桥梁桩基震害特点及其破坏机理

桥梁桩基震害特点及其破坏机理

于涛

山东省昆仑路桥工程有限公司山东威海264500

摘要：一般情况下，桥梁桩基不会损坏，一旦遇到天然地震，桩基础或多或少的都会出现震害，只有掌握震害特点和破坏机理，才能采取有效的方法解决桥梁桩基震害问题。

关键词：桥梁；桩基；震害特点；破坏机理

1.发生地震时造成桥梁桩基震害的原因

桥梁桩基受到震撼的原因除了本身的质量问题之外，往往还会受到桩基础长度和直径、桥梁结构形式以、周围土质特点等相关因素的影响。深入的分析不难发现，桥梁桩基遭受震害机制相当复杂，在众多影响因素当中最为主要的因素就是桩基础过大变形，造成这种情况的主要原因是因为软土地基当中的土体发生液化。发生土体液化之后桩体往往会下沉，可能会造成桥面裂缝，情况较为严重的梁体和桥面直接毁坏。桥梁上部结构落梁，往往是因为墩体和桩基础都跟随土体发生了较大距离的位移而造成的。这种情况下，桩体的下沉或者侧向移动的距离不明显，但在桩体周围会密布许多呈环带状分布的宽度不等的裂缝。桩顶产生剪切断裂现象的主要原因是在进行设计时，没有能采取科学、有效的措施解决承台和桩基的连接部分的结构问题，从而导致下部结构承受了由上部结构传导而下的巨大惯性力的作用而造成的。

2.发生地震时造成的桥梁桩基震害特点

2.1非液化地基桩基

根据土体是否液化进行分析，可以加桥梁桩基震害划分为液化地基震害和非液化地基震害。因为非液化地基的稳定性较高，所以非液化地基上的桩基受到的震害相对较少。通常可以将非液化地基上的桩基震害分为四种：一，由上部结构传导而下的巨大惯性力引起的震害，惯性力震害一般是以拉、压、压剪等形式出现在承台和桩身的上部，以及桩头和承台的连接部位。二、由于桩基位于硬土和软土的分界面，容易受到巨大的剪力，造成弯矩而引起的破坏。通过常规计算也很难得出硬土和软土界面的具体受力数值，因此，要避免这种震害较为困难。三、地震中，位于软土地基上的桥梁桩基受到软土触变的影响，摩擦力大幅度下降，从而导致桩体竖向的承载大幅度降低，从而整体下沉。四、在地震的作用下，位于桩基附近的土坡、挡土墙，地面荷载等的土体稳定性大幅度降低，桩身测向机压力过大，从而导致变矩增大。

2.2液化地基桩基

2.2.1无侧向扩展

桥梁桩基位于土质液化无侧向扩展的地基上，发生地震时，通常会产生液化土下沉、基础周围冒沙或者冒水等现象，桥梁整体结构没有发生水平位移，从而产生土和桩基底部的承台脱空的现象。根据震害沉降情况可以分为两种现象，一，土体发生大面积不均沉陷现象，主要是由于液化土层厚度不均、桥梁荷载平面分布不均等造成的。二、在荷载和液化土层厚度分布均匀的情况下，一般只有桩顶、桩身、液化土界面等部分会受到震害，且桥梁不均沉降现象不明显。

2.2.2有侧向扩展

造成土质液化有侧向扩招的震害的桩基，通常是建造在海边或者河流的冲击的带上，这些位置一般情况下都会存在由粉土层和可液化沙自然形成的零度到五度的缓坡，桥梁建设在这些地段，发生侧向扩展的几率较高。发生地震的时候土壤液化速度加剧，抗剪强度大幅度降低，液化土质带动非液化部分沿着水流方向向水边滑动数米之远，整个滑动物体的宽度有几十米甚至到几百米之多。这个时候建设滑动带上的桥梁桩基，走到滑梯的冲击，很容易受到弯曲、剪切等不同程度的破坏。通常情况下，在发生地震时桥梁桩基受到破坏而产生弯矩现象较为严重的部分，除了土质液化而导致土层剧烈变化的位置之外，受到破坏最严重的就是桩顶。砖基础上的连接部分处理不好，嵌固失效现象极容易发生，桩基断裂使得桥梁桩基上部分结构产生的压力分布不均，容易造成不均沉降现象。特别是高墩桥梁较容易受到水平位移的影响，位于水中的桥墩发生弯矩较为严重，从而使岸上边桩的拉应力大幅度提升，会死的桥梁整体受到相对减轻的震害破坏。

