软土地基桥梁桩基抗震设计探讨

康 焯，高 远，张志贤

（天津市市政工程设计研究院）

0 引言

桩基础由于不仅具有施工便捷、承载能力大、稳定性好，控制沉降好等优点，并且能够适用于各种不良地质条件，特别是软土地基，而广泛应用于桥梁基础工程中。桩基础将上部结构的外力，通过桩群通过较上部软弱的土层而传到较深的地层中去。桩基础通常分预制桩和就地灌注桩两大类，而桥梁桩基础往往采用后者较多。随着近年来不断发生较大的地震灾害，尤其是我国1976年唐山大地震和2008年汶川大地震，给人类带来了巨大的破坏，而抗震设计被桥梁设计中日益得到重视。

1976年唐山大地震中，唐山地区62％的公路桥梁发生不同程度的破坏，其中严重毁坏的大、中桥梁有20座；汶川大地震涉及受损的桥梁更是高达6 140座。根据已有的桥梁震害资料中，除了少数桥梁倒塌外，主要的震害往往是主梁位移和落梁、桥墩断裂和倾斜、支座破坏、桥台开裂变形的震害报道，而桩基础的震害往往较少。主要原因是桩基的隐蔽性，埋置于土体往往较深，其震害情况不易被发现。而且就算地震后期的桥梁检测，也只能发现埋置较浅处的桩基震害，更深处的破坏往往不容易检测到。加之地址情况的多种多样，土体的非线性，往往难以从理论上准确模拟桩基震害的作用方式。

经验证明，通常从桩基其上部结构的震害可以间接地表现出震害程度。总结桩基震害经验，对于今后加强桥梁抗震设计是重要的一环。

1 桩基桥梁震害形式

桥梁桩基震害受诸多因素影响，例如桥梁结构形式、地质土体特点、桩基的直径和长度等。从近几十多年来国内外大量历史地震中的桩基桥梁震害来看，桩基震害机制复杂，其中软土地基的土体液化造成桩基过大的变形是桩基震害的一个主要因素。桥梁桩基震害主要表现形式如下。

（1）土体液化引起桩体下沉，从而导致桥面及梁体毁坏。如1976年的唐山大地震等都有这种震害。

（2）桩基和墩柱随土体位移过大造成上部结构落梁，这种震害形式最为常见。

（3）桩体未发生明显侧向移动或下沉，而桩体附近沿桩周产生众多密布的宽度不等的环带状裂缝。

（4）由于桩基与承台连接处构造措施设计不足，上部结构传到下的巨大惯性力，导致连接处的桩顶发生剪切断裂。

2 桥梁桩基震害机制

根据我国对7°～9°度烈度区的桩基震害调查资料显示，绝大多数桩基能经受住地震的考验。一般土体不发生破坏时，桩基抗震效果好，破坏的很少；但在土体由于液化或滑移产生整体破坏时，则桩基将破坏，桥梁上部结构也多半遭到破坏。

桩在地震荷载作用下的受力可划分为两类：一类是当桩设置在地震时不发生侧向位移的土体中时，只承受由振动引起的作用力；另一类是当桩设置在地震时发生侧向位移的土体时，桩不但承受振动引起的作用力而且承受土体侧向位移引起的附加挤压力。通常上，第二类震害往往发生在液化的软土地基上，故此说软土地基上的桩基都地震影响更为显著。

而从结构上看，由于桩身埋藏于土体中，通过桩帽与上部结构相连，当地震发生时，桩的运动要与周围土体相协调，此时桩基引发的震害不仅仅是桩基本身与土体之间的作用力；另外，当上部结构随地震运动的惯性力而通过桩帽传导到桩基的附加作用力。因此，在地震时，应将土体－桩－结构作为一个整体来进行分析，桩基础所承受的作用力往往是上述两部分力的综合影响结果。

总结和分析桩基桥梁震害情况，并结合地震时桩基的受力情况，桥梁桩基础破坏机理可分为以下几类。

（1）振动引起的作用力下发生的破坏

这种机制的破坏方式一般发生在地震动水平较高、桩基埋置深度较浅且桩径较细、地基土层软弱的情况下。地震时周围土体对桩基提供的反力较小，从而造成桩的变形较大，导致桩基产生较大受力从而破坏。

