橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理.doc

第 4 卷 第 2 期震災(zāi)防御技術(shù)Vol. 4, No. 22009 年 6 月Technology for Earthquake Disaster PreventionJune., 2009王青橋，韋曉，王君杰，2009. 橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理. 震災(zāi)防御技術(shù)，4（2）：167173.橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理1王青橋 1)韋曉 2)王君杰 1)1）同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海2000922）上海市地震局，上海200062摘要 20 世紀(jì) 60 年代以來，國內(nèi)外發(fā)生了多次強(qiáng)震，如日本神戶地震、日本新瀉地震、臺灣集集地震、美國洛馬普列塔地震等。在這些地震中大量的橋梁樁基遭到破壞，破壞形式復(fù)雜多樣，如土體液化引起的樁基下沉、樁帽與承臺的連接失效、樁基隨土體側(cè)移引起落梁等。本文總結(jié)概括了這些震害特點(diǎn)，詳細(xì)討論了非液化場地和液化場地上橋梁樁基的破壞模式，分析總結(jié)了橋梁樁基破壞機(jī)制。最后，結(jié)合橋梁工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對橋梁工程選址以及樁基抗震構(gòu)造措施等方面簡要提出了建設(shè)性建議。關(guān)鍵詞：震害橋梁樁基液化破壞機(jī)理側(cè)擴(kuò)引言樁基礎(chǔ)是一種歷史較長且應(yīng)用廣泛的深基礎(chǔ)型式，與其它型式的基礎(chǔ)相比，能較好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件以及各種荷載情況，同時具有承載能力大、穩(wěn)定性好、差異沉降小等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中。近 30 多年的震害經(jīng)驗表明，采用樁基的結(jié)構(gòu)一般比無樁基的結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。但是，與上部結(jié)構(gòu)震害相比，樁基震害的報道較少。究其原因，可能是由于樁基埋置于地下，震害不易發(fā)現(xiàn)，同時震后開挖檢查資料很少，對樁基震害的了解認(rèn)識往往只能從上部結(jié)構(gòu)狀態(tài)間接地反映與推測。由于土壤的非線性，理論上要準(zhǔn)確模擬樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用仍然存在較大困難。所以樁基抗震一直是工程抗震設(shè)計中的難點(diǎn)之一。理論分析、震害實(shí)踐和模型試驗是指導(dǎo)工程抗震設(shè)計的主要途徑。天然地震是一個最大的試驗場，總結(jié)震害經(jīng)驗不僅可以豐富對橋梁和樁基地震反應(yīng)特點(diǎn)的認(rèn)識，而且還可以有效指導(dǎo)今后的樁基橋梁抗震設(shè)計。本文結(jié)合上世紀(jì) 60 年代以來國內(nèi)外主要強(qiáng)震中的樁基橋梁震害，總結(jié)分析樁基橋梁震害機(jī)理，以便更好地指導(dǎo)今后的橋梁樁基抗震設(shè)計。1樁基橋梁震害形式造成橋梁樁基震害的原因可能與諸多因素有關(guān)，如地震動水平、土體特性、樁-土相互1 基金項目 地震行業(yè)專項項目（200808021）、高烈度區(qū)大跨橋梁地震破壞預(yù)測與控制資助收稿日期 2009-02-12作者簡介 王青橋，男，生于 1984 年。碩士研究生。主要從事橋梁抗震研究。Email: 168震災(zāi)防御技術(shù)4 卷作用影響、設(shè)計樁基尺度大小等。從近 30 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(jī)制復(fù)雜，其中土體位移和砂土液化是樁基震害的一個重要因素，另外，軟土場地地震動放大效應(yīng)以及樁基過大的變形是導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)和樁基破壞的另一個重要因素。由于樁基深埋于地下，很多時候樁基的破壞不易被發(fā)現(xiàn)，一般通過震后開挖或者對橋墩結(jié)構(gòu)的破壞形式來推測樁基的震害。通過近幾十年來幾次地震中樁基震害的調(diào)查和研究，一般可以將樁基橋梁震害分類簡要地描述為下述形式（韋曉，1999；Lee Benuska，1990；Bardet 等，1997）：（1）土體液化引起樁體下沉，從而導(dǎo)致橋面及梁體毀壞。