高烈度區(qū)橋梁樁基動(dòng)力響應(yīng)與抗震提升技術(shù)分析

史明霞、錢鑫、李沛、張彪

（1.宿遷市交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著新基建等國(guó)家戰(zhàn)略的提出，以及后疫情時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，我國(guó)進(jìn)入了工程建設(shè)的黃金時(shí)代，已經(jīng)建造或即將建造一大批超大型結(jié)構(gòu)物。因樁基具備良好的承載能力，且能帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益，這類新建超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)普遍采用樁基或樁筏基礎(chǔ)。但這類大型結(jié)構(gòu)物尚未真正經(jīng)受過(guò)強(qiáng)烈地震作用的考驗(yàn)，缺乏強(qiáng)震響應(yīng)破壞的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，因此開(kāi)展系統(tǒng)的土體—結(jié)構(gòu)物動(dòng)力相互作用的理論及應(yīng)用研究尤為重要和緊迫，對(duì)液化地區(qū)橋梁工程的建設(shè)更是具有重要的指導(dǎo)意義。

我國(guó)地震多發(fā)且分布廣、強(qiáng)度大，建橋區(qū)大多為液化場(chǎng)地，特別是現(xiàn)有的干線交通和京滬高鐵，以及長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海三大城市群和沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)。當(dāng)前，我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)發(fā)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(cè)向擴(kuò)展是樁基受損的最主要原因之一。對(duì)此，大量學(xué)者對(duì)地震液化引發(fā)側(cè)向擴(kuò)展場(chǎng)地條件下的樁基地震響應(yīng)進(jìn)行了研究。

關(guān)于橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了一套較為成熟的設(shè)計(jì)方法，但是對(duì)橋梁樁基的抗震設(shè)計(jì)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(dòng)增強(qiáng)樁基抗震性能的設(shè)計(jì)方法會(huì)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(dǎo)致的地基強(qiáng)度失效問(wèn)題。而地基強(qiáng)度失效會(huì)導(dǎo)致橋梁樁基產(chǎn)生較大的水平位移，進(jìn)而使橋梁墩柱產(chǎn)生偏移、橋梁產(chǎn)生較大滑移等問(wèn)題。

基于上述問(wèn)題，總結(jié)相關(guān)研究，分析在地震液化導(dǎo)致的側(cè)向擴(kuò)展場(chǎng)地下，橋梁樁基產(chǎn)生大變形的機(jī)理及樁基受到破壞的原因，并系統(tǒng)分析橋梁樁基的抗震性能提升關(guān)鍵技術(shù)。

1 地震引起橋梁樁基破壞案例總結(jié)

國(guó)內(nèi)外巖土工程界始終高度關(guān)注地震液化引發(fā)的樁基震害問(wèn)題。這方面的典型案例有1964 年日本新潟地震、1975 年中國(guó)海城地震、1976 年中國(guó)唐山大地震、1995 年日本阪神地震、2008 年中國(guó)汶川地震（見(jiàn)圖1）、2010 年中國(guó)青海玉樹(shù)地震（見(jiàn)圖2）、2021 年中國(guó)青?，敹嗟卣稹?/p>

圖1 汶川地震引發(fā)橋梁樁基受損

圖2 玉樹(shù)地震引發(fā)橋梁樁基受損

總結(jié)上述大地震中低承臺(tái)樁基震害，得出：第一，樁與承臺(tái)連接處的破壞。樁頂承受的壓、拔、彎、剪應(yīng)力集中，致使樁頂混凝土出現(xiàn)壓碎、剪切斜裂縫、鋼筋屈服等現(xiàn)象。第二，土層剛度突變的軟硬分界處樁身易發(fā)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(wěn)滑動(dòng)或飽和砂土、粉土發(fā)生液化側(cè)擴(kuò)、流滑等大變形，在削弱樁基豎向承載力的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的水平推力，導(dǎo)致樁身發(fā)生嚴(yán)重的整體破壞。第四，軟土震陷、砂土液化導(dǎo)致樁基承載力降低或喪失。第五，土體液化后樁的有效長(zhǎng)度減小，在上部結(jié)構(gòu)軸向荷載的作用下，樁發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

根據(jù)上述地震引起的橋梁災(zāi)害實(shí)例可以看出，這些震害問(wèn)題通常并非是橋梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足引起的，而是地震導(dǎo)致軟弱地層中橋梁樁基周圍土體的水平剛度降低，進(jìn)而導(dǎo)致樁基水平承載力不足，使橋梁樁基產(chǎn)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(dòng)力響應(yīng)

2.1 試驗(yàn)研究

“可液化地基—樁—結(jié)構(gòu)”抗震性能的大型振動(dòng)臺(tái)及離心模型試驗(yàn)結(jié)果表明，樁基的動(dòng)力響應(yīng)是由上部結(jié)構(gòu)的慣性力和樁土運(yùn)動(dòng)的相互作用共同引起的。其中，易引起地震放大效應(yīng)的可液化場(chǎng)地中的樁土運(yùn)動(dòng)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(duì)樁—土動(dòng)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(duì)樁身彎矩影響不顯著，但由于樁周土體對(duì)柔性樁的水平支撐作用明顯，使得土體非線性對(duì)樁身彎矩影響顯著。動(dòng)力荷載作用下的樁身響應(yīng)深度較水平靜力情況下顯著加深；在水平動(dòng)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(fā)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(fā)生液化，進(jìn)而降低樁基承載力。隨著樁長(zhǎng)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(duì)樁身彎矩的影響顯著。

