桩底位置对含可液化土层桩承桥台地震反应的影响分析

魏红卫，肖长红，吴忠诚

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

地震作用下地基液化导致桥台功能受损、桥梁整体破坏，一般采用桩承桥台增强结构的稳定性，但是大量震害调查结果表明，地基液化会使桩基础产生严重震害[1]，影响桩承桥台震后的正常使用。为了减少地基液化对桩承桥台的影响，了解含可液化土层桩承桥台在地震荷载作用下的动力响应和震害特性，国内外学者开展了大量研究。王海涛等[2]通过对比分析振动台试验和数值模拟的结果，得到液化场地桥台滑坡机理，发现地震荷载作用下桥台破坏模式为滑移和旋转的组合。黄占芳等[3]通过振动台试验模拟了桩土结构在地震作用下的动力响应，发现桩基加固后的地基土液化时间滞后于天然地基。为了研究含液化层地基的群桩地震响应规律，刘星等[4]建立三维模型进行计算，发现不同桩的桩身弯矩最大值出现的位置不同。童立元等[5]对含液化层地基中的单桩、群桩进行模拟分析，结果表明桩身弯矩的极值发生在可液化层的上下界面处。冯忠居等[6]通过振动台模型试验探究了地震波作用下含液化土层桥梁桩基的动力响应，发现随着液化层深度的增加，桩顶水平位移峰值逐渐减小。ARMSTRONG等[7]研究了地震液化对桩顶桥台性能影响，发现有桩比无桩的桥台侧向移动和沉降少。RAHMANI等[8]采用完全耦合三维动力分析方法，研究了液化场地桩基的动力特性。XU等[9]考察了可液化和非液化砂矿中桩群结构体系的抗震性能，发现试验中可液化场地桩的弯矩大于不可液化场地桩的弯矩。JANALIZADEH等[10]研究了可液化土层中桩的动力响应，当桩头固定时，桩的最大弯矩只有可能出现在桩头或者是在液化层和非液化层交界面处。周恩全等[11]研究了可液化倾斜场地桥梁桩-土相互作用，发现桩身弯矩在桩中及土层分界面附近较大。由上述研究可知，桩端位于地基可液化土层下方时，液化场地桩承桥台的位移模式为滑移旋转的组合；桩的存在使土层液化时间滞后，桥台位移减小；桩身弯矩最大值出现在桩头或者是在液化层和非液化层交界面处[12]。这些研究加深了对液化场地桩承桥台震害特征和破坏机理的理解。但既有桥梁由于设计等原因，可能存在桩端位于可液化土层上方或位于可液化土层中的情况，这种情况下的桩承桥台的地震特性研究尚显不足。本文依托唐山大地震中雷庄沙河桥东桥台震害实例，建立桥头段三维数值模型，通过改变桩长，分析桩底端位于地基可液化土层不同位置时，桩承桥台的地震位移响应、桩身弯矩响应以及地基可液化土层的液化特征，以期为液化场地桩承桥台的抗震设计加固以及桥头段区域地震病害的防治提供工程实用价值和理论支撑。

1 雷庄沙河桥场地概况

雷庄沙河桥始建于1965年，位于唐山市北60°东方向，是天津到秦皇岛公路上的一座大桥，总长210.94 m。桥梁东岸为12×11.4 m的T梁，T型梁单片宽度为1.4 m，桥身由6片T梁组成，西岸为7 m×10.6 m空心板，桥面净宽为7 m，两侧各设0.75 m人行道。东桥台设多轴滚动支座，下部结构为2Φ0.8 m钻孔桩双柱式桥台，东侧墩台桩基础深度为12～16 m。河床土质情况通过钻孔勘测所得[13]，如图1所示。

图1 实测与模型土层厚度Fig.1 Thickness of measured and model soil layer

经过现场震害调查，桥梁宏观烈度为IX度，大部分墩、台均在顺桥方向发生不同程度的倾斜变位。全桥以地震时河流的主流位置为界，东段各墩台均向西倾斜。东桥台向河心倾斜，下沉达17 cm，经取样对比判断，液化土层约在地面下9.4 m范围内。

