強(qiáng)震區(qū)跨斷層橋梁樁基動(dòng)力響應(yīng)及避讓距離研究

馮忠居，關(guān)云輝，張 聰，孟瑩瑩，董蕓秀，2

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng)745000)

0 引 言

由于場(chǎng)地制約，有些橋梁工程會(huì)位于近斷層、跨斷層處，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮近斷層地震動(dòng)產(chǎn)生的上、下盤(pán)效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和顯著豎向運(yùn)動(dòng)等對(duì)橋梁的影響[1-2]。目前基本是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定斷層的影響程度，這顯然不能很好地滿足安全、經(jīng)濟(jì)的要求，故有必要對(duì)斷層這一特殊地質(zhì)條件下的橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地震波作用下橋梁樁基動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題及樁基避讓距離進(jìn)行了大量研究。馮忠居等[3-7]采用室內(nèi)離心機(jī)試驗(yàn)與數(shù)值仿真，分析了斷層-樁-土相互作用時(shí)橋梁樁基的距離效應(yīng)與承載特性；蔡奇鵬等[8]用土工離心試驗(yàn)，得出了正斷層錯(cuò)動(dòng)情況下，單樁、群樁在上盤(pán)一側(cè)的安全避讓距離分別為10、23.5 m的結(jié)論；劉闖等[9]、何靜斌等[10]、李雨潤(rùn)等[11-12]用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究了不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下樁基的樁身峰值加速度、樁身彎矩等動(dòng)力響應(yīng)特性，總結(jié)了樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用理論模型研究現(xiàn)狀；凌賢長(zhǎng)等[13]、A.S. HOKMABADI等[14]、邢帆等[15]、李培振等[16-17]采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真，研究了地震動(dòng)作用下樁-土-結(jié)構(gòu)的工作特性及作用規(guī)律，得出砂土層起放大作用、黏土層產(chǎn)生阻尼效應(yīng)的結(jié)論；張素珍等[18]采用MIDAS-GTS有限元軟件分析了地震動(dòng)作用對(duì)樁基礎(chǔ)水平位移和彎矩的影響；鮑鵬等[19]利用時(shí)程分析法研究了剛性樁復(fù)合地基在地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律；熊輝等[20]、武黎明等[21]建立了有限元簡(jiǎn)化模型，分析了不同地震動(dòng)作用下樁-土-結(jié)構(gòu)的動(dòng)力非線性時(shí)程響應(yīng)規(guī)律。

上述研究多集中于強(qiáng)震作用下樁基非線性動(dòng)力響應(yīng)，而關(guān)于強(qiáng)震區(qū)近斷層場(chǎng)地條件下樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的研究較少。筆者采用MIDAS/GTS有限元軟件，建立了樁-土-斷層相互作用模型，研究了在5010波、5002波、Kobe波和El-Centro波等4種地震波作用下，跨斷層橋梁樁基動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，分析了在地震動(dòng)荷載作用下，不同避讓距離對(duì)樁基水平位移、彎矩的影響。研究結(jié)果可為類(lèi)似工程的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

海文大橋(原鋪前大橋)跨越鋪前灣—東寨港海域，橋址區(qū)存在22條斷層，大橋走線共穿越3條斷層，其中F4斷層為非活動(dòng)斷層。斷層與橋位關(guān)系及土層分布見(jiàn)圖1。橋址區(qū)設(shè)防烈度為Ⅷ度，50年超越概率10%的動(dòng)峰值加速度為0.35g。該橋樁基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)境國(guó)內(nèi)外鮮有，樁基礎(chǔ)抗震問(wèn)題十分突出。

圖1 斷層與橋位關(guān)系及土層分布(單位：m)

海文大橋的44#、45#墩分別在非活動(dòng)斷層F4的下盤(pán)和上盤(pán)。承臺(tái)尺寸均為9.2 m × 9.2 m × 3.0 m，樁間距均為5.5 m。選取44-1#、45-4#樁開(kāi)展研究，樁徑2 m、樁長(zhǎng)76 m，嵌巖深度分別為12 m、10 m。

