中美日规范关于液化场地中桩土相互作用分析规定的比较

曹岳嵩， 苏振宇

(1.湖南省交通水利建设集团有限公司， 湖南 长沙 410018； 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

由于桩基础能够较好地适应各种地质情况，以其施工方便、承载能力大、稳定性好、沉降小等特点而被广泛运用于桥梁结构中。特别是在中国，几乎所有的深基础都采用桩基础。对于静力设计而言，当软弱覆盖层较厚时，桩基础是一种良好的选择，但是桩基础承受横向荷载能力较弱，在船撞、地震等横向荷载的作用下比较容易受到破坏，特别是当地震造成场地液化并产生地面大变形时，桩基础表现得尤为脆弱。在1964年的新泻地震、美国阿拉斯加地震、1995年的日本阪神地震中产生了大量的桩基础破坏现象。日、美等国对液化场地中的桩土相互作用做了大量研究，并在各自的设计规范中有所体现。因设计规范对桩基础抗震设计有着重要的指导作用，所以比较分析各国规范关于液化场地中桩土相互作用计算的规定及优点和不足，对于提高我国的桩基础抗震设计水平有十分重要的意义。

从定性上理解，液化对桩土相互作用最明显的影响有3点： ① 改变场地的地震动;② 导致地基承载力下降； ③ 改变惯性相互作用力并产生较大的几何相互作用力。本文首先列举并比较中国、日本、美国规范关于液化场地中桩土相互作用计算的规定，然后利用已有试验现象和有限元分析结果揭示液化场地中桩土相互作用的详细机理，最后把各国规范的规定与桩土相互作用的详细机理进行比较，评价各国规范的合理性。

1 各国规范比较

日本、美国是地震多发国，在过去几次大地震中产生了较为严重的砂土液化现象，大量桩基础由于砂土液化而受到破坏，这促使日、美两国积极研究液化场地中桩基础破坏的机理并制定相应的设计规范。目前，日、美两国规范被普遍认为是世界上较为领先的规范，为了与中国规范进行比较分析，在本节中列出并比较了日本JRA规范、美国AASHTO规范、中国规范中关于液化场地中桩基础设计计算方面的规定。

1.1 日本规范(JRA-2012)

在日本规范(JRA-2012)中规定：在液化场地中，上部结构的惯性相互作用和土层的几何相互作用可以分开来分析，也就是说惯性相互作用和几何相互作用的最不利情况不出现在同一时刻。

上部结构导致的惯性相互作用分析可分为2种情况： ① 分析场地不出现液化时的惯性相互作用力；② 分析场地出现预期液化程度时的惯性相互作用力。

以上2种情况中，惯性力的计算都是利用土层不液化时结构的周期计算得到。在第2种情况中，即发生液化的情况下进行桩基础受力计算时，土层抗力(如p-y曲线极限强度)和桩身竖向摩阻力都要乘以一个折减系数(DE)，以反映液化对土体承载力的削弱。

DE是一个与地震振动强度大小、液化抵抗系数FL、砂土相对密实度(由动力抗剪强度比R表示)、桩身深度有关的系数，具体数值见表1。

表1 JRA规范中关于液化土层土体参数的折减系数DE值FL桩身深度x/m动力抗剪强度比RR≤0.3R>0.3地振动水平1地振动水平2地振动水平1地振动水平2(0,1/3][0,10]1/601/31/6(10,20]2/31/32/31/3(1/3,2/3](0,10]2/31/312/3(10,20]12/312/3(2/3,1](0,10]12/311(10,20]1111

在计算土层的几何相互作用时，JRA规范采用的方法是在非液化层和液化层都对桩身施加一定的分布压力(见图1)。非液化层施加的分布压力为被动土压力，当桩基础所在位置与水边码头以及滨水地区边缘距离>50 m而<100 m时，此水平压力折减50%，>100 m后不再考虑折减。液化层的分布水平压力取上覆土压力的30%，同时与非液化层分布压力折减同样考虑。当不考虑折减时，液化层中的压力可以表示为式(1)。

图1 JRA规范中几何相互作用的计算图示

p=0.3σvb

(1)

式中：p为液化层土压力；σv为上覆土层导致的总应力；b为桩直径。

1.2 美国规范(AASHTO—2017)

