高烈度区桥梁桩基动力响应与抗震提升技术分析

史明霞、钱鑫、李沛、张彪

（1.宿迁市交通产业集团有限公司，江苏 宿迁 223800；2.中铁四局集团有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

0 引言

随着新基建等国家战略的提出，以及后疫情时代经济发展的需求，我国进入了工程建设的黄金时代，已经建造或即将建造一大批超大型结构物。因桩基具备良好的承载能力，且能带来较好的经济效益，这类新建超大型复杂结构物系统普遍采用桩基或桩筏基础。但这类大型结构物尚未真正经受过强烈地震作用的考验，缺乏强震响应破坏的实际经验，因此开展系统的土体—结构物动力相互作用的理论及应用研究尤为重要和紧迫，对液化地区桥梁工程的建设更是具有重要的指导意义。

我国地震多发且分布广、强度大，建桥区大多为液化场地，特别是现有的干线交通和京沪高铁，以及长三角、珠三角、环渤海三大城市群和沿海经济发达区。当前，我国桥梁建设事业发展速度日益加快，且多采用桩基形式，在大量桩基震害事件中，液化侧向扩展是桩基受损的最主要原因之一。对此，大量学者对地震液化引发侧向扩展场地条件下的桩基地震响应进行了研究。

关于桥梁上部结构的抗震设计，目前国内外已经形成了一套较为成熟的设计方法，但是对桥梁桩基的抗震设计研究较少。常用的提升桩基抗震水平的方法是增大桩基截面积，增加桩基的入土深度，提高桩基的配筋率等措施，该类主动增强桩基抗震性能的设计方法会显著增加施工成本，而且难以从根本上解决地震引起砂土地层液化导致的地基强度失效问题。而地基强度失效会导致桥梁桩基产生较大的水平位移，进而使桥梁墩柱产生偏移、桥梁产生较大滑移等问题。

基于上述问题，总结相关研究，分析在地震液化导致的侧向扩展场地下，桥梁桩基产生大变形的机理及桩基受到破坏的原因，并系统分析桥梁桩基的抗震性能提升关键技术。

1 地震引起桥梁桩基破坏案例总结

国内外岩土工程界始终高度关注地震液化引发的桩基震害问题。这方面的典型案例有1964 年日本新潟地震、1975 年中国海城地震、1976 年中国唐山大地震、1995 年日本阪神地震、2008 年中国汶川地震（见图1）、2010 年中国青海玉树地震（见图2）、2021 年中国青海玛多地震。

图1 汶川地震引发桥梁桩基受损

图2 玉树地震引发桥梁桩基受损

总结上述大地震中低承台桩基震害，得出：第一，桩与承台连接处的破坏。桩顶承受的压、拔、弯、剪应力集中，致使桩顶混凝土出现压碎、剪切斜裂缝、钢筋屈服等现象。第二，土层刚度突变的软硬分界处桩身易发生剪、弯损害。第三，土体大变形引起的桩身整体破坏。由于边坡整体失稳滑动或饱和砂土、粉土发生液化侧扩、流滑等大变形，在削弱桩基竖向承载力的同时，会产生显著的水平推力，导致桩身发生严重的整体破坏。第四，软土震陷、砂土液化导致桩基承载力降低或丧失。第五，土体液化后桩的有效长度减小，在上部结构轴向荷载的作用下，桩发生屈曲失稳。

根据上述地震引起的桥梁灾害实例可以看出，这些震害问题通常并非是桥梁设计强度不足引起的，而是地震导致软弱地层中桥梁桩基周围土体的水平刚度降低，进而导致桩基水平承载力不足，使桥梁桩基产生较大的水平位移，从而造成桥梁破坏，甚至丧失使用功能。

2 可液化地层中桩基的动力响应

2.1 试验研究

“可液化地基—桩—结构”抗震性能的大型振动台及离心模型试验结果表明，桩基的动力响应是由上部结构的惯性力和桩土运动的相互作用共同引起的。其中，易引起地震放大效应的可液化场地中的桩土运动相互作用，是桩基受到破坏的主要原因之一。在地震荷载的作用下，桩身刚度对桩—土动力的相互作用影响显著，刚性桩—土体系的刚度主要由桩体控制，土体非线性对桩身弯矩影响不显著，但由于桩周土体对柔性桩的水平支撑作用明显，使得土体非线性对桩身弯矩影响显著。动力荷载作用下的桩身响应深度较水平静力情况下显著加深；在水平动载作用下，刚性桩的最大弯矩较水平静载情况下增大1.5～4 倍，柔性桩的最大弯矩较水平静载情况下增大约9 倍。桩身最大弯矩发生在桩头和软硬土层交界处。地震作用下，桩基附近土体易发生液化，进而降低桩基承载力。随着桩长增加，桩—土体系的固有频率和桩身最大弯矩值不断增大，桩身最大位移幅值显著减小。在可液化地基中，桩间距对桩身弯矩的影响显著。

杨敏和杨军基于离心模型试验，对比了饱和可液化地基中大间距桩筏基础桩头刚接与桩头自由在抗震性能方面的差异。结果表明，桩头刚接时上部结构侧向位移与基础倾斜值均较桩头自由时减少一半以上（见图3），但上部结构加速度放大作用更加明显[1]。

