桥梁桩基础抗震性能分析及工程设计探讨

郑新亮 谢毅 高爽

【摘要】在桥梁工程发展过程中，必须从桥梁设计等方面减轻地震对桥梁的影响，最大限度地保证交通运行的畅通，这对社会生产、生活秩序十分重要。本文对桥梁桩基础抗震性能分析及工程设计进行深入的探讨，以为桥梁设计工作提供理论支撑。

【关键词】桥梁;桩基础;抗震性能;工程设计

在我国交通基础设施中，桥梁是重要的组成部分，桥梁桩基作为桥梁稳定性的重要保障，其作用和地位是不可忽视的。为防止桥梁投入使用后出现严重的沉降问题，必须保障桥梁桩基的抗震性能，才能将桥梁表面的巨大载荷传递到深层的、稳定的土层结构中，进而保障桥梁的稳定性。现阶段，我国多将桥梁桩基础抗震技术应用在地震多发区或湿陷性黄土、软土、膨胀土等区域，应用范围最广的领域当属桥梁工程领域。大量的实践也表明，桥梁桩基础抗震作为基础结构形式，具有较高的稳定性和较好的安全性，通过对桥梁桩基础进行抗震性能设计，可以有效保障桥梁整体的稳定性。

1.桥梁桩基础概述

桩是指埋入土中的柱形杆件，桩基础是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。桥梁桩基础是指桥梁下部结构与地基接触的部分，其作用就是承受上部结构传来的荷载，并将它们与下部结构荷载一起传递给地基，以避免桥梁出现过大的水平变位或不均匀沉降。

在对桥梁基础进行分类时，可将桥梁基础分为两类：一是浅基础，二是深基础。两者之间的区别在于埋入土中的深度不同，埋土深入小于等于5m的称之为浅基础，这种桥梁桩基础施工较为简单;埋土深度大于5m的称之为深基础，这种桥梁桩基础施工较为复杂。桥梁桩基础比较适用于土质深厚的区域，属于深基础，桩基础的结构较轻，机械化程度高，施工快，是当下最经济的桥梁基础结构[1]。很多情况下，桥梁的桩基础都需要放置于水中，因此要求桩基础的建筑材料具有较高的耐腐蚀性，目前常用的材料主要有木材、钢筋混凝土和钢材。

2.桥梁桩基础抗震性能分析

2.1我国桥梁桩基础抗震效果现状分析

当下，在调查我国地震烈度和桩基震害防范时发现，我国大部分桥梁的桩基础性能较好，基本上都具备承受剧烈震动的能力。事实上，桥梁桩基础抗震性能好坏取决于地基土体，以支撑桥身的地基土体为主。若土体坚固，则桩基础抗震效果好;若土体受到沙化或液化等破坏，则桩基础抗震效果也会相对降低。对于桥梁来讲，桩基础作为桥身唯一的支撑体系，如果桩基础受到影响，那么势必对桥梁上部结构带来影响，甚至是严重的破坏。

通常情况下，土体对桥梁桩基础的影响主要体现在以下几种情况，分别是沉降、倾斜、滑动、断裂等。当土层受到液化影响而发生震害时，需要及时采用以下应对措施进行处理，主要有加长桥梁桩基础和加固桥梁桩基础两种方法，这样才能使桥梁桩基础透过液化土层，进入到深并且稳的土层，从而提高桥梁桩基础的稳固性和安全性。其次，根据我国桥梁建筑结构来看，当地震发生时，民用建筑的桩基础比工业建筑的抗震性能更强，这是因为民用建筑是以αh≤2. 5 的低桩承台为基础，同时还要将其周围的填土打实，这一系列操作的根本目的是使桩基础和上部体系成为一体，使桩基础的整体负载力度得到提升，进而增强民用建筑的抗震能力[2]。目前，我国的桥梁建筑工程使用的桩基往往是αh>2. 5 的高桩承台。两者相比，高桩承台的刚度要比低桩承台的弱些，因此易发生土体塌落、地基断裂的问题。

2.2桥梁震害的几种特定情况

目前，针对我国当下的桥梁桩基础震害情况，总结出以下几种桥梁震害的特定情况：

（1）砂层液化导致地基丧失承载能力，引发桥台或桥墩下沉、移动、变形或偏转等。由于桥梁桩基础在经历长期使用之后，周围支撑桥梁主体的砂层受到各种因素的侵蚀和影响，出现不同程度的液化，进而逐步降低桥梁支撑地基的承载能力，严重时还会导致桥梁支撑地基丧失承载能力，产生沉降、滑动变形等。此外，桥台桥身在使用之后也会发生滑动变形，其结果是桥梁上部结构会挤压河心，使桥梁构件出现破损与坠落等问题。

（2）建筑在岩石上的混凝土或砖砌桥墩发生倾斜。现阶段，我国的桥梁桩基中存在用岩石上建混凝土、砖砌桥墩作为支撑地基的情况，在经过长时间的使用后，由于混凝土、砖砌桥墩处于自然裸露状态，受到自然因素的影响会被风化形成粉尘，极易引发掉落等问题。