美国(AASHTO — 2017)规范规定，对于SDC、D级桥梁应该进行液化评估和计算。经过评估，如果液化可能发生，那么桥梁基础就应该采用深基础或者采取合理措施减轻场地液化。在液化可能产生地面大变形的场地中，应该采用大直径桩基础取代传统的桩基础，以减少液化流动对桩身作用力。如果液化发生，那么桩基础应该进行以下两种情况的分析。

1) 非液化情况。桩基础应该进行不考虑场地液化的地震分析和抗震设计，此时应该使用不考虑液化的场地地震动作为地震输入。

2) 液化情况。此时考虑液化对于p-y曲线或地基系数的折减，以反映液化对地基承载力的影响，此时的地震动输入同非液化情况;但利用有效应力分析程序得到地震动输入时，应该采用有效应力程序的计算结果，即采用考虑液化影响后的地震动输入，而此时的地震动不应小于不考虑液化的地震动的2/3。

AASHTO还允许桩身出现塑性铰，但此时工程师应该对塑性铰出现的位置进行合理判断并对塑性铰进行合理设计。

1.3 中国规范[《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)]

在中国《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)中，大部分是关于液化判别和减轻液化措施的规定，在第4.3.9条中关于液化场地中桩基础的受力计算有如下规定：当地基内有液化土层时，液化土层的承载力(包括桩侧摩阻力)、土抗力(地基系数)、内摩擦角和内聚力等，可根据液化抵抗系数Ce予以折减。折减系数α应按表2采用。液化土层以下地基承载力的提高系数，应符合本细则第4.2节的规定，即液化土层以上地基承载力不宜提高。在计算液化土层以下地基承载力时，应考虑其重力。

(2)

式中：Ce为液化抵抗系数；N1、Ncr分别为实际标准贯入锤击数和标准贯入锤击数临界值。

表2 折减系数α取值表CeDs/ mα(0,0.6](0,10]0(10,20]1/3(0.6,0.8](0,10]1/3(10,20]2/3(0.8,1.0](0,10]2/3(10,20]1

日本规范实际上是按照液化的全过程来考虑桩基础受力，在震动初始阶段，砂土来不及液化，这时桩基础受力和非液化场地一样，只考虑惯性相互作用力；随着震动继续，砂土开始液化，此时地面变形还较小，土层的几何相互作用力不大，因此不考虑几何相互作用力，只考虑惯性相互作用力，但液化层土体抗力折减；当震动结束后，惯性相互作用力为零，此时地面变形大，需考虑土体的几何相互作用力。在此，分别称这3个阶段为阶段1、阶段2、阶段3。

美国规范实际上考虑了日本规范的第1、2阶段，只是在第2阶段的惯性力计算时，规定当拥有有效应力程序计算得到的场地地震动时，应该采用有效应力程序计算的计算结果。

中国规范实际上只对应了日本规范的第2阶段。

各国规范的实施对于广大设计人员是简单易行的，但这些规定能否反映液化场地中桩土相互作用的详细机理，以下将通过前人研究成果和实际桥梁桩基础有限元分析结果，对各国规范的合理性进一步深入分析。

2 桩土相互作用详细机理

为了研究液化场地中桩土相互作用机理，各国进行了大量的实验研究和数值分析，Tokimatsu等[1]发现液化使得周期小于1 s范围内的地震动加速度明显削弱，上部结构的惯性力减小，但同时地面大变形导致的几何相互作用力使得桩身产生破坏。Tamura等发现，在场地没有液化时，土层作用力主要是由上部结构惯性力导致，且与惯性力方向总是相反；而场地液化后，土层作用力主要是由土层变形导致，且与惯性力方向总是相同。Suzuki[2]发现，液化前，土层作用力与惯性力方向相反；液化后可能一致,也有可能相反，这主要取决于桩身刚度，桩身刚度较小的可能相反，桩身刚度较大的可能相同。Brandenburg等[3]通过对离心机试验中承台和黏土层的荷载传递规律分析发现，在液化场地中，黏土层与承台的荷载位移曲线比非液化场地中的荷载位移曲线要软一个数量级左右。此外，土层对承台的极限作用力可以利用传统的土压力理论进行计算。

