樁基礎的鋼筋混凝土承臺形成雙層抗彎結構，研究表明，在水平振動下，加固后的樁頂位移可減少 20%～30% ，垂直振動下位移可降低 30%～40% ；尹始麗采用EL-Centro波對原結構、樁基托換結構以及樁基托換后CFRP（碳纖維布）加固墩柱三種結構進行地震動時程分析，加固后結構自振頻率增大，振動周期縮短，驗證了樁基托換后CFRP（碳纖維布）加固墩柱方案是可行的；吳彪結合舉水河大橋基礎直接再利用工程，指出常規樁側土體加固方法隨著加固強度增加，加固效果減弱，為此提出了基于錨桿靜壓的增補樁基加固方案，并采用ABAQUS有限元對加固機理進行分析，加固后提高可橋梁基礎的水平承載性能 30% 左右；朱海波提出通過注漿或換填解決樁周土體液化問題，并研發了一種新型砂-堿激發礦渣膠凝材料，該材料可有效的減緩樁周土體的孔壓增長，減小樁的側向變形，降低樁的地震損失概率；汪圣波針對東甌大橋水中樁基破損嚴重的問題，提出一種利用鋼圍堰和鋼套筒技術對樁基進行加固的方案，并研究了設計工藝、施工工藝等，為日后類似工程提供了參考；王康達、李雨潤等[、葉海霞等[2]采用ABAQUS有限元軟件，研究了液化地基中樁基地震響應和樁-土-結構相互作用規律，并分析了不同樁基設計參數、地層參數、結構參數影響規律，提出了適用于可液化土層中樁基抗震設計方法。但總體上相比橋梁上部結構加固研究領域，樁基加固的研究仍較少，本文結合市某橋梁實際工程，在對橋梁抗震性能評價基礎上，提出一種基于增補管樁加固方案。

1工程概況

市某橋梁全長 96.68m ，共6孔，跨徑布置為6×15m ，橋梁上部結構為 15m 先張預應力混凝土空心板梁，下部結構為樁接柱構造，基礎均為鉆孔灌注樁，每排樁3根樁基，樁基直徑 1.5m ，樁頂設置系梁橫向連接，橋梁原抗震設防標準為 0.1g ，低于GB18306—2015要求的 0.2g ，地質以粉質黏土、粉土、粉砂土為主。根據JTG/T2231-02—2021《公路橋梁抗震性能評價細則》采用反應譜分析和非線性時程分析方法評價，按照現抗震設防標準，E2組合作用下，橋墩和樁基礎強度均不滿足要求，進人屈服狀態，需考慮延性分析，采取加固措施提高樁基抗震韌性。

本文提出一種增補管樁加固方案，通過管樁與既有樁基增設承臺進行連接，新舊承臺間植筋提高整體剛度。根據JTG3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》第6.2.6條相關規定，管樁距離既有樁基按照3倍樁徑，即 4.5m 設計，管樁中心距離承臺邊緣50cm ，樁頂嵌入承臺 1.5m ，增補樁基后承臺尺寸為2.5m×8m×2m 。見圖1。

圖1增補管樁加固方案

2數值仿真模型

2.1計算假設

樁基受水平地震荷載影響較為復雜，一般采用有限元法、Winkler地基梁法、邊界元法進行分析，其中有限元法包括擬靜力法、時程分析法、簡諧荷載法等簡化分析法，精準確定計算參數難度較大。本文采用了簡諧荷載法進行模擬分析，荷載作用于被加固的既有樁基頂部中心位置的集中荷載。

式中： F_t 為樁基受到的水平地震荷載； T 為周期； Φ_t 為時間； P 為荷載幅值。

采用有限元數值軟件進行計算分析，為了避免波在模型邊界上反射引起干擾，考慮到外荷載作用于樁基頂部，將模型 X_min?X_max?Y_min?Y_max 四周均設置為黏性邊界，并擴大模型范圍，土體邊界范圍長 × 寬 × 高 ρ=200ρ_m×ρ 100m×75m ，滿足動荷載反射波干擾影響的要求，模型共計劃分17109個單元、26302個節點。既有被加固樁基和增補管樁均采用Embedded樁單元模擬，其中被加固樁基預定義橫截面類型為實心圓弧梁，增補管樁預定義截面類型為圓管，承臺采用板單元模擬，樁頂與板單元默認鉸接。見圖2。

圖2有限元數值模型

2.2計算工況及參數

根據地勘報告可知，場地以素填土、黏土、淤泥質粉質黏土、粉土、粉質黏土為主，土層厚度 0.8～1.0m ，地下水位 0.20～6.70m ，土層 ?_m 值參考JTG/T2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》附錄L取值，土體采用實體單元，土體硬化本構模型，結構與土單元界面折減系數取 0.67 。見表1。

表1土體物理力學參數

被加固的既有樁基樁長 50m 、樁徑 1.5m ，樁身為C30混凝土，彈性模型取 30GPa ，重度取 23kN/m³ ；增補管樁為C80混凝土，彈性模型取 38GPa ，重度取20kN/m³ 。

為了揭示增補管樁對既有樁基抗震韌性提升機理和影響因素，開展不同參數敏感性分析，分別計算不同增補管樁長度、不同管樁直徑、不同管樁間距工況。其中，不同增補管樁長度包括 3，6，9，12m 共4種工況，計算樁徑為 400mm ，樁間距為 4.5m ;不同增補管樁直徑規格包括PHC-400、PHC-600、PHC-800、PHC-1000共4種工況，計算樁長為 6m ，樁間距為4.5m ；不同增補管樁間距包括 3m（2 倍樁徑） .4.5m（3 倍樁徑） .6m （4倍樁徑）共3種工況，計算樁徑為400mm ，樁長為 6m ○