如 1995 年日本神戶地震和 1976 年中國唐山地震等都有這種震害，如圖 1 所示。（2）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。如 1964 年日本新瀉地震和 1976 年中國唐山地震均有這種震害，如圖 2 所示。（3）由于樁帽與承臺連接構(gòu)造措施設(shè)計不足，上部結(jié)構(gòu)慣性力以及土體運(yùn)動在樁帽位置發(fā)生剪切和彎曲破壞，承臺與樁帽脫離。如 1995 年日本神戶地震和 1989 年美國洛馬普列塔地震中一些樁基破壞屬這種類型，如圖 3 和圖 4 所示。（4）樁基橋墩隨土體位移引起上部結(jié)構(gòu)落梁，這種震害形式最為常見，一般受斷層影響較大。如日本神戶地震和臺灣集集地震中就有多座橋梁發(fā)生這種形式的破壞，如圖 5 和圖 6 所示。（5）由于岸坡土體向河心滑移，導(dǎo)致橋臺扭轉(zhuǎn)變形是引起橋臺斜樁破壞的重要原因。如中國唐山地震中薊運(yùn)河上的一些橋梁震害就是這種形式，如圖 7 所示。（6）樁基未深入穩(wěn)定土層或設(shè)計長度不足，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時樁體下沉或發(fā)生側(cè)向彎曲變形，導(dǎo)致橋墩變位，引起上部結(jié)構(gòu)落梁或發(fā)生樁墩穿透橋面板。如 1989 年美國洛馬普列塔地震中Struve Slough 橋的破壞，如圖 8 所示。2非液化地基上的樁基震害橋梁樁基震害按土體是否液化可分為非液化地基上的樁基震害和液化地基上的樁基震害。非液化地基上的樁基震害一般比液化地基上的樁基震害少，其中樁基破壞模式主要可歸納為如下幾點(diǎn)（楊克己等，2004）：（1）上部結(jié)構(gòu)慣性力引起的破壞。震害部位主要體現(xiàn)在樁頭和承臺連接處及承臺下的樁身上部，具體表現(xiàn)為壓、拉、壓剪等形式的破壞方式；（2）樁身在軟土與硬土的分界面因彎矩、剪力變化過大導(dǎo)致的破壞。目前通常采用計算樁身內(nèi)力的 m 法或常數(shù)法尚不能很好地反映軟土與硬土界面處的受力情況；（3）地震中軟土因“觸變”而摩擦力下降，導(dǎo)致樁的豎向承載力不足而下沉引起震害；（4）樁基附近的擋土墻、土坡或地面荷載，在地震作用下造成附近土體失穩(wěn)，導(dǎo)致樁身受到側(cè)向擠壓，彎矩增大而引起的破壞。3液化地基上的樁基震害液化地基上的樁基震害可以分為液化但無側(cè)向擴(kuò)展地基上的震害和液化側(cè)向擴(kuò)展地基上的震害兩種方式。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，由液化引起的地面?zhèn)认虼笞冃问菍?dǎo)致橋梁和橋梁樁基震2 期王青橋等：橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理169害的主要原因之一。從某種程度上說，這也是液化區(qū)域樁基橋梁震害的最主要形式。圖 1日本神戶地震，樁體下沉圖 2日本新瀉地震八千代橋預(yù)制鋼筋混凝土樁開裂Fig.1Pile settlement, Kobe earthquakeFig.2Precast concrete piles cracking, Niigata earthquake圖 3日本神戶地震中神戶 Higashi 輪渡圖 4日本神戶地震中樁頂剪切破壞斜橋樁基與承臺連接失效Fig.4Shear failure in pile headFig.3Detachment failure betweenpile head and pile cap圖 5日本神戶地震中西宮橋引橋落梁破壞圖 6臺灣集集地震中 Shih-Wui Bridge 落梁破壞Fig.5 Girder falling for NishinomiyaFig.6 Girder falling for Shih-Wuibridg, Kobe earthquakebridge, Chi-Chi earthquake圖 7中國唐山地震中薊運(yùn)河上的鐵路橋由圖 8美國洛馬普列塔地震中 Struve Slough于岸坡土體滑移導(dǎo)致橋臺扭轉(zhuǎn)變形橋的橋墩穿透橋面Fig.7 Failure induced by movement ofFig.8 Piers penetrate bridge deck,bank soil, Tangshan earthquakeLoma prieta earthquake170震災(zāi)防御技術(shù)4 卷3.1液化但無側(cè)向擴(kuò)展地基上的樁基震害液化但無側(cè)向擴(kuò)展地基上的樁基震害主要表現(xiàn)為橋梁基礎(chǔ)周圍常有噴砂冒水、液化土下沉，由于橋梁結(jié)構(gòu)本身無水平位移，導(dǎo)致樁基承臺與土脫空。此種樁基震害一般存在兩種情況：一是如果橋梁荷載在平面分布上不均勻或存在液化土層厚度不均勻等情況，則可能導(dǎo)致土體產(chǎn)生相當(dāng)大的不均勻沉陷；二是如果荷載分布是均勻的，同時液化土層厚度也較均勻，則橋梁一般不會有大的不均勻沉降，只是樁身可能會在液化土界面、樁頂?shù)炔课话l(fā)生破壞（楊克己等，2004）。