以上研究成果表明，液化首先改变了场地地震动输入，其次改变了惯性相互作用力并产生较大几何相互作用力，几何相互作用力与惯性相互作用力在某些情况下是叠加的。

为了定量地揭示液化场地中桩土相互作用机理，本文利用有限元程序Opensees，以某桥梁桩基础为模型，对液化场地中的桩土相互作用进行了模拟。

本文采用的模型如图2a所示，为平面模型。其中地层由3层土组成，最底下为密砂层，相对密实度Dr=75%，高25 m，不易液化；中间层为松砂层，相对密实度Dr=30%，高10 m，较易液化；顶层为黏土层，土的不排水抗剪强度为15 kPa，高10 m。为了反映液化导致的地面大变形，最上层土表面与水平面夹角为3°。土体采用流固耦合的u-p单元模拟，关于此类单元的详细介绍参见文献[4]～[7]。柱基础、承台以及上部结构都采用梁单元模拟，上部结构重3 000 t，承台重325 t，桩基础直径为1.5 m。桩基础与土体之间用弹簧连接，此类弹簧可以自动考虑液化对强度和刚度的折减，关于此类弹簧的详细介绍参见文献[7]。图2为有限元计算模型及地震动数据，采用的地震动时程以及地震动加速度反应谱见图2b、图2c所示。

2.1 土体反应

为了全面比较液化对桩土系统的影响，专门比较了土体和桩身在液化场地和非液化场地中的反应。

比较了考虑液化和不考虑液化2种情况土层顶位移、土层顶加速度时程以及加速度反应谱，如图3所示。

从图3a可以看出，3层土情况中，考虑液化后，土层顶瞬时位移和残余位移明显变大；图3b表明，土体的加速度时程有较大削弱;图3c表明，在短周期内，土体的加速度有明显削弱，当周期大于一定值时，液化还有可能使加速度变大。

图2 有限元计算模型及地震动数据

图3 液化与非液化土体反应比较

2.2 结构反应

首先比较了液化与非液化两种情况的上部结构的加速度时程、加速度反应谱和桩身弯矩最大值，如图4所示。

从图4a可以看出，3层土情况中，考虑液化后的上部结构加速度有一定削弱，这主要是由于液

化后桩基础周期变大以及场地地震动差异导致，从图4b可以清楚地看到这一现象；从图4c可以看出，考虑液化后桩身弯矩增大显著，桩身弯矩分布有较大改变，液化层底出现较大弯矩。

液化和非液化的另一个很大区别是惯性相互作用力和土层相互作用力的相对方向。在非液化场地中，由于场地变形较小，桩身变形较大，形成“桩推土”，使得土层作用力与上部结构的惯性作用方向相反(见图5a)。但在液化场地中，由于上部非液化土层的变形比桩身变形大，形成“土推桩”，使得土层作用力与上部结构的惯性作用方向相同(见图5b)，两者叠加使得桩身受力更为不利(见图5c)。

图4 液化与非液化结构反应比较

图5 液化对惯性相互作用力和土层相互作用力相对方向的影响

通过以上分析可以看出，液化使得土体加速度在短周期内明显削弱，在长周期内甚至有可能增大；对于结构来说，液化使得上部结构加速度减小，桩身弯矩分布改变，在液化层底产生较大弯矩，液化使得惯性相互作用与几何相互作用相对方向发生改变，由反向变为同向。这一分析结果与以往试验结果较为吻合。

3 各国规范的合理性分析

通过以上分析可以看出，各国规范对液化场地中桩土相互作用的详细机理主要有两个方面区别。

3.1 上部结构惯性相互作用力的计算

上部结构惯性相互作用力与两个因素有关。一是场地地震动，日本规范没有考虑液化对场地地震动的影响，美国规范规定了发生液化时，如果使用了有效应力程序计算地震动，应该采用有效应力程序计算得到的场地地震动，中国规范没有考虑液化对场地地震动的影响，从各国试验研究结果和以上有限元分析结果可以看出，应该适当考虑液化对场地地震动的影响。二是结构周期，日本规范规定应利用不考虑液化的结构周期计算上部结构惯性力，美国、中国规范都没有明确规定。从有限元计算得到的液化和非液化上部结构加速度反应谱(见图4b)可以看出，液化后结构有所变柔，但变化幅度不大，故采用不考虑液化的结构周期计算上部结构惯性力是合理的。

