軟土地基橋梁樁基抗震設(shè)計探討

康 焯，高 遠(yuǎn)，張志賢

（天津市市政工程設(shè)計研究院）

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，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)計被橋梁設(shè)計中日益得到重視。

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?？偨Y(jié)樁基震害經(jīng)驗，對于今后加強橋梁抗震設(shè)計是重要的一環(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、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。一般土體不發(fā)生破壞時，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，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)置在地震時不發(fā)生側(cè)向位移的土體中時，只承受由振動引起的作用力；另一類是當(dāng)樁設(shè)置在地震時發(fā)生側(cè)向位移的土體時，樁不但承受振動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，樁的運動要與周圍土體相協(xié)調(diào)，此時樁基引發(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)隨地震運動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，應(yīng)將土體－樁－結(jié)構(gòu)作為一個整體來進(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)合地震時樁基的受力情況，橋梁樁基礎(chǔ)破壞機理可分為以下幾類。

（1）振動引起的作用力下發(fā)生的破壞

這種機制的破壞方式一般發(fā)生在地震動水平較高、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，即使地震動水平較低，樁基也可能會發(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)計時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

（1）在進(jìn)行橋梁路線選擇時，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)計是應(yīng)充分保障樁基深入密實穩(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)計中盡量選擇一些群樁樁基的設(shè)計方式，同時建議加大樁徑尺寸。

3.2 樁基抗震設(shè)計與構(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，即土體運動效應(yīng)。而計算方法主要以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際的最不利情況。在液化場地特別是有側(cè)向土體流動的地震情況下，最不利的樁身內(nèi)力位置往往在液化土層界面附近。地震動越強，M法計算出的樁身內(nèi)力誤差越大，故而設(shè)計中宜采取強構(gòu)造措施以彌補計算方法存在的不足。

（1）一般橋梁樁基按照彈性基礎(chǔ)計算，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)計是應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

（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)向流動場地樁基抗震設(shè)計的方法?？梢詤⒄杖毡竟窐蛄阂?guī)范，樁基設(shè)計時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土壓力之和的0.3倍，從而驗算樁基的抗剪能力。

4 結(jié)語

橋梁樁基抗震問題是一個長期困難的課題，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理進(jìn)行分析研究，提出了很多理論觀點。同時我國的規(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.橋梁樁基震害特點及其破壞機理［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)計現(xiàn)狀［J］.世界橋梁，2008，（4）.