鄭新亮 謝毅 高爽

【摘要】在橋梁工程發(fā)展過(guò)程中，必須從橋梁設(shè)計(jì)等方面減輕地震對(duì)橋梁的影響，最大限度地保證交通運(yùn)行的暢通，這對(duì)社會(huì)生產(chǎn)、生活秩序十分重要。本文對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能分析及工程設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的探討，以為橋梁設(shè)計(jì)工作提供理論支撐。

【關(guān)鍵詞】橋梁;樁基礎(chǔ);抗震性能;工程設(shè)計(jì)

在我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施中，橋梁是重要的組成部分，橋梁樁基作為橋梁穩(wěn)定性的重要保障，其作用和地位是不可忽視的。為防止橋梁投入使用后出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降問(wèn)題，必須保障橋梁樁基的抗震性能，才能將橋梁表面的巨大載荷傳遞到深層的、穩(wěn)定的土層結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而保障橋梁的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，我國(guó)多將橋梁樁基礎(chǔ)抗震技術(shù)應(yīng)用在地震多發(fā)區(qū)或濕陷性黃土、軟土、膨脹土等區(qū)域，應(yīng)用范圍最廣的領(lǐng)域當(dāng)屬橋梁工程領(lǐng)域。大量的實(shí)踐也表明，橋梁樁基礎(chǔ)抗震作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，具有較高的穩(wěn)定性和較好的安全性，通過(guò)對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，可以有效保障橋梁整體的穩(wěn)定性。

1.橋梁樁基礎(chǔ)概述

樁是指埋入土中的柱形桿件，樁基礎(chǔ)是由基樁和連接于樁頂?shù)某信_(tái)共同組成。橋梁樁基礎(chǔ)是指橋梁下部結(jié)構(gòu)與地基接觸的部分，其作用就是承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，并將它們與下部結(jié)構(gòu)荷載一起傳遞給地基，以避免橋梁出現(xiàn)過(guò)大的水平變位或不均勻沉降。

在對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行分類時(shí)，可將橋梁基礎(chǔ)分為兩類：一是淺基礎(chǔ)，二是深基礎(chǔ)。兩者之間的區(qū)別在于埋入土中的深度不同，埋土深入小于等于5m的稱之為淺基礎(chǔ)，這種橋梁樁基礎(chǔ)施工較為簡(jiǎn)單;埋土深度大于5m的稱之為深基礎(chǔ)，這種橋梁樁基礎(chǔ)施工較為復(fù)雜。橋梁樁基礎(chǔ)比較適用于土質(zhì)深厚的區(qū)域，屬于深基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)較輕，機(jī)械化程度高，施工快，是當(dāng)下最經(jīng)濟(jì)的橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[1]。很多情況下，橋梁的樁基礎(chǔ)都需要放置于水中，因此要求樁基礎(chǔ)的建筑材料具有較高的耐腐蝕性，目前常用的材料主要有木材、鋼筋混凝土和鋼材。

2.橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能分析

2.1我國(guó)橋梁樁基礎(chǔ)抗震效果現(xiàn)狀分析

當(dāng)下，在調(diào)查我國(guó)地震烈度和樁基震害防范時(shí)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大部分橋梁的樁基礎(chǔ)性能較好，基本上都具備承受劇烈震動(dòng)的能力。事實(shí)上，橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能好壞取決于地基土體，以支撐橋身的地基土體為主。若土體堅(jiān)固，則樁基礎(chǔ)抗震效果好;若土體受到沙化或液化等破壞，則樁基礎(chǔ)抗震效果也會(huì)相對(duì)降低。對(duì)于橋梁來(lái)講，樁基礎(chǔ)作為橋身唯一的支撐體系，如果樁基礎(chǔ)受到影響，那么勢(shì)必對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響，甚至是嚴(yán)重的破壞。

通常情況下，土體對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響主要體現(xiàn)在以下幾種情況，分別是沉降、傾斜、滑動(dòng)、斷裂等。當(dāng)土層受到液化影響而發(fā)生震害時(shí)，需要及時(shí)采用以下應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行處理，主要有加長(zhǎng)橋梁樁基礎(chǔ)和加固橋梁樁基礎(chǔ)兩種方法，這樣才能使橋梁樁基礎(chǔ)透過(guò)液化土層，進(jìn)入到深并且穩(wěn)的土層，從而提高橋梁樁基礎(chǔ)的穩(wěn)固性和安全性。其次，根據(jù)我國(guó)橋梁建筑結(jié)構(gòu)來(lái)看，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，民用建筑的樁基礎(chǔ)比工業(yè)建筑的抗震性能更強(qiáng)，這是因?yàn)槊裼媒ㄖ且驭羑≤2. 5 的低樁承臺(tái)為基礎(chǔ)，同時(shí)還要將其周圍的填土打?qū)?，這一系列操作的根本目的是使樁基礎(chǔ)和上部體系成為一體，使樁基礎(chǔ)的整體負(fù)載力度得到提升，進(jìn)而增強(qiáng)民用建筑的抗震能力[2]。目前，我國(guó)的橋梁建筑工程使用的樁基往往是αh>2. 5 的高樁承臺(tái)。兩者相比，高樁承臺(tái)的剛度要比低樁承臺(tái)的弱些，因此易發(fā)生土體塌落、地基斷裂的問(wèn)題。

