强震区跨断层桥梁桩基动力响应及避让距离研究

冯忠居，关云辉，张 聪，孟莹莹，董芸秀，2

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳745000)

0 引 言

由于场地制约，有些桥梁工程会位于近断层、跨断层处，在桥梁设计时，必须考虑近断层地震动产生的上、下盘效应、滑冲效应和显著竖向运动等对桥梁的影响[1-2]。目前基本是根据工程经验来确定断层的影响程度，这显然不能很好地满足安全、经济的要求，故有必要对断层这一特殊地质条件下的桥梁桩基抗震设计展开研究。

国内外学者针对地震波作用下桥梁桩基动力响应问题及桩基避让距离进行了大量研究。冯忠居等[3-7]采用室内离心机试验与数值仿真，分析了断层-桩-土相互作用时桥梁桩基的距离效应与承载特性；蔡奇鹏等[8]用土工离心试验，得出了正断层错动情况下，单桩、群桩在上盘一侧的安全避让距离分别为10、23.5 m的结论；刘闯等[9]、何静斌等[10]、李雨润等[11-12]用振动台模型试验，研究了不同类型地震动作用下桩基的桩身峰值加速度、桩身弯矩等动力响应特性，总结了桩-土-结构动力相互作用理论模型研究现状；凌贤长等[13]、A.S. HOKMABADI等[14]、邢帆等[15]、李培振等[16-17]采用振动台模型试验和数值仿真，研究了地震动作用下桩-土-结构的工作特性及作用规律，得出砂土层起放大作用、黏土层产生阻尼效应的结论；张素珍等[18]采用MIDAS-GTS有限元软件分析了地震动作用对桩基础水平位移和弯矩的影响；鲍鹏等[19]利用时程分析法研究了刚性桩复合地基在地震动作用下结构内力分布规律；熊辉等[20]、武黎明等[21]建立了有限元简化模型，分析了不同地震动作用下桩-土-结构的动力非线性时程响应规律。

上述研究多集中于强震作用下桩基非线性动力响应，而关于强震区近断层场地条件下桩基础动力响应的研究较少。笔者采用MIDAS/GTS有限元软件，建立了桩-土-断层相互作用模型，研究了在5010波、5002波、Kobe波和El-Centro波等4种地震波作用下，跨断层桥梁桩基动力响应规律，分析了在地震动荷载作用下，不同避让距离对桩基水平位移、弯矩的影响。研究结果可为类似工程的抗震设计提供依据。

1 工程背景

海文大桥(原铺前大桥)跨越铺前湾—东寨港海域，桥址区存在22条断层，大桥走线共穿越3条断层，其中F4断层为非活动断层。断层与桥位关系及土层分布见图1。桥址区设防烈度为Ⅷ度，50年超越概率10%的动峰值加速度为0.35g。该桥桩基础建设环境国内外鲜有，桩基础抗震问题十分突出。

图1 断层与桥位关系及土层分布(单位：m)

海文大桥的44#、45#墩分别在非活动断层F4的下盘和上盘。承台尺寸均为9.2 m × 9.2 m × 3.0 m，桩间距均为5.5 m。选取44-1#、45-4#桩开展研究，桩径2 m、桩长76 m，嵌岩深度分别为12 m、10 m。

F4断层隐伏于K11+688附近，走向352°，倾向南西，倾角70°，物探宽度约8 m，上下盘错落约2 m，断层处岩石碎裂，为断裂破碎带。44#和45#墩桩基避让距离H取基岩面近断层一侧桩与断层的水平最小距离，分别为28.5 m，25 m。

2 数值仿真

考虑土体材料具有明显的非线性[17-19]，采用MIDAS/GTS软件建立非线性模型，用匀质弹性材料制作桩基和承台，用弹塑性模型描述桩基周围的岩土体以反映其塑性变形，用摩尔-库伦屈服准则进行非线性分析计算，用位移收敛和内力收敛进行检验判断。

2.1 模型建立

模型尺寸：x、y、z轴方向分别为98、62、94 m。采用植入式梁实体单元模拟桩基；采用破碎带模拟断层，将地质条件简化为断层破碎带出露地表。桩周附近土体和断层破碎带网格加密划分，尺寸为1 m，外侧土体网格尺寸按1→4 m渐变。桩土接触界面采用MIDAS/GTS中的一般接触，通过自动接触的方式定义。法向、切向刚度比例系数采用基本设置值。44#、45#墩模型如图2。