（3）桥梁上部体系与桥台、桥墩错位。对于桥梁来讲，一旦发生上部体系与桥台、桥墩存在错位，就会导致桥台桥墩承载力度降低，锚栓断裂，严重时还会使桥身支撑处出现断裂。

（4）拱桥底基为砂层，极易导致拱基出现不均匀沉陷，因拱桥桥身的特殊性，会使砂层为底基不坚固，使桥面出现起伏、拱圈拉裂。

2.3桥梁桩基础的垂直承载力和水平地震力的计算

（1）桥梁桩基础的垂直承载力计算。长期以来，计算地震时桩的承载力都是一个复杂的问题。当地震发生时，地下土层的物理力学性质会发生变化，导致地基强度指标降低，地基变形增加。而地震灾害对地基的影响程度主要取决于土层性质和地震级别，以及地震时间长短等。从桥梁桩基础垂直承载力计算的来看，地震灾害对打入岩层或硬层的支撑桩的影响较小，对于摩擦为主的桩影响较大。由于地震载荷属于特殊载荷，参照我国《公路桥涵地基与基础设计规范》，摩擦桩钻/挖孔灌注桩单桩轴向受压容许承载力[P]=1/2（ULTp+AδR）可以看出，在进行静力计算时，桩的承载力的安全系数采用2。虽然地震时各个影响因素会使承载力降低，但从多年的实际情况来看，桩的承载力的安全系数采用2，也几乎没有使垂直承载力方面出现问题。

（2）桥梁桩基础的水平地震力计算。在地震發生时，地震力属于随机载荷，这就增加了桩动力反应确定的复杂程度。参照我国《公路桥涵地基与基础设计规范》，采用M法的基本假定条件计算桩基内力，现阶段多采用近似的方法计算桩的水平地震力。准静力法是当下常用的计算方法，它是把动力学问题进行简化，利用静力学方法进行计算。虽然这种方法应用比较广泛，但存在一个弊端，就是忽视了惯性力和地基运动对桩的影响。在准静力法中，桩基只受上部结构水平惯力，因此计算时是将桩基上部结构的水平惯力简化为水平力和弯矩，从而得出桩顶的作用力。计算步骤与上述一样，由于这种简化的计算方法十分简单便捷，因此桥梁工程被广泛采用。

2.4液化地基中的桩基础

倘若在液化地基中使用桩体穿透组织，并将其固定在稳定土层中，可以明显提高桥梁桩基础抗震性能。当埋土深度小于等于 2.5/a时，根据假设的条件可认为桩基础的刚性大，通过计算发现桩基础周围的结构十分密实，结构组织上有层薄土层，这也可以起到一定的减震作用。当埋土深度大于5/a时，根据假设条件计算弹性桩基础，液化土层视为无效土层，在地震作用下，从有效桩基到桩顶，力臂越大，桩基被破坏得越严重。

3.桥梁桩基础抗震性能在工程设计中的应用对策

在桥梁建筑中，除了要参照相关抗震设计规范外，还要根据工程特点、地理环境等采取桥梁抗震措施。就我国目前的桥梁桩基础抗震情况来看，总结出以下几点桥梁桩基础抗震措施。

（1）针对小型的桥梁工程来讲，在进行桥梁设计时，桩基础的抗震性能只要按照相关的抗震设计规范来设计，就可以确保桥梁桩基础的抗震效果符合要求;针对大型、特大型或极其重要的桥梁工程来讲，在进行桥梁设计时要先分析和研究动力性能，然后借助动力学科学分析和设计桥梁桩基的条件和桥体支撑荷载。

（2）在很多抗震设计规范中，相关准则反复强调：提高桥梁桩基础抗震性能的主要目的是防止强震后桥梁坍塌。如此一来，我国应加强桥梁建设工程的抗震性能，着重于易发生、易破损、震动大的重要桥梁桩基础的抗震性能。

（3）桥梁建筑中，桥梁事故发生的主要原因是地基失去平衡、稳固性受到破坏。针对这一现状，在桥梁建筑中选择桥位时，要坚持以下原则：最大限度地避开地基的活动断层和周围邻近地段，避开滑坡、古河道等危及桥梁安全区域。

（4）设计桥梁时，基础形式和桥梁设计结构方案的选择要与实际相符，这样可以很大程度地减少震害，甚至实现从根源上减少震害。

（5）在桥梁建筑的实施过程中，防止震害发生的关键是要选取具有较好稳固性能的地基。因此，在选择地基时，必须优先考虑底基的坚固性、稳定性。此外，为有效保障桥梁抗震性能，除了防止震害影响，还须从强震后桥梁修复角度出发，及时处理强震给桥梁带来破坏，最快速度地降低强震对桥梁的影响。从这两个角度出发，从防止到修复，提高桥梁桩基础的抗震性能，力争将桥梁震害事故降到最低。

4.结束语

综上所述，社会经济与科学的发展，使我国交通事业步入蓬勃发展时期，但近几年，很多桥梁受到地震灾害的破坏，严重地影响了交通运输的畅通。这也使得我国的桥梁建设工程必须面对如何提高桥梁桩基础抗震性能这一问题，正如我们所知道的，桥梁桩基础抗震性能研究是非常复杂的问题，它需要持续进行。在地震发生时，桩基土体物理性质会发生变化，这也在无形中增加了桩基础性能计算的难度。即使这样，我们也可以通过假定条件，使其最大限度地贴近实际工程，随后对其进行深入的研究，以促进我国的桥梁建筑的发展。

参考文献

[1]张永亮，冯鹏飞，陈兴冲，宁贵霞，丁明波.基于静-动力分析相结合方法的桥梁桩基础地震反应分析及抗震性能评价[J].工程力学，2018，35（S1）：325-329+343.

[2]贾鹏，王兰民，万征，秋仁東，刘金波.某桥梁桩基础的抗震计算研究[J].地震工程学报，2018，40（02）：258-264.

（作者单位：北华大学土木与交通学院）

【中图分类号】TU473

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）09-0076-02