劉 江
(連山壯族瑤族自治縣公路事務(wù)中心,廣東 清遠(yuǎn) 513200)
我國地域遼闊,屬亞洲板塊,位處太平洋板塊邊緣地帶,歷年來地震頻發(fā),因地震造成的結(jié)構(gòu)物毀壞數(shù)不勝數(shù)。面對地震災(zāi)害,如何提高結(jié)構(gòu)物抗震能力、減輕震害的受損程度,切實(shí)保障人民群眾生命財產(chǎn)安全,筆者認(rèn)為將結(jié)構(gòu)物抗震列入一個專門的課題來研究具有非凡的意義。據(jù)分析,受震害影響往往是由于地基土液化,在地震波驅(qū)動下產(chǎn)生縱向或橫向運(yùn)動,使結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)產(chǎn)生位移、傾覆、折斷,使建于其上部結(jié)構(gòu)受力失衡,導(dǎo)致整座結(jié)構(gòu)物解體、垮塌、斷裂??梢姡龊没A(chǔ)工程的抗震措施對提高結(jié)構(gòu)物抗震能力非常重要。
地震是地殼板塊運(yùn)動的體現(xiàn),災(zāi)害發(fā)生時主要以地震縱波和橫波的方式釋放能量。在地震波巨大能量的驅(qū)動下地基土產(chǎn)生運(yùn)動,對結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)產(chǎn)生水平位移和豎向位移,甚至由于土體的剪力下基礎(chǔ)發(fā)生斷裂、傾斜等震害。
地基土的液化集中體現(xiàn)在砂土類土質(zhì)的液化,由于砂土類土質(zhì)塑性指數(shù)一般低于3。塑性指數(shù)越小,說明土的顆粒越粗,可塑的范圍越小,在外力的作用下砂土類地基土迅速發(fā)生液化現(xiàn)象,建于其內(nèi)的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)隨之發(fā)生流動性的運(yùn)動,對擴(kuò)大基礎(chǔ)而言將發(fā)生震沉或水平位移,對樁基礎(chǔ)而言在地基土水平剪力的作用下容易發(fā)生傾斜甚至折斷,進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)物的上部結(jié)構(gòu),擴(kuò)大地震的損壞程度。
我國的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,一般而言,在豎直方向、密度較低的土層往往置于密度較高的土層之上,在褶皺巖層里土層甚至存在密度高低交錯現(xiàn)象;在水平方向的相臨區(qū)域,存在密度差異的土質(zhì)更是多不勝數(shù)。在地震作用下,在相臨區(qū)域高密度土類一旦發(fā)生水平和豎向位移,運(yùn)動的方向只能向低密度土類(如淤泥質(zhì)等軟弱土體)進(jìn)行,土體受擠壓產(chǎn)生變形,那么建于高密度土類上基礎(chǔ)發(fā)生震沉,而相反的,建于低密度土類上的基礎(chǔ)發(fā)生豎向上升。對于跨越兩種或兩種以上不同密度地基土的結(jié)構(gòu)物,如大型橋梁,那么隨著基礎(chǔ)的上升或下沉、位移等震害,橋梁上部的梁體結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生錯臺、搓擠現(xiàn)象,最終導(dǎo)致梁體垮塌、折斷、拱起等震害。
地基土尤其是砂土類土層在震沉過程中發(fā)生液化,極大地擠壓了地下水的空間,地下水壓瞬間增大只得向上反滲,從而加速了砂土類土層的液化進(jìn)程,在地下水的作用下,塑限指數(shù)較低的砂土類地基土整體性面臨崩潰,地基土失穩(wěn),進(jìn)一步危及建于地基土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ),在巨大的土層剪力下基礎(chǔ)容易發(fā)生平移、沉陷、傾斜、開裂、折斷等震害,最終影響整座結(jié)構(gòu)物的安全性能。
在地震短時間釋放巨大能量的過程中,上邊坡發(fā)生坍塌、泥石流等震害,對道路、橋梁、樓房產(chǎn)生的沖擊往往也是毀滅性的,其中包括上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),在土體的橫向推力作用下,上部結(jié)構(gòu)垮塌、開裂、變形、傾覆,擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體被推移、開裂、傾斜。樁基礎(chǔ)承臺、系梁的混凝土接口受力薄弱處斷裂等機(jī)械性損傷。
地質(zhì)水文勘察是后續(xù)設(shè)計方案決策的重要依據(jù)。在開展地質(zhì)鉆探的同時進(jìn)一步對土質(zhì)進(jìn)行必要的試驗(yàn),土質(zhì)試驗(yàn)的項(xiàng)目有天然含水率、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、塑限、液限,土質(zhì)變化較大時開展相對密度、顆粒分析、易溶鹽含量、有機(jī)質(zhì)含量、凍脹量、膨脹量等試驗(yàn)。