图2 44#、45# 墩模型

2.2 参数选取

根据海文大桥桥址的地质勘察报告和相关规范，计算模型中材料的弹性模量E、泊松比υ、黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ等参数，结果见表1。

表1 材料参数

2.3 边界条件

1)选择地震波，并进行地震波振型分析，得到有限元模型的特征周期和阻尼因子。笔者进行数值模拟时振型分析采用弹性边界。

2)鉴于黏弹性边界可以提供良好的模拟效果[18-21]，因此，采用R. L. KUHLEMEYER等[22]提出的黏弹性人工边界(即在土体外边界添加曲面阻尼弹簧)进行地震动时程分析。

2.4 地震波选取

选取中国地球物理研究所针对海文大桥人工合成的5010波、5002波，以及典型的阪神地震Kobe波、El-Centro波共4种地震波，用软件SeismoSigal进行滤波和基线校正处理，地震动峰值加速度按比例缩放限制在0.35g左右。经过处理后的地震波如图3。

图3 地震动加速度时程曲线

3 不同类型地震动作用下桩基础的动力响应特性

3.1 加速度响应

3.1.1 峰值加速度响应

峰值加速度放大系数α可反映岩土层性质及不同高程桩身峰值加速度的放大效应，按式(1)计算：

(1)

式中：apeak为桩身峰值加速度，m/s2；a′peak为输入地震波峰值加速度，m/s2，a′peak=0.35g。

因此，在4种地震波作用下，上、下盘桩的桩身峰值加速度变化规律如图4，桩顶峰值加速度放大系数如图5。

图4 桩身峰值加速度变化规律

图5 44-1#、45-4#桩的桩顶峰值加速度放大系数

从图4、图5可以看出：

1)在4种不同类型地震动作用下，桩身峰值加速度变化规律相似，均在桩顶或土层分界面发生较大变化。在El-Centro波作用时，桩顶峰值加速度最大；在Kobe波作用时，软硬土层分界面的峰值加速度最大；桩底峰值加速度与输入地震动峰值加速度基本相同；桩底到基岩面处桩身峰值加速度基本没有被放大或缩小，说明基岩对桩身峰值加速度的影响较小。

2)覆盖层土体对桩身峰值加速度具有一定的放大作用(α>1)。4种地震波中，El-Centro波作用下，桩身峰值加速度放大幅度最大，放大系数为1.76，表明相同土层对不同地震波峰值加速度的放大效果并不完全相同，且桩基础所处地质条件不同对地震波作用下桩身峰值加速度变化规律影响显著；断层导致上、下盘桩的桩顶峰值加速度放大系数差异显著，两者的放大系数差值在0 ～ 0.36范围内。

3.1.2 加速度时程响应

由于输入地震动50 s后桩基加速度基本为0，故笔者选取0 ～ 50 s范围内桩顶、桩底加速度时程响应进行分析，如图6、图7。

图6 44-1#(下盘)桩的桩顶、桩底加速度时程曲线

1)以图7(a)为例，桩顶、桩底加速度分别在50、25 s后趋于稳定，峰值分别为5.70、3.82 m/s2，桩底加速度时程响应的频率和振幅与输入地震波的接近，而桩顶加速度时程响应频率较低、振幅较大。说明基岩对地震波的响应速率快，对输入地震波几乎没有影响；而覆盖层对地震波的“滤波”作用较为明显，将地震波中的高频成分进行一定的消除，使得桩顶对地震波高频成分的响应程度及敏感度降低。

图7 45-4#(上盘)桩的桩顶、桩底加速度时程曲线

2)同一类型地震波作用下，断层上、下盘桩的桩顶、桩底加速度时程响应波形规律相似，但由于断层的存在，上盘桩的桩顶加速度达到峰值的时刻滞后于下盘的。

3.2 桩顶水平位移响应

断层上、下盘桩的桩顶水平位移Spt时程响应如图8，桩顶水平位移峰值Speak, pt变化规律如图9。

图8 45-1#、45-4#桩的桩顶水平位移时程曲线

图9 45-1#、45-4#桩的桩顶水平位移峰值

从图8、图9可以看出：

1)桩顶达到水平位移峰值的时刻与输入地震波类型有关。以图8(a)下盘44-1#桩为例，在5010波、5002波、Kobe波、El-Centro波作用下，桩顶分别在7.16、45.68、10.52和9.42 s达到振幅最大值。