2.2橋梁震害的幾種特定情況

目前，針對(duì)我國(guó)當(dāng)下的橋梁樁基礎(chǔ)震害情況，總結(jié)出以下幾種橋梁震害的特定情況：

（1）砂層液化導(dǎo)致地基喪失承載能力，引發(fā)橋臺(tái)或橋墩下沉、移動(dòng)、變形或偏轉(zhuǎn)等。由于橋梁樁基礎(chǔ)在經(jīng)歷長(zhǎng)期使用之后，周圍支撐橋梁主體的砂層受到各種因素的侵蝕和影響，出現(xiàn)不同程度的液化，進(jìn)而逐步降低橋梁支撐地基的承載能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致橋梁支撐地基喪失承載能力，產(chǎn)生沉降、滑動(dòng)變形等。此外，橋臺(tái)橋身在使用之后也會(huì)發(fā)生滑動(dòng)變形，其結(jié)果是橋梁上部結(jié)構(gòu)會(huì)擠壓河心，使橋梁構(gòu)件出現(xiàn)破損與墜落等問(wèn)題。

（2）建筑在巖石上的混凝土或磚砌橋墩發(fā)生傾斜?，F(xiàn)階段，我國(guó)的橋梁樁基中存在用巖石上建混凝土、磚砌橋墩作為支撐地基的情況，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，由于混凝土、磚砌橋墩處于自然裸露狀態(tài)，受到自然因素的影響會(huì)被風(fēng)化形成粉塵，極易引發(fā)掉落等問(wèn)題。

（3）橋梁上部體系與橋臺(tái)、橋墩錯(cuò)位。對(duì)于橋梁來(lái)講，一旦發(fā)生上部體系與橋臺(tái)、橋墩存在錯(cuò)位，就會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)橋墩承載力度降低，錨栓斷裂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使橋身支撐處出現(xiàn)斷裂。

（4）拱橋底基為砂層，極易導(dǎo)致拱基出現(xiàn)不均勻沉陷，因拱橋橋身的特殊性，會(huì)使砂層為底基不堅(jiān)固，使橋面出現(xiàn)起伏、拱圈拉裂。

2.3橋梁樁基礎(chǔ)的垂直承載力和水平地震力的計(jì)算

（1）橋梁樁基礎(chǔ)的垂直承載力計(jì)算。長(zhǎng)期以來(lái)，計(jì)算地震時(shí)樁的承載力都是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地下土層的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致地基強(qiáng)度指標(biāo)降低，地基變形增加。而地震災(zāi)害對(duì)地基的影響程度主要取決于土層性質(zhì)和地震級(jí)別，以及地震時(shí)間長(zhǎng)短等。從橋梁樁基礎(chǔ)垂直承載力計(jì)算的來(lái)看，地震災(zāi)害對(duì)打入巖層或硬層的支撐樁的影響較小，對(duì)于摩擦為主的樁影響較大。由于地震載荷屬于特殊載荷，參照我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，摩擦樁鉆/挖孔灌注樁單樁軸向受壓容許承載力[P]=1/2（ULTp+AδR）可以看出，在進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，樁的承載力的安全系數(shù)采用2。雖然地震時(shí)各個(gè)影響因素會(huì)使承載力降低，但從多年的實(shí)際情況來(lái)看，樁的承載力的安全系數(shù)采用2，也幾乎沒(méi)有使垂直承載力方面出現(xiàn)問(wèn)題。

（2）橋梁樁基礎(chǔ)的水平地震力計(jì)算。在地震發(fā)生時(shí)，地震力屬于隨機(jī)載荷，這就增加了樁動(dòng)力反應(yīng)確定的復(fù)雜程度。參照我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用M法的基本假定條件計(jì)算樁基內(nèi)力，現(xiàn)階段多采用近似的方法計(jì)算樁的水平地震力。準(zhǔn)靜力法是當(dāng)下常用的計(jì)算方法，它是把動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用靜力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。雖然這種方法應(yīng)用比較廣泛，但存在一個(gè)弊端，就是忽視了慣性力和地基運(yùn)動(dòng)對(duì)樁的影響。在準(zhǔn)靜力法中，樁基只受上部結(jié)構(gòu)水平慣力，因此計(jì)算時(shí)是將樁基上部結(jié)構(gòu)的水平慣力簡(jiǎn)化為水平力和彎矩，從而得出樁頂?shù)淖饔昧ΑＳ?jì)算步驟與上述一樣，由于這種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法十分簡(jiǎn)單便捷，因此橋梁工程被廣泛采用。

2.4液化地基中的樁基礎(chǔ)

