強震區跨斷層橋梁樁基動力響應及避讓距離研究

馮忠居，關云輝，張 聰，孟瑩瑩，董蕓秀，2

(1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2. 隴東學院 土木工程學院，甘肅 慶陽745000)

0 引 言

由于場地制約，有些橋梁工程會位于近斷層、跨斷層處，在橋梁設計時，必須考慮近斷層地震動產生的上、下盤效應、滑沖效應和顯著豎向運動等對橋梁的影響[1-2]。目前基本是根據工程經驗來確定斷層的影響程度，這顯然不能很好地滿足安全、經濟的要求，故有必要對斷層這一特殊地質條件下的橋梁樁基抗震設計展開研究。

國內外學者針對地震波作用下橋梁樁基動力響應問題及樁基避讓距離進行了大量研究。馮忠居等[3-7]采用室內離心機試驗與數值仿真，分析了斷層-樁-土相互作用時橋梁樁基的距離效應與承載特性；蔡奇鵬等[8]用土工離心試驗，得出了正斷層錯動情況下，單樁、群樁在上盤一側的安全避讓距離分別為10、23.5 m的結論；劉闖等[9]、何靜斌等[10]、李雨潤等[11-12]用振動臺模型試驗，研究了不同類型地震動作用下樁基的樁身峰值加速度、樁身彎矩等動力響應特性，總結了樁-土-結構動力相互作用理論模型研究現狀；凌賢長等[13]、A.S. HOKMABADI等[14]、邢帆等[15]、李培振等[16-17]采用振動臺模型試驗和數值仿真，研究了地震動作用下樁-土-結構的工作特性及作用規律，得出砂土層起放大作用、黏土層產生阻尼效應的結論；張素珍等[18]采用MIDAS-GTS有限元軟件分析了地震動作用對樁基礎水平位移和彎矩的影響；鮑鵬等[19]利用時程分析法研究了剛性樁復合地基在地震動作用下結構內力分布規律；熊輝等[20]、武黎明等[21]建立了有限元簡化模型，分析了不同地震動作用下樁-土-結構的動力非線性時程響應規律。

上述研究多集中于強震作用下樁基非線性動力響應，而關于強震區近斷層場地條件下樁基礎動力響應的研究較少。筆者采用MIDAS/GTS有限元軟件，建立了樁-土-斷層相互作用模型，研究了在5010波、5002波、Kobe波和El-Centro波等4種地震波作用下，跨斷層橋梁樁基動力響應規律，分析了在地震動荷載作用下，不同避讓距離對樁基水平位移、彎矩的影響。研究結果可為類似工程的抗震設計提供依據。

1 工程背景

海文大橋(原鋪前大橋)跨越鋪前灣—東寨港海域，橋址區存在22條斷層，大橋走線共穿越3條斷層，其中F4斷層為非活動斷層。斷層與橋位關系及土層分布見圖1。橋址區設防烈度為Ⅷ度，50年超越概率10%的動峰值加速度為0.35g。該橋樁基礎建設環境國內外鮮有，樁基礎抗震問題十分突出。

圖1 斷層與橋位關系及土層分布(單位：m)

海文大橋的44#、45#墩分別在非活動斷層F4的下盤和上盤。承臺尺寸均為9.2 m × 9.2 m × 3.0 m，樁間距均為5.5 m。選取44-1#、45-4#樁開展研究，樁徑2 m、樁長76 m，嵌巖深度分別為12 m、10 m。

F4斷層隱伏于K11+688附近，走向352°，傾向南西，傾角70°，物探寬度約8 m，上下盤錯落約2 m，斷層處巖石碎裂，為斷裂破碎帶。44#和45#墩樁基避讓距離H取基巖面近斷層一側樁與斷層的水平最小距離，分別為28.5 m，25 m。

2 數值仿真

考慮土體材料具有明顯的非線性[17-19]，采用MIDAS/GTS軟件建立非線性模型，用勻質彈性材料制作樁基和承臺，用彈塑性模型描述樁基周圍的巖土體以反映其塑性變形，用摩爾-庫倫屈服準則進行非線性分析計算，用位移收斂和內力收斂進行檢驗判斷。

2.1 模型建立

模型尺寸：x、y、z軸方向分別為98、62、94 m。采用植入式梁實體單元模擬樁基；采用破碎帶模擬斷層，將地質條件簡化為斷層破碎帶出露地表。樁周附近土體和斷層破碎帶網格加密劃分，尺寸為1 m，外側土體網格尺寸按1→4 m漸變。樁土接觸界面采用MIDAS/GTS中的一般接觸，通過自動接觸的方式定義。法向、切向剛度比例系數采用基本設置值。44#、45#墩模型如圖2。