2)在同一类型地震波作用下，上、下盘桩的桩顶水平位移时程响应规律相似。由于断层的存在，上、下盘桩基础两侧土层性质有所不同，导致产生的桩顶永久位移大小各不相同。在4种地震波作用下，断层上盘桩的永久位移明显大于下盘的，具有显著的“上盘效应”。

3)桩顶水平位移峰值在不同类型地震波作用下相差较大。以图8(b)上盘45-4#桩为例，桩顶水平位移峰值在5002波作用下最大，在Kobe波作用下最小，二者相差0.42 m。

3.3 桩身弯矩响应

在4种类型地震波作用下，桩身弯矩峰值Mpeak变化规律如图10，桩身弯矩峰值最大值Mpeak,max变化规律如图11。根据海文大桥44#、45#墩桩基配筋情况，通过通JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算得到桩身抗弯承载力为M=27.15 MN·m。

图10 桩身弯矩峰值变化规律

图11 桩身弯矩峰值最大值Mpeak,max

从图10、图11可以看出：

1)沿桩长方向，上、下盘桩的桩身弯矩峰值Mpeak变化规律基本相同，均是先增大后减小，并且上、下盘桩的桩身弯矩均在土层分界面及基岩面处出现最大值。分析原因是：在岩土体交界面，岩土体的软硬程度变化较大，导致桩身产生较大弯矩。

2)在4种地震波作用下，上、下盘桩的桩身弯矩峰值最大值Mpeak,max各不相同，但均未超过桩身截面抗弯承载力27.15 MN·m，因此，上、下盘桩基抗弯设计均满足要求。由于在Kobe波作用下，桩身弯矩峰值响应最大，因此笔者建议：在桥梁桩基础抗震设计时，应重点考虑Kobe波对桩基的影响，以确保桩基础具有足够的抗震能力。

4 桩基避让距离对桩基础力学变形特性影响

笔者以受地震影响较明显的断层上盘45-2#桩为研究对象，来分析5010地震波对桩基础力学变形特性的影响。

4.1 桩基水平位移响应

以45-2#桩为例，不同桩基避让距离H的桩身水平位移峰值Speak及桩顶水平位移峰值Speak,top变化规律如图12。

图12 45-2# 桩的水平位移峰值变化规律

由图12可见：

1)45-2#桩的桩身水平位移峰值Speak沿桩长方向逐渐减小。在上部软弱覆盖层内，Speak变化明显；嵌入基岩内之后，Speak接近于0；在桩顶处，Speak达到峰值最大值。

2)随着H的增大，桩顶水平位移峰值Speak,top以曲线形式减小。当H=0～20 m时，Speak,top减小幅度较大；当H>20 m时，Speak,top趋于稳定。

4.2 桩身弯矩响应

不同桩基避让距离H，45-2#桩的桩身弯矩峰值Mpeak及桩身弯矩峰值最大值Mpeak, max变化规律如图13。

图13 45-2#桩的桩身弯矩峰值及桩身弯矩峰值最大值变化规律

由图13(a)可见，45-2#桩的桩身弯矩峰值Mpeak沿桩长l方向整体呈“3”字形，Mpeak在上部软硬覆盖层交界处和基岩面处较大；随着桩基避让距离H的增大，桩身弯矩峰值最大值Mpeak,max呈反比例减小；当H> 20 m时，Mpeak,max< 27.15 MN·m，并逐渐趋于稳定。

5 结 论

1)覆盖层土体对桩身地震动峰值加速度具有放大作用，并且覆盖层对地震波的“滤波”作用较为明显。桩顶峰值加速度响应滞后于桩底的。

2)由于断层两侧桩周土体以及嵌岩深度的差异，上盘桩基桩身峰值加速度、永久位移、桩身弯矩峰值均大于下盘的，具有显著的“上盘效应”。建议：在设计地震动作用下桥梁桩基的承载力时，应考虑断层上、下盘的桩基承载特性的差异。

3)断层处，上、下盘桩的弯矩峰值均在上部土层界面处达到最大值。建议：在桥梁桩基抗震设计时，应重点考虑软硬岩土体交界面的抗弯能力设计，确保桩基具有足够的抗震能力。

4)El-Centro波作用时，桩顶峰值加速度及加速度放大系数较大；5002波作用时，桩顶水平位移峰值较大；Kobe波作用时，桩身弯矩峰值较大。建议：在桥梁桩基础抗震设计时，应着重考虑不同地震波对桩基的影响。

5)推荐强震区跨断层桥梁桩基的安全避让距离为20 m(10D)。