3.2 如何考虑几何相互作用力以及如何与惯性相互作用力组合

在非液化场地中，由于桩身变形比土体变形大，很容易形成“桩推土”，此时，土层承受桩的推力，这个力对于土体来说是一个被动的土压力，但在液化场地中，由于桩身变形可能比土层小，就有可能产生“土推桩”，这个力对于土层来说是一个主动土压力，在此所说的几何相互作用力就是这个土压力。

美国规范和中国规范没有考虑土层液化大变形产生的几何相互作用力，日本规范考虑了几何相互作用力并给出了定量的计算方法，但是认为惯性相互作用与几何相互作用不是同时发生的，所以分开考虑。从试验以及有限元分析结果发现，应该考虑液化产生的几何相互作用力，而且不能与惯性相互作用力分开考虑，因为在桩身受力最大时，既有较大惯性力，也有较大几何相互作用力。

各国规范与动力分析中的桩身受力示意见图6。由于各国规范都是一个静力反算过程，所以在利用上部结构惯性力反算桩基础受力时，实际上都是一个“桩推土”的过程，所考虑的土层力都是桩对土的一个被动土压力(见图6a)，而实际液化过程中，土层力是有可能与上部结构惯性力相同方向的(见图6b)，这也是规范算法与实际情况的一个差别。

图6 各国规范与动力分析中的桩身受力示意

为了定量地反映规范规定与详细机理的差别，利用上节有限元分析中的结构模型，进行了各国规范与动力分析的比较分析(见图7)。

图7 各国规范计算与动力分析的桩身弯矩比较

日本规范分3阶段计算桩身受力。阶段1：不考虑场地液化计算惯性相互作用；阶段2：考虑场地液化计算惯性相互作用;阶段3：计算几何相互作用力。美国规范也有前2个阶段的规定，中国规范实际上对应日本规范的阶段2，所以在以下比较中，粗略地认为美国规范对应日本规范阶段1和阶段2，中国规范对应日本规范阶段2。

从图7可以看出，阶段2，即考虑场地液化对土体承载力的削弱时，相对于阶段1桩身桩头弯矩增大，液化层中弯矩最大值位置有所下移，阶段3弯矩最大值出现在液化层底。

利用规范计算得到的桩身弯矩相对于动力计算得到的弯矩有以下异同：桩头弯矩相差较小，液化层中桩身弯矩差别较大，动力计算得到的弯矩明显大于规范计算得到的弯矩。这说明规范中把惯性相互作用和几何相互作用分开来算是不合适的，可能导致液化层底设计弯矩过小，从而导致地震中出现液化层底的桩身弯曲破坏，在历次地震中都有这样的震害。

日本规范考虑到了几何相互作用是合理的，虽然得出的桩身弯矩数值与动力计算有较大差别，但日本规范却能够合理地反映出液化层底桩身弯矩较大这一现象，数值上与动力计算差别大的原因是没有考虑与惯性相互作用的组合。美国规范和中国规范都不考虑几何相互作用，这可能导致液化层底桩身弯矩被严重低估。

4 结论

首先对各国规范进行了比较，然后参考已有研究成果并利用有限元模型动力计算结果揭示了液化场地中桩土相互作用机理，最后对各国规范与动力计算进行了比较分析，结论如下：

1) 各国规范都考虑了液化对土体承载力的削弱，这是液化对桩土相互作用影响很重要的一个方面。

2) 中国、日本规范不考虑液化对场地地震动的影响，美国规范考虑了液化对场地地震动的影响，较为合理。

3) 各国规范对上部结构惯性力计算方面的规定不一，日本规范规定采用不考虑液化的结构周期计算惯性力，中国、美国规范没有具体规定，但实际上不考虑液化的结构周期计算得到的惯性力误差不大。

4) 各国规范对于液化大变形导致的几何相互作用力规定相对较少，只有日本规范有具体规定，美国、中国规范没有相应规定。

5) 日本规范虽对液化大变形导致的几何相互作用力有相应规定，但没有将几何相互作用力与惯性相互作用力进行组合；而大量的试验和有限元分析表明，桩身受力最不利时，既有较大的惯性相互作用力，也有较大的几何相互作用力，应该考虑两者的组合。