圖2 44#、45# 墩模型

2.2 參數選取

根據海文大橋橋址的地質勘察報告和相關規范，計算模型中材料的彈性模量E、泊松比υ、黏聚力c、內摩擦角φ、重度γ等參數，結果見表1。

表1 材料參數

2.3 邊界條件

1)選擇地震波，并進行地震波振型分析，得到有限元模型的特征周期和阻尼因子。筆者進行數值模擬時振型分析采用彈性邊界。

2)鑒于黏彈性邊界可以提供良好的模擬效果[18-21]，因此，采用R. L. KUHLEMEYER等[22]提出的黏彈性人工邊界(即在土體外邊界添加曲面阻尼彈簧)進行地震動時程分析。

2.4 地震波選取

選取中國地球物理研究所針對海文大橋人工合成的5010波、5002波，以及典型的阪神地震Kobe波、El-Centro波共4種地震波，用軟件SeismoSigal進行濾波和基線校正處理，地震動峰值加速度按比例縮放限制在0.35g左右。經過處理后的地震波如圖3。

圖3 地震動加速度時程曲線

3 不同類型地震動作用下樁基礎的動力響應特性

3.1 加速度響應

3.1.1 峰值加速度響應

峰值加速度放大系數α可反映巖土層性質及不同高程樁身峰值加速度的放大效應，按式(1)計算：

(1)

式中：apeak為樁身峰值加速度，m/s2；a′peak為輸入地震波峰值加速度，m/s2，a′peak=0.35g。

因此，在4種地震波作用下，上、下盤樁的樁身峰值加速度變化規律如圖4，樁頂峰值加速度放大系數如圖5。

圖4 樁身峰值加速度變化規律

圖5 44-1#、45-4#樁的樁頂峰值加速度放大系數

從圖4、圖5可以看出：

1)在4種不同類型地震動作用下，樁身峰值加速度變化規律相似，均在樁頂或土層分界面發生較大變化。在El-Centro波作用時，樁頂峰值加速度最大；在Kobe波作用時，軟硬土層分界面的峰值加速度最大；樁底峰值加速度與輸入地震動峰值加速度基本相同；樁底到基巖面處樁身峰值加速度基本沒有被放大或縮小，說明基巖對樁身峰值加速度的影響較小。

2)覆蓋層土體對樁身峰值加速度具有一定的放大作用(α>1)。4種地震波中，El-Centro波作用下，樁身峰值加速度放大幅度最大，放大系數為1.76，表明相同土層對不同地震波峰值加速度的放大效果并不完全相同，且樁基礎所處地質條件不同對地震波作用下樁身峰值加速度變化規律影響顯著；斷層導致上、下盤樁的樁頂峰值加速度放大系數差異顯著，兩者的放大系數差值在0 ～ 0.36范圍內。

3.1.2 加速度時程響應

由于輸入地震動50 s后樁基加速度基本為0，故筆者選取0 ～ 50 s范圍內樁頂、樁底加速度時程響應進行分析，如圖6、圖7。

圖6 44-1#(下盤)樁的樁頂、樁底加速度時程曲線

1)以圖7(a)為例，樁頂、樁底加速度分別在50、25 s后趨于穩定，峰值分別為5.70、3.82 m/s2，樁底加速度時程響應的頻率和振幅與輸入地震波的接近，而樁頂加速度時程響應頻率較低、振幅較大。說明基巖對地震波的響應速率快，對輸入地震波幾乎沒有影響；而覆蓋層對地震波的“濾波”作用較為明顯，將地震波中的高頻成分進行一定的消除，使得樁頂對地震波高頻成分的響應程度及敏感度降低。

圖7 45-4#(上盤)樁的樁頂、樁底加速度時程曲線

2)同一類型地震波作用下，斷層上、下盤樁的樁頂、樁底加速度時程響應波形規律相似，但由于斷層的存在，上盤樁的樁頂加速度達到峰值的時刻滯后于下盤的。

3.2 樁頂水平位移響應

斷層上、下盤樁的樁頂水平位移Spt時程響應如圖8，樁頂水平位移峰值Speak, pt變化規律如圖9。

圖8 45-1#、45-4#樁的樁頂水平位移時程曲線

圖9 45-1#、45-4#樁的樁頂水平位移峰值

從圖8、圖9可以看出：

1)樁頂達到水平位移峰值的時刻與輸入地震波類型有關。以圖8(a)下盤44-1#樁為例，在5010波、5002波、Kobe波、El-Centro波作用下，樁頂分別在7.16、45.68、10.52和9.42 s達到振幅最大值。