（2）土体侧向位移引起的挤压力下发生的破坏

这种机制的破坏多发生在软土场地。由于软土场地易在地震中发生较大的侧向位移，造成对桩基产生较大的挤压力，从而造成桩基破坏。根据震害调查，即使地震动水平较低，桩基也可能会发生这类的破坏。

（3）因土体液化，桩基发生陷落，丧失承载力导致的破坏

这类的破坏可分为两种：第一种为单桩破坏。由于土体液化，造成单桩承载力降低，桩基向下产生较大位移。第二种为整体桩基破坏。即桩基为群桩基础，单桩的承载力未丧失，而整体桩基发生失稳、下沉或者倾斜。

3 桥梁桩基抗震设计的探讨

在可液化地基上，地震液化大变形是导致桥梁桩基破坏的最主要原因，因此设计时必须采用必要的抗震措施。本文主要针对工程地质情况与桩基类型的选择、桩基抗震构造措施方面提出探讨。

3.1 工程地质情况与桩基设计

（1）在进行桥梁路线选择时，应尽量避开一些地震断裂带、破碎沉积带、松散粉砂等软土层地区等地质灾害地区。但有的时候往往很难完全避开。

（2）通过地址勘察，查明地震断裂带位置，液化层的厚度、埋深等地址基本情况，根据地址情况选择桩基类型。

（3）对于可能发生液化的地段，桩基长度设计是应充分保障桩基深入密实稳定土层有足够长度，避免液化造成桩基承载力下降从而发生较大沉降的情况。同时应避免采用短桩，确保桩尖设置于地质较好的持力层。

（4）对于软土地基，设计中尽量选择一些群桩桩基的设计方式，同时建议加大桩径尺寸。

3.2 桩基抗震设计与构造措施

我国规范与国外规范相比，主要是没有考虑地面大变形作用，即土体运动效应。而计算方法主要以M法为主。但根据有关研究成果，对于土层的刚度相差较大的软土场地，M法则不能反映桩身实际的最不利情况。在液化场地特别是有侧向土体流动的地震情况下，最不利的桩身内力位置往往在液化土层界面附近。地震动越强，M法计算出的桩身内力误差越大，故而设计中宜采取强构造措施以弥补计算方法存在的不足。

（1）一般桥梁桩基按照弹性基础计算，其地基液化土层部分的侧壁摩阻力、地基系数、内摩擦角和内聚力等可根据抗震设计规范进行折减考虑。

（2）改进桩头的嵌固程度。根据大量震害调查和有关文献报道，不论液化或非液化土中的桩基，其桩头部分由于弯矩及剪力都达到最大，极易产生如错位、拔出、钢筋断裂等破坏。而承台和桩连接处是最容易产生震害的部位。因而，改进桩头的嵌固程度应通过增加桩基直径或者加大桩头部分的箍筋直径来提高。

（3）对于长细比较大的桩基，在液化场地的地震作用下有可能发生失稳破坏，桩基抗震设计是应进行稳定性验算。

（4）在土层有侧向位移的情况下，我国规范中未提出侧向流动场地桩基抗震设计的方法。可以参照日本公路桥梁规范，桩基设计时桩身作用力只考虑土压力不考虑上部结构惯性力。设计中土压力取值为液化土层竖向土压力与非液化覆盖层被动土压力之和的0.3倍，从而验算桩基的抗剪能力。

4 结语

桥梁桩基抗震问题是一个长期困难的课题，土体位移与软土液化是大多数震害发生的最主要原因。国内外有很多学者和课题对软土地基中桩基的破坏机理进行分析研究，提出了很多理论观点。同时我国的规范也随着研究的不断进展，丰富和修改桥梁桩基抗震设计标准，以期提高桥梁桩基的抗震水平。

［1］王青桥，韦晓，王君杰.桥梁桩基震害特点及其破坏机理［J］.震灾防御技术，2009，（6）.

［2］胡建新，张力，唐光武，等.液化场地桩基抗震设计现状［J］.世界桥梁，2008，（4）.