2.3加載及監測方案

簡諧荷載法主要的參數是荷載幅值和加載頻率，參數的不同將對樁基響應特性有較大影響，根據多次試算，并參考JTCD60—2015《公路橋涵設計通用規范》中關于外部車船撞擊荷載取值的相關規定，荷載幅值取 2000kN 、頻率為 10Hz 。監測內容包括既有樁基樁頂變形、樁身彎矩和樁身剪力分布。

3計算結果

3.1樁身動力荷載變形規律

未加固狀態樁身沿深度方向水平位移變化規律見圖3。

圖3樁身不同點位水平位移時程曲線

1）在水平簡諧動荷載下，樁身側向位移是個復雜連續發展的過程，樁身各點的水平變形隨時間呈簡諧變化。其中樁頂水平變形極值最大，為 31mm ;隨樁身深度增加，樁身變形極值和變形幅度逐漸減小，距樁頂 2，3，6，9m 處變形極值分別為 23、19、8、1.5mm 。

2）在樁頂動荷載作用下，樁身不同埋深處動力響應不同，從施加動載開始計算，距樁頂0、2、6、9、12、20m 處達到變形同向極值的時間分別為0.044、0.05、0.051.0.056.0.069.0.075s ，隨樁身埋深增加，樁身水平變位響應時間存在滯后性。

3.2管樁長度對樁基影響

3.2.1水平位移影響

管樁長度對既有單樁樁頂水平位移幅值的影響見圖4。

圖4管樁長度對單樁樁頂動位移時程曲線的影響

1）無加固時樁頂的水平位移值為 31mm ；增補管樁長度為 3.6m 時樁頂位移極值分別為 20，18mm ，無加固狀態下樁頂位移幅值遠大于有加固時樁頂位移，增補管樁可有效增加樁基抵抗動力變形的能力，對頂的固結約束作用可以顯著降低樁身的擺動幅度。

2）加固樁長 9.12m 時樁頂變形均約為 17mm ，比加固樁長 6m 僅降低了 3% ，加大樁長帶來的降幅效果并不顯著。因此，通過提高管樁加固長度來降低樁基變位響應是不經濟的，樁長加固 6m 較為合理。

3.2.2樁基內力影響

管樁長度對既有單樁內力影響見圖5。

圖5樁身內力分布曲線

加固后，降低了樁身彎矩和剪力值，縮小了樁身內力包絡范圍，加固前樁身彎矩極值約為 3100kN?m 而補樁長 3、6、9、12m 樁基彎矩極值分別為1493、1204，1145，1194kN?m ，相比無加固時分別降低了52.6%.61.7%.63.6%.62.1%，，不同補樁長度樁頂 2m 范圍內剪力也均約下降 40% 。

3.3管樁直徑對樁基

3.3.1水平位移影響

管樁直徑對單樁樁頂水平位移幅值的影響見圖6。

管樁直徑為 400mm 時樁頂位移極值為 18mm 較未加固單樁幅值（ 31mm 降低了 42% ，管樁直徑600，800，1000mm 時樁頂位移極值分別為17、15、14mm ，相比未加固單樁降低幅度分別為 45.2%.51.6% /54.8% 。加固管樁直徑增大，可以降低既有樁基動載下的水平位移，但直徑增大到 600mm 后，被加固樁基水平位移不明顯。因此，通過增大管樁直徑來降低樁頂位移響應是不經濟的。

3.3.2樁基內力影響

管樁直徑對既有單樁內力影響見圖7。

隨著增補管樁直徑增大，既有樁身彎矩和剪力分布范圍與幅值均降低。其中管樁直徑400、600、800、1000mm 的樁基彎矩極值分別為1278、1105、870、733kN?m ，相比未加固時分別降低了 57.0% ） 62.8% 、70.7% 、 75.3% ，而四種工況剪力降幅分別為 40% 、50%.60%.70% 。管樁直徑增大能顯著降低既有樁基內力。

3.4管樁間距對樁基影響

3.4.1水平位移影響

管樁間距對被加固單樁樁頂水平位移影響見圖8。

管樁間距為3（2倍樁徑）4.5（3倍樁徑）6（4倍樁徑）m時樁頂位移極值分別為 21、19、16mm ，未加固狀態下樁頂位移幅值遠大于有加固時樁頂位移。管樁間距增大，可增加樁基抵抗動力變形的能力。

3.4.2樁基內力影響

管樁間距對既有單樁內力影響見圖9。

樁間距 3、4.5、6m 時的樁基彎矩極值分別為1 699，1 512，982kN?m ，相比未加固狀態下分別降低43%49%67% ；而3種工況剪力降幅均約為 30% 。通過適當增加管樁與被加固樁間距，有助于降低既有樁基彎矩和剪力內力。

3.4小結

既有樁基位移和彎矩均隨著加固強度增加而減小。既有樁基位移和內力與管樁直徑和管樁間距呈正相關。不同管樁長度可降低既有樁基位移 35% ～45% ，降低彎矩 53%～62% ；不同管樁直徑可降低既有樁基位移 42%～55% ，降低彎矩 57%～75% ；不同管樁間距可降低既有樁基位移 32%～48% ，降低彎矩 43% 367% 。對比管樁長度、直徑、間距3個加固參數的敏感性可知，增加管樁直徑規格對降低既有樁基加固效果更為顯著。見圖10。