2)在同一類型地震波作用下，上、下盤樁的樁頂水平位移時程響應規律相似。由于斷層的存在，上、下盤樁基礎兩側土層性質有所不同，導致產生的樁頂永久位移大小各不相同。在4種地震波作用下，斷層上盤樁的永久位移明顯大于下盤的，具有顯著的“上盤效應”。

3)樁頂水平位移峰值在不同類型地震波作用下相差較大。以圖8(b)上盤45-4#樁為例，樁頂水平位移峰值在5002波作用下最大，在Kobe波作用下最小，二者相差0.42 m。

3.3 樁身彎矩響應

在4種類型地震波作用下，樁身彎矩峰值Mpeak變化規律如圖10，樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max變化規律如圖11。根據海文大橋44#、45#墩樁基配筋情況，通過通JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算得到樁身抗彎承載力為M=27.15 MN·m。

圖10 樁身彎矩峰值變化規律

圖11 樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max

從圖10、圖11可以看出：

1)沿樁長方向，上、下盤樁的樁身彎矩峰值Mpeak變化規律基本相同，均是先增大后減小，并且上、下盤樁的樁身彎矩均在土層分界面及基巖面處出現最大值。分析原因是：在巖土體交界面，巖土體的軟硬程度變化較大，導致樁身產生較大彎矩。

2)在4種地震波作用下，上、下盤樁的樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max各不相同，但均未超過樁身截面抗彎承載力27.15 MN·m，因此，上、下盤樁基抗彎設計均滿足要求。由于在Kobe波作用下，樁身彎矩峰值響應最大，因此筆者建議：在橋梁樁基礎抗震設計時，應重點考慮Kobe波對樁基的影響，以確保樁基礎具有足夠的抗震能力。

4 樁基避讓距離對樁基礎力學變形特性影響

筆者以受地震影響較明顯的斷層上盤45-2#樁為研究對象，來分析5010地震波對樁基礎力學變形特性的影響。

4.1 樁基水平位移響應

以45-2#樁為例，不同樁基避讓距離H的樁身水平位移峰值Speak及樁頂水平位移峰值Speak,top變化規律如圖12。

圖12 45-2# 樁的水平位移峰值變化規律

由圖12可見：

1)45-2#樁的樁身水平位移峰值Speak沿樁長方向逐漸減小。在上部軟弱覆蓋層內，Speak變化明顯；嵌入基巖內之后，Speak接近于0；在樁頂處，Speak達到峰值最大值。

2)隨著H的增大，樁頂水平位移峰值Speak,top以曲線形式減小。當H=0～20 m時，Speak,top減小幅度較大；當H>20 m時，Speak,top趨于穩定。

4.2 樁身彎矩響應

不同樁基避讓距離H，45-2#樁的樁身彎矩峰值Mpeak及樁身彎矩峰值最大值Mpeak, max變化規律如圖13。

圖13 45-2#樁的樁身彎矩峰值及樁身彎矩峰值最大值變化規律

由圖13(a)可見，45-2#樁的樁身彎矩峰值Mpeak沿樁長l方向整體呈“3”字形，Mpeak在上部軟硬覆蓋層交界處和基巖面處較大；隨著樁基避讓距離H的增大，樁身彎矩峰值最大值Mpeak,max呈反比例減??；當H> 20 m時，Mpeak,max< 27.15 MN·m，并逐漸趨于穩定。

5 結 論

1)覆蓋層土體對樁身地震動峰值加速度具有放大作用，并且覆蓋層對地震波的“濾波”作用較為明顯。樁頂峰值加速度響應滯后于樁底的。

2)由于斷層兩側樁周土體以及嵌巖深度的差異，上盤樁基樁身峰值加速度、永久位移、樁身彎矩峰值均大于下盤的，具有顯著的“上盤效應”。建議：在設計地震動作用下橋梁樁基的承載力時，應考慮斷層上、下盤的樁基承載特性的差異。

3)斷層處，上、下盤樁的彎矩峰值均在上部土層界面處達到最大值。建議：在橋梁樁基抗震設計時，應重點考慮軟硬巖土體交界面的抗彎能力設計，確保樁基具有足夠的抗震能力。

4)El-Centro波作用時，樁頂峰值加速度及加速度放大系數較大；5002波作用時，樁頂水平位移峰值較大；Kobe波作用時，樁身彎矩峰值較大。建議：在橋梁樁基礎抗震設計時，應著重考慮不同地震波對樁基的影響。

5)推薦強震區跨斷層橋梁樁基的安全避讓距離為20 m(10D)。