2 计算模型

2.1 几何模型的建立

本文依托沙河桥东桥台建立数值模型见图2。模型由地基、桩承桥台、台后路堤、锥坡和台前溜坡5个部分组成。地基根据现场土质钻孔柱状图分为7层，建模过程中为防止计算不收敛，以0.5 m为最小单元进行网格划分，对实测土层厚度稍作调整，如图1所示；桥台高4 m，长7 m，宽2 m；承台高1.5 m，长7 m，宽4 m；2根桩桩长均为16 m，桩径0.8 m；锥坡、溜坡坡率为1∶2，路堤延伸长度为31 m。

图2 路堤桥台模型尺寸Fig.2 Size of embankment abutment model

网格划分见图3。计算模型共计节点50 328个，单元47 265个，桩承桥台和液化层等重点监控的区域网格尺寸较小，其他非重点监控地区网格尺寸较大[14]。

图3 沿路堤纵向网格尺寸划分剖面Fig.3 Section along embankment longitudinal grid size

2.2 材料参数选取

桥台、填土与地基土的材料力学参数取值见表1[15]。计算模型地基土层为7层，各个土层由现场实际勘察N63.5动力触探值以及土层性质确定各个土层的容许地基承载力 ，从而得到地震波通过土层的剪切波速[18]，其中土层3为可液化土层。桩的弹性模量为28 GPa，泊松比为0.25，密度为

表1 材料参数Table 1 Material properties

2 500 kg/m3。

对桩、桥台和梁做出如下假设：1)上部结构为简支梁，地震过程中未发生塑性破坏、梁与桥台用滚动支座连接；2)桩和桥台均为弹性体，地震过程中未发生塑性破坏，桥台只承受上部结构的竖向荷载。

2.3 接触面与阻尼

计算模型采用无厚度Goodman接触面单元模拟桥台与土体之间以及桩土之间的接触面，接触面参数取值见表2[19]。临界阻尼比取5%，采用局部阻尼进行数值模拟。

表2 接触面参数Table 2 Interface properties

2.4 地震动输入

为保证地震动的基本特征并且缩短计算时间提高模型计算效率，动力计算截取唐山地震波地震动Arias强度的0.1%～95%，即选取唐山大地震地震波中的20 s为输入地震波。沙河桥宏观地震烈度为9级，对应峰值加速度为0.4g[20]，利用Seismo-Signal软件进行基线校正，唐山地震波的地震动傅里叶频谱集中在10 Hz内，所以取截断频率为10 Hz；校正之后的地震动加速度时程曲线如图4所示。

图4 截取地震波加速度时程Fig.4 Time history of seismic acceleration intercepted

2.5 数据采集点布置

模型整体数据采集点布置见图5，桥台与桩身每隔1 m布置一个数据采集点，桥台底部布置6个数据采集点，桩1和桩2编号随x方向增大，桩1和桩2顶端分别位于C1和C2点；地基数据采集点布置以桥台底部中心向下，液化土层每隔0.5 m，其余土层每隔1 m布置一个数据采集点；路堤数据采集点布置在路堤顶部中间，距桥台3 m内每隔0.5 m布置一个数据采集点，3～10 m每隔1 m布置一个数据采集点。本文规定水平位移为A1A2方向，侧向位移为B1A1方向。

图5 数据采集点布置图Fig.5 Layout of data acquisition points

2.6 计算过程

模型先进行静力计算，获得静力平衡时模型的初始应力与孔压，随后将位移场和速度场数值重新清零，设置自由场边界，从模型底部输入转换为应力时程的地震波，开启动力计算。

3 计算结果分析

3.1 模型合理性验证

图6为静力平衡时模型的孔隙水压力云图，模型孔隙水压力均匀分层分布，底部水压力为344.33 kPa。由于地下水位位于模型底部向上35 m处，故底部水压力的理论计算值为343 kPa，模拟值与理论值基本吻合，证明了计算模型的合理性。