F4斷層隱伏于K11+688附近，走向352°，傾向南西，傾角70°，物探寬度約8 m，上下盤(pán)錯(cuò)落約2 m，斷層處巖石碎裂，為斷裂破碎帶。44#和45#墩樁基避讓距離H取基巖面近斷層一側(cè)樁與斷層的水平最小距離，分別為28.5 m，25 m。

2 數(shù)值仿真

考慮土體材料具有明顯的非線性[17-19]，采用MIDAS/GTS軟件建立非線性模型，用勻質(zhì)彈性材料制作樁基和承臺(tái)，用彈塑性模型描述樁基周?chē)膸r土體以反映其塑性變形，用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行非線性分析計(jì)算，用位移收斂和內(nèi)力收斂進(jìn)行檢驗(yàn)判斷。

2.1 模型建立

模型尺寸：x、y、z軸方向分別為98、62、94 m。采用植入式梁實(shí)體單元模擬樁基；采用破碎帶模擬斷層，將地質(zhì)條件簡(jiǎn)化為斷層破碎帶出露地表。樁周附近土體和斷層破碎帶網(wǎng)格加密劃分，尺寸為1 m，外側(cè)土體網(wǎng)格尺寸按1→4 m漸變。樁土接觸界面采用MIDAS/GTS中的一般接觸，通過(guò)自動(dòng)接觸的方式定義。法向、切向剛度比例系數(shù)采用基本設(shè)置值。44#、45#墩模型如圖2。

圖2 44#、45# 墩模型

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)海文大橋橋址的地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算模型中材料的彈性模量E、泊松比υ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ等參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 邊界條件

1)選擇地震波，并進(jìn)行地震波振型分析，得到有限元模型的特征周期和阻尼因子。筆者進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)振型分析采用彈性邊界。

2)鑒于黏彈性邊界可以提供良好的模擬效果[18-21]，因此，采用R. L. KUHLEMEYER等[22]提出的黏彈性人工邊界(即在土體外邊界添加曲面阻尼彈簧)進(jìn)行地震動(dòng)時(shí)程分析。

2.4 地震波選取

選取中國(guó)地球物理研究所針對(duì)海文大橋人工合成的5010波、5002波，以及典型的阪神地震Kobe波、El-Centro波共4種地震波，用軟件SeismoSigal進(jìn)行濾波和基線校正處理，地震動(dòng)峰值加速度按比例縮放限制在0.35g左右。經(jīng)過(guò)處理后的地震波如圖3。

圖3 地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線

3 不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)特性

3.1 加速度響應(yīng)

3.1.1 峰值加速度響應(yīng)

峰值加速度放大系數(shù)α可反映巖土層性質(zhì)及不同高程樁身峰值加速度的放大效應(yīng)，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：apeak為樁身峰值加速度，m/s2；a′peak為輸入地震波峰值加速度，m/s2，a′peak=0.35g。

因此，在4種地震波作用下，上、下盤(pán)樁的樁身峰值加速度變化規(guī)律如圖4，樁頂峰值加速度放大系數(shù)如圖5。

圖4 樁身峰值加速度變化規(guī)律

圖5 44-1#、45-4#樁的樁頂峰值加速度放大系數(shù)

從圖4、圖5可以看出：

1)在4種不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下，樁身峰值加速度變化規(guī)律相似，均在樁頂或土層分界面發(fā)生較大變化。在El-Centro波作用時(shí)，樁頂峰值加速度最大；在Kobe波作用時(shí)，軟硬土層分界面的峰值加速度最大；樁底峰值加速度與輸入地震動(dòng)峰值加速度基本相同；樁底到基巖面處樁身峰值加速度基本沒(méi)有被放大或縮小，說(shuō)明基巖對(duì)樁身峰值加速度的影響較小。