倘若在液化地基中使用樁體穿透組織，并將其固定在穩(wěn)定土層中，可以明顯提高橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能。當(dāng)埋土深度小于等于 2.5/a時(shí)，根據(jù)假設(shè)的條件可認(rèn)為樁基礎(chǔ)的剛性大，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)樁基礎(chǔ)周圍的結(jié)構(gòu)十分密實(shí)，結(jié)構(gòu)組織上有層薄土層，這也可以起到一定的減震作用。當(dāng)埋土深度大于5/a時(shí)，根據(jù)假設(shè)條件計(jì)算彈性樁基礎(chǔ)，液化土層視為無(wú)效土層，在地震作用下，從有效樁基到樁頂，力臂越大，樁基被破壞得越嚴(yán)重。

3.橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用對(duì)策

在橋梁建筑中，除了要參照相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范外，還要根據(jù)工程特點(diǎn)、地理環(huán)境等采取橋梁抗震措施。就我國(guó)目前的橋梁樁基礎(chǔ)抗震情況來(lái)看，總結(jié)出以下幾點(diǎn)橋梁樁基礎(chǔ)抗震措施。

（1）針對(duì)小型的橋梁工程來(lái)講，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，樁基礎(chǔ)的抗震性能只要按照相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)，就可以確保橋梁樁基礎(chǔ)的抗震效果符合要求;針對(duì)大型、特大型或極其重要的橋梁工程來(lái)講，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)要先分析和研究動(dòng)力性能，然后借助動(dòng)力學(xué)科學(xué)分析和設(shè)計(jì)橋梁樁基的條件和橋體支撐荷載。

（2）在很多抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，相關(guān)準(zhǔn)則反復(fù)強(qiáng)調(diào)：提高橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能的主要目的是防止強(qiáng)震后橋梁坍塌。如此一來(lái)，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)橋梁建設(shè)工程的抗震性能，著重于易發(fā)生、易破損、震動(dòng)大的重要橋梁樁基礎(chǔ)的抗震性能。

（3）橋梁建筑中，橋梁事故發(fā)生的主要原因是地基失去平衡、穩(wěn)固性受到破壞。針對(duì)這一現(xiàn)狀，在橋梁建筑中選擇橋位時(shí)，要堅(jiān)持以下原則：最大限度地避開(kāi)地基的活動(dòng)斷層和周圍鄰近地段，避開(kāi)滑坡、古河道等危及橋梁安全區(qū)域。

（4）設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，基礎(chǔ)形式和橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案的選擇要與實(shí)際相符，這樣可以很大程度地減少震害，甚至實(shí)現(xiàn)從根源上減少震害。

（5）在橋梁建筑的實(shí)施過(guò)程中，防止震害發(fā)生的關(guān)鍵是要選取具有較好穩(wěn)固性能的地基。因此，在選擇地基時(shí)，必須優(yōu)先考慮底基的堅(jiān)固性、穩(wěn)定性。此外，為有效保障橋梁抗震性能，除了防止震害影響，還須從強(qiáng)震后橋梁修復(fù)角度出發(fā)，及時(shí)處理強(qiáng)震給橋梁帶來(lái)破壞，最快速度地降低強(qiáng)震對(duì)橋梁的影響。從這兩個(gè)角度出發(fā)，從防止到修復(fù)，提高橋梁樁基礎(chǔ)的抗震性能，力爭(zhēng)將橋梁震害事故降到最低。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)的發(fā)展，使我國(guó)交通事業(yè)步入蓬勃發(fā)展時(shí)期，但近幾年，很多橋梁受到地震災(zāi)害的破壞，嚴(yán)重地影響了交通運(yùn)輸?shù)臅惩?。這也使得我國(guó)的橋梁建設(shè)工程必須面對(duì)如何提高橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能這一問(wèn)題，正如我們所知道的，橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能研究是非常復(fù)雜的問(wèn)題，它需要持續(xù)進(jìn)行。在地震發(fā)生時(shí)，樁基土體物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這也在無(wú)形中增加了樁基礎(chǔ)性能計(jì)算的難度。即使這樣，我們也可以通過(guò)假定條件，使其最大限度地貼近實(shí)際工程，隨后對(duì)其進(jìn)行深入的研究，以促進(jìn)我國(guó)的橋梁建筑的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張永亮，馮鵬飛，陳興沖，寧貴霞，丁明波.基于靜-動(dòng)力分析相結(jié)合方法的橋梁樁基礎(chǔ)地震反應(yīng)分析及抗震性能評(píng)價(jià)[J].工程力學(xué)，2018，35（S1）：325-329+343.

[2]賈鵬，王蘭民，萬(wàn)征，秋仁東，劉金波.某橋梁樁基礎(chǔ)的抗震計(jì)算研究[J].地震工程學(xué)報(bào)，2018，40（02）：258-264.

（作者單位：北華大學(xué)土木與交通學(xué)院）

【中圖分類號(hào)】TU473

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）09-0076-02