3.发生地震时桥梁桩基的破坏机理

3.1地震受力

根据发生地震时桥梁桩基受到的荷载影响，可以将桥梁桩基受力类型分为两种。一，附加动应力主要是指桥梁桩基在结构、桩、土体三个部分的共同作用下所要承受的应力总和。附加静应力主要是指桩受到大范围的土质的侧向位移的影响从而产生了的侧向变形，这个过程当中桩所承受的应力总和。桥梁基础建设在土质不发生侧向位移的地基上，地震发生时就只需要承受振动附加动力，当桥梁桩基建设在会发生侧向位移的地基上，当地震发生时不仅要承受振动附加动力，同时还要承受侧向位移附加静应力。在发生地震的大部分情况之下，后者桩基受到的震害破坏比前者更甚。桩基在建设过程当中部分桩身都是埋藏在土层当中的，采用桩帽与桥梁上分进行连接，一旦发生地震，桩身的运动通常是和周围土质的运动保持协调的，这个时候桩身就容易发生不同程度的变形，从而产生了不同程度的附加动应力。

3.2破坏机制

发生地震时，桥梁桩基的受力情况会对桩的破坏机制产生影响，根据桥梁桩基受到震害程度的不同，可以将桩的破坏机制大致分为三种。一、桩基受到震动附加动应力的影响，受到不同程度的破坏。这种破坏机制较容易出现在地基土质软弱、地震震动较强、桩基质量较差等环境之下。地震发生时，桩受到的土体的反力相对较小，但是桩较为容易发生大幅度变形，从而产生了较多的附加动应力。二，桩基受到土体侧向位移附加静应力的影响，而受到不同程度的破坏。一般情况下，容易发生这种破坏机制的桥梁桩基通常是建设在岸边的。岸边土层相对软弱，一旦发生地震，土质产生大范围永久变形的几率较高。岸边往往有一定的坡度，水面与斜坡相互作用之下会产生静剪应力，特别是在发生地震时，土层的侧向位移都是与斜坡较低部分的方向保持一致的。三、桩基由于土体液化而陷落，承载能力大幅度降低，而受到不同程度的破坏。桥梁当中位于中间部分的桩基础的土质首先发生液化，单桩承载力大幅度降低从而陷入土层，这过程当中，液化土层被单装不断地测向挤出，导致了桩身不停的上下运动，这种情况通常称为单桩破坏。由于桥梁深基础底部和周围的土质发生液化，单桩承载力没有明显变化，但整个桩基础在不断下沉，稳定性大幅度降低。情况严重的可能出现倾斜现象。

4.结束语

在建筑行业当中基础占据重要地位，是建筑当中必不可少的组成部分。桥梁建筑的要求较高，因此在建设过程当中，桥梁基础通常采用深基础形式的桩基础。桩基础能有效地应对各种荷载情况，在不同的环境和复杂的地质条件下，具有较好的适应性和稳定性，能承载桥梁运行压力，且后期的差异沉降较小。综上所示，桥梁适用范围较广，不同的使用要求对桥梁桩基的稳定性要求也完全不同。无论在建造何种类型的桥梁，桥梁桩基抗震都是相当重要的。通过提高桥梁桩基的抗震程度不仅可以提高桥梁的运营安全，也可以提高桥梁的使用寿命，在为人们提供便利的同时，还能创造更多的经济效益。在进行桥梁设计时，充分考虑抗震因素。通过加深对可能影响桥梁桩基震害的破坏机理的研究，掌握土质液化、土体位移对桥梁桩基造成破坏的规矩，并采取有效的措施解决桥梁桩基震害问题。

参考文献：

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[2]王克海，李冲，李悦.中国公路桥梁抗震设计规范中存在的问题及改进建议[J].建筑科学与工程学报，2013，02：95-103.