2)覆蓋層土體對(duì)樁身峰值加速度具有一定的放大作用(α>1)。4種地震波中，El-Centro波作用下，樁身峰值加速度放大幅度最大，放大系數(shù)為1.76，表明相同土層對(duì)不同地震波峰值加速度的放大效果并不完全相同，且樁基礎(chǔ)所處地質(zhì)條件不同對(duì)地震波作用下樁身峰值加速度變化規(guī)律影響顯著；斷層導(dǎo)致上、下盤(pán)樁的樁頂峰值加速度放大系數(shù)差異顯著，兩者的放大系數(shù)差值在0 ～ 0.36范圍內(nèi)。

3.1.2 加速度時(shí)程響應(yīng)

由于輸入地震動(dòng)50 s后樁基加速度基本為0，故筆者選取0 ～ 50 s范圍內(nèi)樁頂、樁底加速度時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行分析，如圖6、圖7。

圖6 44-1#(下盤(pán))樁的樁頂、樁底加速度時(shí)程曲線

1)以圖7(a)為例，樁頂、樁底加速度分別在50、25 s后趨于穩(wěn)定，峰值分別為5.70、3.82 m/s2，樁底加速度時(shí)程響應(yīng)的頻率和振幅與輸入地震波的接近，而樁頂加速度時(shí)程響應(yīng)頻率較低、振幅較大。說(shuō)明基巖對(duì)地震波的響應(yīng)速率快，對(duì)輸入地震波幾乎沒(méi)有影響；而覆蓋層對(duì)地震波的“濾波”作用較為明顯，將地震波中的高頻成分進(jìn)行一定的消除，使得樁頂對(duì)地震波高頻成分的響應(yīng)程度及敏感度降低。

圖7 45-4#(上盤(pán))樁的樁頂、樁底加速度時(shí)程曲線

2)同一類(lèi)型地震波作用下，斷層上、下盤(pán)樁的樁頂、樁底加速度時(shí)程響應(yīng)波形規(guī)律相似，但由于斷層的存在，上盤(pán)樁的樁頂加速度達(dá)到峰值的時(shí)刻滯后于下盤(pán)的。

3.2 樁頂水平位移響應(yīng)

斷層上、下盤(pán)樁的樁頂水平位移Spt時(shí)程響應(yīng)如圖8，樁頂水平位移峰值Speak, pt變化規(guī)律如圖9。

圖8 45-1#、45-4#樁的樁頂水平位移時(shí)程曲線

圖9 45-1#、45-4#樁的樁頂水平位移峰值

從圖8、圖9可以看出：

1)樁頂達(dá)到水平位移峰值的時(shí)刻與輸入地震波類(lèi)型有關(guān)。以圖8(a)下盤(pán)44-1#樁為例，在5010波、5002波、Kobe波、El-Centro波作用下，樁頂分別在7.16、45.68、10.52和9.42 s達(dá)到振幅最大值。

2)在同一類(lèi)型地震波作用下，上、下盤(pán)樁的樁頂水平位移時(shí)程響應(yīng)規(guī)律相似。由于斷層的存在，上、下盤(pán)樁基礎(chǔ)兩側(cè)土層性質(zhì)有所不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的樁頂永久位移大小各不相同。在4種地震波作用下，斷層上盤(pán)樁的永久位移明顯大于下盤(pán)的，具有顯著的“上盤(pán)效應(yīng)”。

3)樁頂水平位移峰值在不同類(lèi)型地震波作用下相差較大。以圖8(b)上盤(pán)45-4#樁為例，樁頂水平位移峰值在5002波作用下最大，在Kobe波作用下最小，二者相差0.42 m。

3.3 樁身彎矩響應(yīng)

在4種類(lèi)型地震波作用下，樁身彎矩峰值Mpeak變化規(guī)律如圖10，樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max變化規(guī)律如圖11。根據(jù)海文大橋44#、45#墩樁基配筋情況，通過(guò)通JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到樁身抗彎承載力為M=27.15 MN·m。

