地基液化对桥梁桩基设计的影响-张汉卿

2011年2期(总第74期)地基液化是指处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使孔隙水压力增加及土颗粒间有效应力降低而引起地基粒状材料(砂土、粉土甚至包括砾石)由固态转变成液态的过程。地基液化会对地表的影响表现在喷砂冒水、堤岸滑塌、地面开裂、不均匀沉降等，对其上建筑物造成很大危害。钻孔灌注桩基础是桥梁的一种常见形式，地基液化对桩基设计有影响。1地基液化的机理及液化判断1.1地基液化的机理饱和沙土地基在震动的作用下，结构破坏、颗粒发生位移、体积收缩、空隙水压力暂时显著的增大，当空隙水压力上升到与外部压力相等时，砂土颗粒呈悬浮状态，就形成了液化地基，使结构物破坏。可以通过砂类土的抗剪强度公式进行表达，其公式为τ＝(p－u)tanφ（1）式中：τ—剪切面上的总法向压应力；u—剪切面上孔隙水压力；φ—土的内摩擦角。当空隙水压力u等于总法向压应力时，砂类土的抗剪强度τ等于零，就完全丧失了抗剪强度而失稳。地震时土层的液化较多发生在饱和的砂类土和低塑性土如含粘土颗粒少于10%、空隙比大于0.85的饱和轻亚粘土。但地震时能否液化，应根据地震烈度、震动持续时间、可液化土层的埋深，连同土的颗粒成分、密实度、结构等综合考虑。1.2我国抗震规范对地基液化的判断按照我国《公路桥梁抗震设计细则》的有关规定：（1）存在饱和砂土或饱和粉土（不含黄土）的地基，除6度设防外，应进行液化判别。（2）当在地面以下20m范围内有饱和砂土或饱和粉土（不含黄土），符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或不考虑液化的影响。①地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7度、8度时可判为不液化。②粉土的黏粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率，7度、8度和9度分别不小于10、13、16时，可判为不液化土。③基础埋置深度不超过2m时的天然地基，可根据上覆非液化土层厚度或地下水位深度，判断是否考虑液化。（3）当初步判别认为需进一步进行液化时，应采用标准贯入试验判别法判别地面以下15m深度范围内土的液化。2地基液化对桥墩桩基设计的影响根据地基液化的机理、以及判别液化的条件得出下列结论：（1）当地震列度为7、8、9度时，才考虑液化；（2）在地面20m以下有条件判断是否液化。国内外的资料也表明，地基上覆盖层的厚度对地基土有密切的关系，覆盖土层压力愈大，液化可能性愈小，因此地面20m以下不易发生液化。要分析研究地基液化对桥墩桩基设计的影响，就要假设几种分析模型，在这里假设两种情况：两层土和三层土体系（见图1地基液化对桥墩桩基设计的影响分析模型）。桩基设计有单排桩和群桩之分。因此按照以下几种情况进行分析。地基液化对桥梁桩基设计的影响张汉卿1，杨栎2（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075；2.广东华盟路桥工程有限公司，陕西西安710075）摘要：地震地基液化是由于饱和沙土在地震作用下，结构破坏、颗粒发生相对位移、体积收缩等一系列变化，使饱和沙土的强度发生了根本变化的一种自然现象，本文就地基液化对桩基影响程度及设计要求进行探讨，供同行参考。关键词：地基液化；桥梁桩基；设计；影响中图分类号：U44文献标识码：B1552011年2期(总第74期)图1地基液化对桥墩桩基设计的影响分析模型2.1地基液化对桩长计算的影响不论哪种情况，在计算桩长时，由于饱和砂土和粉土的液化，造成了砂类土的抗剪强度τ等于零，因此认为地震液化时砂土和粉土的桩周摩阻力为零，一般把该范围内的桩长按自由桩长处理，以预防饱和砂土和粉土在地震液化发生时对桩基造成不安全影响。同时要求不能把易液化的土层做为桩基的持力层，而应落在其他较好的地层中且不小于0.5m。2.2两层土及单排桩情况桥墩墩柱在计算时是按钢筋混凝土轴心受压构件考虑的，其计算长度L0与构件的两端的约束条件有关，往往假设的构件的下端为固定端，理论上固定端一般设在在地面线附近，计算长度L0几乎与墩高相当。