橋梁樁基礎抗震性能分析
1.我國橋梁樁基礎抗震效果現狀分析
當下,在調查我國地震烈度和樁基震害防范時發現,我國大部分橋梁的樁基礎性能較好,基本上都具備承受劇烈震動的能力。事實上,橋梁樁基礎抗震性能好壞取決于地基土體,以支撐橋身的地基土體為主。若土體堅固,則樁基礎抗震效果好;若土體受到沙化或液化等破壞,則樁基礎抗震效果也會相對降低。對于橋梁來講,樁基礎作為橋身唯一的支撐體系,如果樁基礎受到影響,那么勢必對橋梁上部結構帶來影響,甚至是嚴重的破壞。
通常情況下,土體對橋梁樁基礎的影響主要體現在以下幾種情況,分別是沉降、傾斜、滑動、斷裂等。當土層受到液化影響而發生震害時,需要及時采用以下應對措施進行處理,主要有加長橋梁樁基礎和加固橋梁樁基礎兩種方法,這樣才能使橋梁樁基礎透過液化土層,進入到深并且穩的土層,從而提高橋梁樁基礎的穩固性和安全性。其次,根據我國橋梁建筑結構來看,當地震發生時,民用建筑的樁基礎比工業建筑的抗震性能更強,這是因為民用建筑是以αh≤2. 5 的低樁承臺為基礎,同時還要將其周圍的填土打實,這一系列操作的根本目的是使樁基礎和上部體系成為一體,使樁基礎的整體負載力度得到提升,進而增強民用建筑的抗震能力[2]。目前,我國的橋梁建筑工程使用的樁基往往是αh>2. 5 的高樁承臺。兩者相比,高樁承臺的剛度要比低樁承臺的弱些,因此易發生土體塌落、地基斷裂的問題。
2.橋梁震害的幾種特定情況
目前,針對我國當下的橋梁樁基礎震害情況,總結出以下幾種橋梁震害的特定情況:
(1)砂層液化導致地基喪失承載能力,引發橋臺或橋墩下沉、移動、變形或偏轉等。由于橋梁樁基礎在經歷長期使用之后,周圍支撐橋梁主體的砂層受到各種因素的侵蝕和影響,出現不同程度的液化,進而逐步降低橋梁支撐地基的承載能力,嚴重時還會導致橋梁支撐地基喪失承載能力,產生沉降、滑動變形等。此外,橋臺橋身在使用之后也會發生滑動變形,其結果是橋梁上部結構會擠壓河心,使橋梁構件出現破損與墜落等問題。
(2)建筑在巖石上的混凝土或磚砌橋墩發生傾斜?,F階段,我國的橋梁樁基中存在用巖石上建混凝土、磚砌橋墩作為支撐地基的情況,在經過長時間的使用后,由于混凝土、磚砌橋墩處于自然裸露狀態,受到自然因素的影響會被風化形成粉塵,極易引發掉落等問題。
(3)橋梁上部體系與橋臺、橋墩錯位。對于橋梁來講,一旦發生上部體系與橋臺、橋墩存在錯位,就會導致橋臺橋墩承載力度降低,錨栓斷裂,嚴重時還會使橋身支撐處出現斷裂。
(4)拱橋底基為砂層,極易導致拱基出現不均勻沉陷,因拱橋橋身的特殊性,會使砂層為底基不堅固,使橋面出現起伏、拱圈拉裂。
3.橋梁樁基礎的垂直承載力和水平地震力的計算
(1)橋梁樁基礎的垂直承載力計算。長期以來,計算地震時樁的承載力都是一個復雜的問題。當地震發生時,地下土層的物理力學性質會發生變化,導致地基強度指標降低,地基變形增加。而地震災害對地基的影響程度主要取決于土層性質和地震級別,以及地震時間長短等。從橋梁樁基礎垂直承載力計算的來看,地震災害對打入巖層或硬層的支撐樁的影響較小,對于摩擦為主的樁影響較大。由于地震載荷屬于特殊載荷,參照我國《公路橋涵地基與基礎設計規范》,摩擦樁鉆/挖孔灌注樁單樁軸向受壓容許承載力[P]=1/2(ULTp+AδR)可以看出,在進行靜力計算時,樁的承載力的安全系數采用2。雖然地震時各個影響因素會使承載力降低,但從多年的實際情況來看,樁的承載力的安全系數采用2,也幾乎沒有使垂直承載力方面出現問題。
(2)橋梁樁基礎的水平地震力計算。在地震發生時,地震力屬于隨機載荷,這就增加了樁動力反應確定的復雜程度。參照我國《公路橋涵地基與基礎設計規范》,采用M法的基本假定條件計算樁基內力,現階段多采用近似的方法計算樁的水平地震力。準靜力法是當下常用的計算方法,它是把動力學問題進行簡化,利用靜力學方法進行計算。雖然這種方法應用比較廣泛,但存在一個弊端,就是忽視了慣性力和地基運動對樁的影響。在準靜力法中,樁基只受上部結構水平慣力,因此計算時是將樁基上部結構的水平慣力簡化為水平力和彎矩,從而得出樁頂的作用力。計算步驟與上述一樣,由于這種簡化的計算方法十分簡單便捷,因此橋梁工程被廣泛采用。 2.4液化地基中的樁基礎
倘若在液化地基中使用樁體穿透組織,并將其固定在穩定土層中,可以明顯提高橋梁樁基礎抗震性能。當埋土深度小于等于 2.5/a時,根據假設的條件可認為樁基礎的剛性大,通過計算發現樁基礎周圍的結構十分密實,結構組織上有層薄土層,這也可以起到一定的減震作用。當埋土深度大于5/a時,根據假設條件計算彈性樁基礎,液化土層視為無效土層,在地震作用下,從有效樁基到樁頂,力臂越大,樁基被破壞得越嚴重。