圖10 樁身彎矩峰值變化規(guī)律

圖11 樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max

從圖10、圖11可以看出：

1)沿樁長(zhǎng)方向，上、下盤(pán)樁的樁身彎矩峰值Mpeak變化規(guī)律基本相同，均是先增大后減小，并且上、下盤(pán)樁的樁身彎矩均在土層分界面及基巖面處出現(xiàn)最大值。分析原因是：在巖土體交界面，巖土體的軟硬程度變化較大，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生較大彎矩。

2)在4種地震波作用下，上、下盤(pán)樁的樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max各不相同，但均未超過(guò)樁身截面抗彎承載力27.15 MN·m，因此，上、下盤(pán)樁基抗彎設(shè)計(jì)均滿足要求。由于在Kobe波作用下，樁身彎矩峰值響應(yīng)最大，因此筆者建議：在橋梁樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮Kobe波對(duì)樁基的影響，以確保樁基礎(chǔ)具有足夠的抗震能力。

4 樁基避讓距離對(duì)樁基礎(chǔ)力學(xué)變形特性影響

筆者以受地震影響較明顯的斷層上盤(pán)45-2#樁為研究對(duì)象，來(lái)分析5010地震波對(duì)樁基礎(chǔ)力學(xué)變形特性的影響。

4.1 樁基水平位移響應(yīng)

以45-2#樁為例，不同樁基避讓距離H的樁身水平位移峰值Speak及樁頂水平位移峰值Speak,top變化規(guī)律如圖12。

圖12 45-2# 樁的水平位移峰值變化規(guī)律

由圖12可見(jiàn)：

1)45-2#樁的樁身水平位移峰值Speak沿樁長(zhǎng)方向逐漸減小。在上部軟弱覆蓋層內(nèi)，Speak變化明顯；嵌入基巖內(nèi)之后，Speak接近于0；在樁頂處，Speak達(dá)到峰值最大值。

2)隨著H的增大，樁頂水平位移峰值Speak,top以曲線形式減小。當(dāng)H=0～20 m時(shí)，Speak,top減小幅度較大；當(dāng)H>20 m時(shí)，Speak,top趨于穩(wěn)定。

4.2 樁身彎矩響應(yīng)

不同樁基避讓距離H，45-2#樁的樁身彎矩峰值Mpeak及樁身彎矩峰值最大值Mpeak, max變化規(guī)律如圖13。

圖13 45-2#樁的樁身彎矩峰值及樁身彎矩峰值最大值變化規(guī)律

由圖13(a)可見(jiàn)，45-2#樁的樁身彎矩峰值Mpeak沿樁長(zhǎng)l方向整體呈“3”字形，Mpeak在上部軟硬覆蓋層交界處和基巖面處較大；隨著樁基避讓距離H的增大，樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max呈反比例減??；當(dāng)H> 20 m時(shí)，Mpeak,max< 27.15 MN·m，并逐漸趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)覆蓋層土體對(duì)樁身地震動(dòng)峰值加速度具有放大作用，并且覆蓋層對(duì)地震波的“濾波”作用較為明顯。樁頂峰值加速度響應(yīng)滯后于樁底的。

2)由于斷層兩側(cè)樁周土體以及嵌巖深度的差異，上盤(pán)樁基樁身峰值加速度、永久位移、樁身彎矩峰值均大于下盤(pán)的，具有顯著的“上盤(pán)效應(yīng)”。建議：在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下橋梁樁基的承載力時(shí)，應(yīng)考慮斷層上、下盤(pán)的樁基承載特性的差異。

3)斷層處，上、下盤(pán)樁的彎矩峰值均在上部土層界面處達(dá)到最大值。建議：在橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮軟硬巖土體交界面的抗彎能力設(shè)計(jì)，確保樁基具有足夠的抗震能力。

4)El-Centro波作用時(shí)，樁頂峰值加速度及加速度放大系數(shù)較大；5002波作用時(shí)，樁頂水平位移峰值較大；Kobe波作用時(shí)，樁身彎矩峰值較大。建議：在橋梁樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮不同地震波對(duì)樁基的影響。

5)推薦強(qiáng)震區(qū)跨斷層橋梁樁基的安全避讓距離為20 m(10D)。