現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計規(guī)范有很多,包括公路工程、鐵路工程、公路隧道工程、水利水電工程、城市橋梁工程、建筑工程等建設(shè)領(lǐng)域。在設(shè)計滿足抗震要求的同時結(jié)合地質(zhì)水文條件,對地質(zhì)穩(wěn)定風(fēng)險較大的區(qū)域優(yōu)先采用合理規(guī)避的措施,確實(shí)無法避免,設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)采用樁基礎(chǔ)或沉井基礎(chǔ)等深層基礎(chǔ),基礎(chǔ)周圍區(qū)域采取加固土體等抗震措施,全面提高基礎(chǔ)周圍土體的整體抗震能力[1]。
1)改善土的物理力學(xué)性質(zhì)。對于軟土地基的處理,一是采取墊層和淺層處理,使用碎石、砂礫、石屑、礦渣、粉煤灰、拋石等穩(wěn)定材料按照施工規(guī)定進(jìn)行換填;二是采用粒料樁、粉噴樁、漿噴樁、水泥粉煤灰碎石樁等加固土體;三是采用化學(xué)加固法,如堿液加固法、電化學(xué)法、化學(xué)錨栓化等方法,改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)。不建議使用豎向排水體、真空預(yù)壓、地基隔離墻、強(qiáng)夯等,以排水、隔水優(yōu)先,不以固結(jié)土體為目的方式。在地震災(zāi)害面前此類方法由于土體的運(yùn)動,整個地基連同基礎(chǔ)很容易瞬間瓦解。
2)采用深層基礎(chǔ)。所謂深層基礎(chǔ)包括樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ),深層基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是直接穿透軟弱土層,利用土體與樁身的摩擦力或堅實(shí)巖層提供的端承力,直接支承上部結(jié)構(gòu)的荷載。若非遭遇巨大的土體運(yùn)動產(chǎn)生的水平剪力造成樁身折斷,此外足以應(yīng)對地震的縱波震害。
3)減輕荷載、加大基礎(chǔ)底面積。通過減輕結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量或者加大基礎(chǔ)底面積,減小單位水平面積的壓強(qiáng),在提高結(jié)構(gòu)物抗震穩(wěn)定性能方面有一定程度的促進(jìn)作用。減輕荷載,上部結(jié)構(gòu)可以通過使用空心預(yù)制梁板,下部結(jié)構(gòu)采用沉井深層基礎(chǔ),對于擴(kuò)大基礎(chǔ)和加大基礎(chǔ)底面積,減小單位水平面積的壓強(qiáng),保障地基土能夠提供富余的承載能力,減輕地震的震害影響,從而提高結(jié)構(gòu)物的抗震能力。
4)增大基礎(chǔ)埋置深度。在抗震區(qū)域,除巖石地基外,天然地基上的箱形和筏形基礎(chǔ)的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15;高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形、穩(wěn)定性和抗震設(shè)計要求。擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁筏、樁箱基礎(chǔ)的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18,位于巖石地基上的高層建筑,其基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)滿足抗滑、抗震的穩(wěn)定性要求。
基礎(chǔ)必須埋置在地下水位以下時,應(yīng)采取地基土在施工時不受擾動的措施[2]。當(dāng)基礎(chǔ)埋置在易風(fēng)化的巖層上,施工時應(yīng)在基坑開挖后立即鋪筑墊層。當(dāng)存在相鄰建筑物時,新建建筑物的基礎(chǔ)埋置深度不宜大于原有建筑基礎(chǔ)。當(dāng)埋置大于原有建筑基礎(chǔ)時,兩基礎(chǔ)間應(yīng)保持一定凈距,其數(shù)值應(yīng)根據(jù)原有建筑荷載大小、基礎(chǔ)形式和土質(zhì)情況確定。
基礎(chǔ)本身要提高抗震性能,一是在施工前做好地基承載力的檢測,確保地基有富余的承載能力,地基土能提供足夠的承載能力,地基土本身即有一定的抗震能力,才能保證建于其上的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)處于穩(wěn)定的狀態(tài);二是保證基礎(chǔ)本身的混凝土強(qiáng)度,只要地基土能提供足夠的承載力,周邊土體穩(wěn)定,面對地震災(zāi)害基礎(chǔ)才能不發(fā)生斷裂、解體等震害;三是提高土體運(yùn)動最高剪力部位的配筋密度,比如豎向不同密度土層的分界部位、沖刷線部位、混凝土連結(jié)部位等,提高地震發(fā)生時最高剪力部位的配筋密度,可以有效抵抗最不利受力,從而達(dá)到最大程度的保障作用。
地震災(zāi)害防御是地震發(fā)生前應(yīng)做的防御性工作,對各種結(jié)構(gòu)物進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)防,在設(shè)計前期充分做好地質(zhì)水文勘察工作,全面掌握工程地質(zhì)資料,適當(dāng)跨越軟弱地基、采用高抭震的基礎(chǔ)或通過加固、提高地基的承載穩(wěn)定能力,使其在破壞性地震中不損壞、不倒塌,這也是避免人員傷亡的關(guān)鍵,對人類防范地震災(zāi)害起到積極的作用。
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