图6 静力平衡时孔隙水压力云图Fig.6 Nephogram of pore water pressure in static equilibrium

图7和图8分别为桥台残余沉降云图和桥台基础数据采集点沉降时程曲线，桥台基础沉降随时间逐渐增大，靠近河心处桥台残余沉降大于路堤侧，沉降最大值为17.97 cm。可见桥台在地震过程中逐渐下沉且向河心倾斜。模拟值与现场实测震害桥台残余沉降基本一致，进一步证明了计算模型的合理性。

图7 桥台基础残余沉降云图Fig.7 Nephogram of residual settlement of abutment foundation

图8 桥台基础数据采集点沉降时程曲线Fig.8 Settlement time history curves of abutment foundation data acquisition point

3.2 桩长布置

为研究桩基和地基可液化土层相对位置对桩承桥台地震反应的影响，以沙河桥的数值计算模型为基础，通过改变桩长建立桩端分别位于可液化土层上、中、下3种情况进行对比分析，图9为不同桩长的布置图，其中，桩长16 m为沙河桥基准模型。

图9 桩长布置图Fig.9 Layout of pile length

3.3 计算结果分析

3.3.1 桩承桥台地震位移响应

桥台顶部与底部相对水平位移如图10所示，随着桩长增长，桥台相对水平位移从10.12 mm减小到0.67 mm。可见桥台顶部与底部的相对位移与桩长成反比，桥台水平倾斜的角度越来越小。

桥台基础数据采集点的残余沉降变化如图11所示，所有桩长情况下A2B2侧的残余沉降均大于A1B1侧，A1A2侧的残余沉降大于B1B2侧。可见桥台整体向A2点倾斜，随着桩长的增长，桥台倾斜角度从0.46°逐渐减小到0.40°。

由图10和图11可知，所有桩长情况下，液化场地桩承桥台的震害位移模式均为整体滑移前倾式，桥台震害位移示意图见图12。

图10 桥台顶部与底部相对水平位移Fig.10 Relative horizontal displacement of abutment top and bottom

图11 桥台基础数据采集点残余沉降Fig.11 Residual settlement of abutment foundation data acquisition point

图12 桥台震害位移模式Fig.12 Displacement mode of abutment seismic damage

路堤距离台背0 m处与桥台顶部残余水平位移对比如图13所示。桩长0 m时，桥台与路堤相对位移79.46 mm，远大于有桩的情况。可见桩的存在对桥台路堤体系的稳定作用明显。

图13 路堤与桥台残余水平位移Fig.13 Residual horizontal displacement of embankment and abutment

路堤顶部距台背0 m处与桥台的相对残余沉降如图14所示。随着桩长的增长，相对沉降差逐渐减小，最大沉降差为桩长0 m的31.48 mm，最小值则为桩长16 m的0.18 mm。可见桩长的增长对地基上部结构的稳定有重要作用。

图14 路堤与桥台顶部相对残余沉降Fig.14 Relative residual settlement between embankment and abutment top

地基顶部和桥台底部残余水平位移如图15所示。桩长5 m的残余水平位移和相对位移在所有桩长中均最大，分别为−198.73 mm和2.64 mm。可液化土层中的相对位移较大，桩端位于可液化层下方的相对位移较小，产生这种现象可能是因为桩端位于可液化层下方坚固土层时，能够对桩承桥台起到较好的稳定作用，避免桥台与地基产生较大相对位移。

图15 地基顶部与桥台底部残余水平位移Fig.15 Residual horizontal displacement of foundation top and abutment bottom

