橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理

橋梁樁基震害特點(diǎn)及其破壞機(jī)理第4卷第2期震災(zāi)防御技術(shù)Vol.4,No.22009年6月TechnologyforEarthquakeDisasterPreventionJune.,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）：167—173.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(tái)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(tái)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(shí)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(yàn)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(bào)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(shí)震后開挖檢查資料很少，對樁基震害的了解認(rèn)識(shí)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(jì)中的難點(diǎn)之一。理論分析、震害實(shí)踐和模型試驗(yàn)是指導(dǎo)工程抗震設(shè)計(jì)的主要途徑。天然地震是一個(gè)最大的試驗(yàn)場，總結(jié)震害經(jīng)驗(yàn)不僅可以豐富對橋梁和樁基地震反應(yīng)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，而且還可以有效指導(dǎo)今后的樁基橋梁抗震設(shè)計(jì)。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(jì)。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(dòng)水平、土體特性、樁-土相互1基金項(xiàng)目地震行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)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:weihsiao@163.com2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.1Pilesettlement,KobeearthquakeFig.2Precastconcretepilescracking,Niigataearthquake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(tái)連接失效 Fig.4 ShearfailureinpileheadFig.3 Detachmentfailurebetweenpileheadandpilecap圖5日本神戶地震中西宮橋引橋落梁破壞圖6臺(tái)灣集集地震中Shih-WuiBridge落梁破壞Fig.5GirderfallingforNishinomiyaFig.6GirderfallingforShih-Wuibridg,Kobeearthquakebridge,Chi-Chiearthquake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StruveSlough于岸坡土體滑移導(dǎo)致橋臺(tái)扭轉(zhuǎn)變形橋的橋墩穿透橋面Fig.7FailureinducedbymovementofFig.8Pierspenetratebridgedeck,banksoil,TangshanearthquakeLomaprietaearthquake170 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(tái)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(shí)液化土層厚度也較均勻，則橋梁一般不會(huì)有大的不均勻沉降，只是樁身可能會(huì)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0°—5°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(shí)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(dòng)，滑動(dòng)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(dòng)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(gè)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.9 Earthquakedamageofpilesunderlateralspreadingsoilcondition2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(dòng)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(shí)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(tái)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(shí)也可能只是在邊樁上形成一個(gè)塑性鉸，如圖9c所示。4 橋梁樁基震害機(jī)理地震時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)不發(fā)生側(cè)向位移的土體中時(shí)，只承受由振動(dòng)引起的附加動(dòng)應(yīng)力；當(dāng)樁設(shè)置在地震時(shí)發(fā)生側(cè)向位移的土體中時(shí)，樁不但承受振動(dòng)引起的附加動(dòng)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(shí)，樁的運(yùn)動(dòng)要與周圍土體相協(xié)調(diào)，此時(shí)樁身發(fā)生變形引起附加動(dòng)應(yīng)力；另外，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)隨地震運(yùn)動(dòng)的慣性力而通過樁帽傳導(dǎo)到樁身時(shí)，也產(chǎn)生附加動(dòng)應(yīng)力。因此，在地震時(shí)，應(yīng)將土體-樁-結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，樁基礎(chǔ)所承受的附加動(dòng)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(shí)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(dòng)引起的附加動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(gè)條件：一是岸邊場地的土層一般都很軟弱，地震時(shí)會(huì)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(shí)產(chǎn)生與斜坡方向一致的側(cè)向位移。震害經(jīng)驗(yàn)表明，即使地震動(dòng)水平較低，樁基也可能會(huì)發(fā)生這種機(jī)制的破壞。（3）因土體液化，樁基發(fā)