当地表饱和砂土和粉土发生液化时，由于其强度的丧失，构件的固定端下移至液化土层下界处，使计算构件的长度等于L0+h，(h为液化层厚度)，引起构件的底部弯矩变大；同时桩基的最大弯矩点也随之下移也变大（详见图2桥墩计算受力模式）。按照地震地基液化大变形对桥梁桩基危害性三维数据研究表明：桩身的最大弯矩在二层土体的交界处（详见图3桩基弯矩与桩基埋深关系图(b)）。因此通过图3桩基弯矩与桩基埋深关系图（a）、(b)的比较，饱和砂土和粉土的液化影响是桩基最大弯矩位置下移以及弯矩数值增大，所以应增加桩基配筋数量以满足受力要求。图2桥墩计算受力模型图按照抗震规范的要求桩基的箍筋加密范围为最大弯矩以下3倍的桩径处，桩基的箍筋加密范围应根据最大弯矩的位置进行调整，相应竖向钢筋的截断位置也应做调整。2.3两层土及群桩情况假设承台刚度无限大，墩高计算长度不受液化的影响。桩基的最大弯矩位置和数据与两层土及单排桩的情况基本一致，只是桩基与承台的刚性连接限制了桩顶的转动，承台对限制桩顶侧向位移有一定的制约作用。2.4三层土及单排桩情况由于地表有很好的地质条件，液化层在地表层以下10m以下，对墩身的受力没有影响。按照地震地基液化大变形对桥梁桩基危害性三维数据研究表明：桩身的最大弯矩出现在可液化土层上下界面处，且液化土层的中弯矩呈线性变化，说明相对于桩上下非液化土层施加给桩身的的弯矩，液化土层对桩身的弯矩的影响很小，桩身最大弯矩主要由浅层非液化土层决定。这种研究是在桩顶弯矩为零的情况下得出的，但实际上桩顶有一定的图3桩基弯矩与桩基埋深关系图桥隧工程1562011年2期(总第74期)弯矩存在，随着深度增加，弯矩逐步减少，一定深度后几乎为零，在深度10m时有弯矩存在，在深度20m时弯矩几乎为零，经研究地基液化发生时，在这些地方还是有比较大的弯矩存在，最大弯矩的位置应在上层的非液化土层中（详见图3桩基弯矩与桩基埋深关系图（c））。因此在桩基设计时，竖向钢筋应通过液化层伸到好的地层中才可截断，箍筋的加密范围也要通过液化层并延伸到其下卧层中一定长度，建议按1m控制。2.5三层土及群桩情况与三层土及单排桩情况基本一致，只是桩基与承台的刚性连接限制了桩顶的转动，承台对限制桩顶侧向位移有一定的制约作用，这里不再赘述。研究还表明，在有液化侧扩地基中的桩基础设计时，仅考虑上部结构的动力响应影响是远远不够的，地基的水平侧向位移对桩基的影响不容忽视，桩基础的抗震设计应重点考虑液化前较小的震动位移，液化后震动引起的大中变形和地震结束后的永久侧向变形这3种不同的地面大变形。3地基液化对桥台桩基设计的影响上面分析的是桥墩在地基液化时的几种表现形式下桩基的受力分析，桥台与桥墩最大的不同点在于地面上有路基填土堆载，且台身埋置在路基中。在地震时如果路基填土高度较高，三层土计算模式中饱和砂土和粉土，受路基填土的作用，可能不产生液化，可以不予考虑。所以只有两层土的计算模式是影响桥台惟一的受力模式（详见图4柱式桥台布置示意图和图5肋式桥台布置示意图）。图4柱式桥台布置示意图图5肋式桥台布置示意图首先地基土的液化使路基失去原有的支撑，使路基下沉，同时液化土在路基的作用下被挤出。其次路基的下沉对桩基产生负摩阻以及地基土的液化的作用都可能使桩长不能满足实际要求，也产生下沉，由于桥墩台的不均匀沉降，使连续结构的桥梁上部产生裂缝。因此地震地基液化对路基的稳定以及桥梁的上下部均有极大的破坏作用。通过实践，为克服这些危害，最有效的办法就是对路基进行工程处理。通常采用加密法，如振冲、振动加密、挤密碎石桩强夯等方法，并处理至液化深度的下界。经工程处理后的桩基，可以有效预防地基沉陷，使沉降值保持在允许范围内。虽然如此，建议在计算桩长时，应适当考虑地基液化产生的负摩阻力（负摩阻的计算参加有关资料），因为不管地基如何处理，还是允许有一定程度沉降的。4结语本文对地基地震时液化对桥墩和桥台的桩基影响进行了分析，其结果是在假定的条件下得出的，有一定的局限性，不能使用于所有情况，建议读者在实际中结合实际情况进行参考，并不断完善。参考文献：[1]童立元.地震地基液化大变形对桥梁桩基危害性三维数值分析.交通运输工程学报，2007，6（3）:91-94.[2]JTJ004-89，公路工程抗震设计规范.[3]GB500011－2001，建筑抗震设计规范.157