楊敏和楊軍基于離心模型試驗(yàn)，對(duì)比了飽和可液化地基中大間距樁筏基礎(chǔ)樁頭剛接與樁頭自由在抗震性能方面的差異。結(jié)果表明，樁頭剛接時(shí)上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移與基礎(chǔ)傾斜值均較樁頭自由時(shí)減少一半以上（見(jiàn)圖3），但上部結(jié)構(gòu)加速度放大作用更加明顯[1]。

圖3 基礎(chǔ)傾斜時(shí)程曲線（試驗(yàn)1 為剛接，試驗(yàn)2 為自由）

2.2 理論分析

采用整體數(shù)值分析法和時(shí)域逐步積分法（可考慮土體非線性）。通過(guò)可液化—樁—結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析，得出：柔性樁或結(jié)構(gòu)體系固有頻率大于或等于場(chǎng)地固有頻率時(shí)，樁身應(yīng)力主要由慣性相互作用引起，剛性樁或結(jié)構(gòu)固有頻率小于場(chǎng)地固有頻率時(shí)，樁土運(yùn)動(dòng)相互作用對(duì)樁的動(dòng)力響應(yīng)影響顯著，在這種情況下，樁基抗震設(shè)計(jì)不可忽略樁土運(yùn)動(dòng)相互作用的影響。地震作用下土體的非線性表現(xiàn)非常顯著，樁—土之間甚至出現(xiàn)滑移和脫離等現(xiàn)象。土體的非線性會(huì)增大低頻振動(dòng)下樁頭和上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，但對(duì)高頻振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)影響較小。群樁效應(yīng)能夠降低動(dòng)力激勵(lì)作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值，即可減弱土體的動(dòng)力非線性影響；當(dāng)樁間距大于4 倍樁徑時(shí)，可忽略群樁效應(yīng)對(duì)樁身彎矩的影響。樁頭固定時(shí)樁土運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)導(dǎo)致樁頭與樁身軟硬土層交界面處產(chǎn)生較大的彎矩，上部結(jié)構(gòu)的慣性力對(duì)樁頭處彎矩的影響更為顯著；樁頭與承臺(tái)間采用鉸接連接方式，可降低樁身彎矩；擴(kuò)底對(duì)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(dòng)水平荷載下樁基的側(cè)向位移，工程設(shè)計(jì)中通常采用增加樁的數(shù)量或采用更大直徑樁基的方法[2]。也有學(xué)者提出采用變截面樁、纖維增強(qiáng)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]?？拙V強(qiáng)等通過(guò)開(kāi)展模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(guò)開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(yōu)變徑段長(zhǎng)度占整個(gè)樁長(zhǎng)的40%～50%[5]。離心模型試驗(yàn)結(jié)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(kāi)口或閉口對(duì)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(huán)荷載作用下，由于樁與土之間會(huì)出現(xiàn)間隙，纖維加固螺旋樁依然會(huì)存在明顯的循環(huán)衰減效應(yīng)。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)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(shè)置翼板也可提高水平受荷樁性能。李煒等通過(guò)開(kāi)展離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)置翼板可充分發(fā)揮樁側(cè)淺層土體水平抗力，提高樁的水平承載性能，且提高幅值會(huì)隨翼板長(zhǎng)度和寬度的增加而增大[6]。

3.2 提高樁周土體強(qiáng)度

在水平靜動(dòng)力荷載下，樁的承載與變形特性還受樁周土體性質(zhì)的影響，因此可采用地基處理方法改良樁側(cè)土性質(zhì)，提高樁側(cè)土的抗力、改善樁土的相互作用，進(jìn)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(shí)法、化學(xué)加固法等。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，橋臺(tái)樁前局部碎石換填可提高水平靜力和循環(huán)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用樁側(cè)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(shè)攪拌樁或旋噴樁可提高樁側(cè)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(yīng)力發(fā)生在加固土深度范圍內(nèi)樁體中，在單向循環(huán)和雙向循環(huán)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(cè)土改良可提高樁—土體系剛度，減小樁—土體系加速度和側(cè)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(tái)或筏板之間的彎矩和剪力，可在樁基礎(chǔ)與筏板之間設(shè)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(tǒng)的連接式樁筏基礎(chǔ)相比，這種樁頭連接形式可在保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮樁間土的承載效應(yīng)，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(dòng)臺(tái)開(kāi)展了連接式和非連接式復(fù)合樁樁筏基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)研究[8]。試驗(yàn)結(jié)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(shuō)明采用DPR 基礎(chǔ)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(yīng)均低于CPR 工況，表明用墊層隔開(kāi)樁頭與筏板，可減弱群樁—結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)樁周土體運(yùn)動(dòng)的影響；與CPR 基礎(chǔ)相比，采用DPR 基礎(chǔ)可使樁基界面動(dòng)彎矩峰值減少近50%，如圖4 所示。綜上可知，采用DPR基礎(chǔ)不僅能有效降低樁基彎矩響應(yīng)，還可防止樁筏連接處出現(xiàn)彎剪破壞。

圖4 樁基界面動(dòng)彎矩峰值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

為有效提升橋梁樁基抗震性能，對(duì)高烈度區(qū)橋梁樁基地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)典型的地震引起橋梁樁基受損的案例，并根據(jù)現(xiàn)有研究成果，總結(jié)出可液化地層中樁基的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，并提出一些樁基抗震性能提升方法。但關(guān)于樁頭連接形式對(duì)樁基抗震性能的影響機(jī)理，以及樁頭連接形式和參數(shù)的確定，還有待進(jìn)一步研究。相關(guān)方面需要做出更加明確的規(guī)范，以更好地為工程服務(wù)，提高橋梁樁基抗震性能的同時(shí)，降低工程成本。