地基顶部与桥台底部残余沉降如图16所示。桥台底部沉降大于地基顶部，桥台对地基产生挤压效应。桩端位于可液化土层上方的残余沉降较大，其中桩长5 m时的残余沉降最大，为200.36 mm；桩端位于可液化土层下方时，地基顶部与桥台底部的相对沉降差较小，最小值为桩长9 m的1.25 mm。

图16 地基顶部与桥台底部残余沉降Fig.16 Residual settlement of foundation top and abutment bottom

3.3.2 桩身弯矩响应

不同桩长时，2根桩沿桩身分布的正弯矩包络图如图17所示。桩长小于等于8 m，即桩端位于可液化土层下界面上方时，2根桩的正弯矩最大值均出现在桩顶处；桩长大于8 m时，桩端位于可液化土层下界面下方，正弯矩最大值远大于在下界面上方，桩1的正弯矩最大值仍在桩顶处，桩2则出现在可液化土层与非液化层交界面处。负弯矩包络图与正弯矩规律类似。

图17 沿桩身分布的正弯矩包络图Fig.17 Envelope diagram of positive moment distribution along pile body

由正负弯矩包络图可知，桩端位于可液化土层下界面上方时，桩顶是桩基加固需要特别关注的部位；桩端位于可液化土层下界面下方时，桩顶处与可液化层非液化层交界面处均是桩基加固设计的关键部位。

3.3.3 可液化土层液化特征

本文采用超静孔压比描述液化[5]，超静孔压比首次达到1的状态称为初始液化。液化土层中竖向布置4个液化数据采集点a，b，c，d，分别距离地基顶部6.75，7.75，8.75和9.25 m。不同桩长情况下可液化土层中数据采集点的超静孔压比如图18～20所示。

图18 桩端位于可液化土层上方的超静孔压比Fig.18 Excess static pore pressure ratio when pile tip located above liquefiable soil layer

图19 桩端位于可液化土层中的超静孔压比Fig.19 Excess static pore pressure ratio when pile tip located in liquefiable soil layer

由图20可知，超静孔压比在动力计算初始迅速增大，随后波动变化；桩长越长，可液化土层中实际发生液化的土体越少，且发生初始液化的时刻随桩长增大有所延迟。桩端位于可液化土层下方时，桩的存在对减小液化震害影响明显：桩长小于等于8 m时，3个数据采集点附近土层发生液化，桩长大于8 m发生液化的土层逐渐减少，桩长16 m时仅d点在17.52 s时发生初始液化。

图20 桩端位于可液化土层下方的超静孔压比Fig.20 Excess static pore pressure ratio when pile tip located below liquefiable soil layer

图中标注时刻均为发生液化土层的峰值加速度时刻，通过对比发现可液化土层发生初始液化时刻即为土体的加速度峰值时刻。

4 结论

1)依托震害实例建立计算模型，通过对比静力平衡时模型底部的水压力、动力计算结束时桥台倾斜方向和沉降值，验证了模型的合理性。

2)所有桩长情况下桥台位移模式均为整体滑移前倾式，桥台向河心倾斜。桥台位移和倾斜角度随桩长的增长逐渐减小。

3)桩端位于可液化土层不同位置时的桩身弯矩变化规律不同。桩端位于可液化土层下界面上方时，弯矩最大值出现在桩顶处；位于下界面下方时，桩身弯矩最大值出现在可液化土层与非液化层交界面和桩顶处，且最大值远大于位于上方的情况。

4)桩端位于可液化土层不同位置时，可液化土层液化特征不同。桩端位于可液化土层下界面上方时，桩长的变化对于减弱土层液化影响较小，可液化土层接近完全液化；位于下界面下方时，桩长越长，可液化土层中实际发生液化的土体越少。土层初始液化时刻与加速度峰值时刻接近。

5)模拟结果适用于可液化土层位于地基中部双桩情况下的桩承桥台，群桩的地震响应并不明确。当桩底位置位于可液化土层下方时，桥台整体稳定性最好，但需要对可液化土层与非液化层交界面和桩顶位置进行抗震加固设计。