图3 基础倾斜时程曲线（试验1 为刚接，试验2 为自由）

2.2 理论分析

采用整体数值分析法和时域逐步积分法（可考虑土体非线性）。通过可液化—桩—结构动力响应数值分析，得出：柔性桩或结构体系固有频率大于或等于场地固有频率时，桩身应力主要由惯性相互作用引起，刚性桩或结构固有频率小于场地固有频率时，桩土运动相互作用对桩的动力响应影响显著，在这种情况下，桩基抗震设计不可忽略桩土运动相互作用的影响。地震作用下土体的非线性表现非常显著，桩—土之间甚至出现滑移和脱离等现象。土体的非线性会增大低频振动下桩头和上部结构的动力响应，但对高频振动下的动力响应影响较小。群桩效应能够降低动力激励作用引起的结构响应峰值，即可减弱土体的动力非线性影响；当桩间距大于4 倍桩径时，可忽略群桩效应对桩身弯矩的影响。桩头固定时桩土运动相互作用会导致桩头与桩身软硬土层交界面处产生较大的弯矩，上部结构的惯性力对桩头处弯矩的影响更为显著；桩头与承台间采用铰接连接方式，可降低桩身弯矩；扩底对桩基抗震性能的影响并不显著。

3 桩基的抗震性能提升方法

3.1 提高桩体截面抗弯、剪刚度

为控制静动水平荷载下桩基的侧向位移，工程设计中通常采用增加桩的数量或采用更大直径桩基的方法[2]。也有学者提出采用变截面桩、纤维增强桩、加翼桩等方法。

变截面桩方面，等混凝土用量的阶梯型变截面桩、楔形桩的水平承载力均高于等直径桩[3]。孔纲强等通过开展模型试验发现，砂性土和黏性土中等混凝土用量的楔形桩水平极限承载力比等直径桩分别提高25%和33%[4]。刘新荣等通过开展室内模型试验发现，变截面桩水平受力比等直径桩更为合理，且变截面桩的最优变径段长度占整个桩长的40%～50%[5]。离心模型试验结果表明，软黏土中方形桩和H 形桩的水平承载力比等体积圆形桩高25%～40%，桩端开口或闭口对水平承载力的影响不大。

此外，纤维加固可以显著提高螺旋桩的延性和水平承载性能，但在双向循环荷载作用下，由于桩与土之间会出现间隙，纤维加固螺旋桩依然会存在明显的循环衰减效应。室内模型试验结果表明，掺入1.0%～1.5%钢纤维可有效提高混凝土桩的延性和水平承载力，减少桩身弯矩。设置翼板也可提高水平受荷桩性能。李炜等通过开展离心模型试验发现，设置翼板可充分发挥桩侧浅层土体水平抗力，提高桩的水平承载性能，且提高幅值会随翼板长度和宽度的增加而增大[6]。

3.2 提高桩周土体强度

在水平静动力荷载下，桩的承载与变形特性还受桩周土体性质的影响，因此可采用地基处理方法改良桩侧土性质，提高桩侧土的抗力、改善桩土的相互作用，进而提升水平受荷桩的性能。常用地基处理方法有换填法、深层密实法、化学加固法等。

现场试验证明，桥台桩前局部碎石换填可提高水平静力和循环荷载作用下桩基的刚度和水平承载性能。桩基后注浆处理也可提高桩水平承载力，如李洪江等通过现场试验对比发现，采用桩侧桩端后注浆后，可液化地基中灌注桩单桩的临界水平荷载提高约20%[7]。在桩周打设搅拌桩或旋喷桩可提高桩侧土的初始刚度和水平抗力，降低桩体水平位移，提高水平承载能力。由于桩身最大弯矩和剪应力发生在加固土深度范围内桩体中，在单向循环和双向循环荷载作用下，旋喷桩能显著提高灌注桩的桩头刚度，减少桩身累积位移。此外，桩侧土改良可提高桩—土体系刚度，减小桩—土体系加速度和侧向位移，从而改善桩基的抗震性能。

3.3 改变桩头连接形式

为降低地震影响下桩头与承台或筏板之间的弯矩和剪力，可在桩基础与筏板之间设置砂石垫层，形成一种新型的非连接式桩筏基。研究表明，与传统的连接式桩筏基础相比，这种桩头连接形式可在保持技术优势的基础上，充分发挥桩间土的承载效应，并能显著减少水平荷载下剪力和弯矩在桩基与筏板之间的传递。王安辉等人采用1g 振动台开展了连接式和非连接式复合桩桩筏基础的模型试验研究[8]。试验结果表明，DPR（非连接式）工况中模型体系的固有频率小于CPR（连接式）工况的固有频率，而DPR 工况的阻尼比大于CPR 工况；DPR 工况中地基土体的超孔压比均低于CPR 工况，说明采用DPR 基础可降低地基土体的液化程度；DPR 工况中地基土体的加速度反应均低于CPR 工况，表明用垫层隔开桩头与筏板，可减弱群桩—结构相互作用对桩周土体运动的影响；与CPR 基础相比，采用DPR 基础可使桩基界面动弯矩峰值减少近50%，如图4 所示。综上可知，采用DPR基础不仅能有效降低桩基弯矩响应，还可防止桩筏连接处出现弯剪破坏。

图4 桩基界面动弯矩峰值对比

4 结语

为有效提升桥梁桩基抗震性能，对高烈度区桥梁桩基地震动力响应规律进行分析，总结典型的地震引起桥梁桩基受损的案例，并根据现有研究成果，总结出可液化地层中桩基的动力响应规律，并提出一些桩基抗震性能提升方法。但关于桩头连接形式对桩基抗震性能的影响机理，以及桩头连接形式和参数的确定，还有待进一步研究。相关方面需要做出更加明确的规范，以更好地为工程服务，提高桥梁桩基抗震性能的同时，降低工程成本。