3.2液化側(cè)向擴(kuò)展地基上的樁基震害對橋梁基礎(chǔ)而言，液化側(cè)向擴(kuò)展是一種常見的樁基震害現(xiàn)象，導(dǎo)致這種震害的原因是橋梁基礎(chǔ)一般都建在河流或海邊的沖擊帶上，而這些地段常常分布著自然形成的、帶有 05 緩坡的可液化砂或粉土層，這是側(cè)向擴(kuò)展極可能發(fā)育的地段。地震時土壤液化層發(fā)生液化，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，液化土體連帶上部非液化覆蓋層沿著液化層面向水邊方向滑動，滑動距離可達(dá)數(shù)米，滑體寬度甚至可達(dá)數(shù)百米，從而使得滑動帶上的橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生破壞。如海城地震和唐山地震中許多樁基公路橋的震害都屬于這種。1995 年日本阪神大地震中，由于神戶市沿海和 2 個人工島存在嚴(yán)重的液化側(cè)向擴(kuò)展帶，導(dǎo)致許多樁基建筑和碼頭棧橋遭受嚴(yán)重震害。本文結(jié)合劉惠珊（1999）對樁基震害的調(diào)查，將液化側(cè)向擴(kuò)展地基上的樁基震害表現(xiàn)形式歸納為以下 3 種力學(xué)破壞模式，如圖 9 所示：圖 9液化側(cè)向擴(kuò)展地基上的樁基震害模式Fig.9Earthquake damage of piles under lateral spreading soil condition2 期王青橋等：橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理171（1）樁身在液化層底和液化層中部的剪切或彎曲破壞，系由流動土體對樁產(chǎn)生側(cè)向壓力所致，如圖 9a 所示；（2）樁頂嵌固的破壞。地震時最大彎矩一般發(fā)生在樁頂或土層劇烈變化處，以樁頂位置為巨。如果樁頂與承臺等連接措施不夠，容易發(fā)生嵌固失效，如圖 9b 所示；（3）上部結(jié)構(gòu)因樁身折斷而產(chǎn)生不同程度的不均勻沉降。對于高墩橋梁，因重心處水平位移大，將產(chǎn)生較大的附加彎矩，致使岸上一側(cè)的邊樁受到拉應(yīng)力而產(chǎn)生相對較輕的震害，同時也可能只是在邊樁上形成一個塑性鉸，如圖 9c 所示。4橋梁樁基震害機(jī)理4.1 地震時樁的受力樁在地震荷載作用下的受力可劃分為兩類：一類是樁在土體-樁-結(jié)構(gòu)相互作用下所承受的應(yīng)力，稱之為附加動應(yīng)力；另一類是大量土體發(fā)生側(cè)向位移，樁在土體側(cè)向推動下發(fā)生變形，所承受的應(yīng)力稱之為附加靜應(yīng)力。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附加動應(yīng)力；當(dāng)樁設(shè)置在地震時發(fā)生側(cè)向位移的土體中時，樁不但承受振動引起的附加動應(yīng)力而且承受土體側(cè)向位移引起的附加靜應(yīng)力。在許多情況下，后者對樁的影響比前者更為顯著。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(yùn)動要與周圍土體相協(xié)調(diào)，此時樁身發(fā)生變形引起附加動應(yīng)力；另外，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)隨地震運(yùn)動的慣性力而通過樁帽傳導(dǎo)到樁身時，也產(chǎn)生附加動應(yīng)力。因此，在地震時，應(yīng)將土體-樁-結(jié)構(gòu)作為一個整體，樁基礎(chǔ)所承受的附加動應(yīng)力是上述兩部分力的綜合影響結(jié)果。4.2樁的破壞機(jī)制樁的破壞機(jī)制與地震時樁的受力情況有關(guān)，結(jié)合樁基橋梁震害情況，橋梁樁基礎(chǔ)破壞機(jī)制可分為以下 3 種（劉宏偉，2002）。（1）振動引起的附加動應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞這種機(jī)制的破壞方式一般發(fā)生在地震動水平較高、樁基施工質(zhì)量較差、地基土層軟弱的情況下。地震時周圍土體對樁的反力較小，而樁的變形較大，導(dǎo)致樁體產(chǎn)生較大的附加動應(yīng)力。（2）土體側(cè)向位移引起的附加靜應(yīng)力作用下發(fā)生的破環(huán)這種機(jī)制的破壞多發(fā)生在岸邊場地。由于岸邊場地提供了發(fā)生這種機(jī)制破壞的 2 個條件：一是岸邊場地的土層一般都很軟弱，地震時會產(chǎn)生較大的永久變形；二是由于岸邊場地地面都有一定的斜坡，土體中土單元水平面上作用有與斜坡方向一致的靜剪應(yīng)力，使土體在地震時產(chǎn)