曹岳嵩， 蘇振宇

(1.湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410018； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

由于樁基礎(chǔ)能夠較好地適應(yīng)各種地質(zhì)情況，以其施工方便、承載能力大、穩(wěn)定性好、沉降小等特點而被廣泛運用于橋梁結(jié)構(gòu)中。特別是在中國，幾乎所有的深基礎(chǔ)都采用樁基礎(chǔ)。對于靜力設(shè)計而言，當(dāng)軟弱覆蓋層較厚時，樁基礎(chǔ)是一種良好的選擇，但是樁基礎(chǔ)承受橫向荷載能力較弱，在船撞、地震等橫向荷載的作用下比較容易受到破壞，特別是當(dāng)?shù)卣鹪斐蓤龅匾夯a(chǎn)生地面大變形時，樁基礎(chǔ)表現(xiàn)得尤為脆弱。在1964年的新瀉地震、美國阿拉斯加地震、1995年的日本阪神地震中產(chǎn)生了大量的樁基礎(chǔ)破壞現(xiàn)象。日、美等國對液化場地中的樁土相互作用做了大量研究，并在各自的設(shè)計規(guī)范中有所體現(xiàn)。因設(shè)計規(guī)范對樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計有著重要的指導(dǎo)作用，所以比較分析各國規(guī)范關(guān)于液化場地中樁土相互作用計算的規(guī)定及優(yōu)點和不足，對于提高我國的樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計水平有十分重要的意義。

從定性上理解，液化對樁土相互作用最明顯的影響有3點： ① 改變場地的地震動;② 導(dǎo)致地基承載力下降； ③ 改變慣性相互作用力并產(chǎn)生較大的幾何相互作用力。本文首先列舉并比較中國、日本、美國規(guī)范關(guān)于液化場地中樁土相互作用計算的規(guī)定，然后利用已有試驗現(xiàn)象和有限元分析結(jié)果揭示液化場地中樁土相互作用的詳細(xì)機(jī)理，最后把各國規(guī)范的規(guī)定與樁土相互作用的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行比較，評價各國規(guī)范的合理性。

1 各國規(guī)范比較

日本、美國是地震多發(fā)國，在過去幾次大地震中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的砂土液化現(xiàn)象，大量樁基礎(chǔ)由于砂土液化而受到破壞，這促使日、美兩國積極研究液化場地中樁基礎(chǔ)破壞的機(jī)理并制定相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范。目前，日、美兩國規(guī)范被普遍認(rèn)為是世界上較為領(lǐng)先的規(guī)范，為了與中國規(guī)范進(jìn)行比較分析，在本節(jié)中列出并比較了日本JRA規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國規(guī)范中關(guān)于液化場地中樁基礎(chǔ)設(shè)計計算方面的規(guī)定。

1.1 日本規(guī)范(JRA-2012)

在日本規(guī)范(JRA-2012)中規(guī)定：在液化場地中，上部結(jié)構(gòu)的慣性相互作用和土層的幾何相互作用可以分開來分析，也就是說慣性相互作用和幾何相互作用的最不利情況不出現(xiàn)在同一時刻。

上部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的慣性相互作用分析可分為2種情況： ① 分析場地不出現(xiàn)液化時的慣性相互作用力；② 分析場地出現(xiàn)預(yù)期液化程度時的慣性相互作用力。

以上2種情況中，慣性力的計算都是利用土層不液化時結(jié)構(gòu)的周期計算得到。在第2種情況中，即發(fā)生液化的情況下進(jìn)行樁基礎(chǔ)受力計算時，土層抗力(如p-y曲線極限強(qiáng)度)和樁身豎向摩阻力都要乘以一個折減系數(shù)(DE)，以反映液化對土體承載力的削弱。

DE是一個與地震振動強(qiáng)度大小、液化抵抗系數(shù)FL、砂土相對密實度(由動力抗剪強(qiáng)度比R表示)、樁身深度有關(guān)的系數(shù)，具體數(shù)值見表1。

表1 JRA規(guī)范中關(guān)于液化土層土體參數(shù)的折減系數(shù)DE值FL樁身深度x/m動力抗剪強(qiáng)度比RR≤0.3R>0.3地振動水平1地振動水平2地振動水平1地振動水平2(0,1/3][0,10]1/601/31/6(10,20]2/31/32/31/3(1/3,2/3](0,10]2/31/312/3(10,20]12/312/3(2/3,1](0,10]12/311(10,20]1111

在計算土層的幾何相互作用時，JRA規(guī)范采用的方法是在非液化層和液化層都對樁身施加一定的分布壓力(見圖1)。非液化層施加的分布壓力為被動土壓力，當(dāng)樁基礎(chǔ)所在位置與水邊碼頭以及濱水地區(qū)邊緣距離>50 m而<100 m時，此水平壓力折減50%，>100 m后不再考慮折減。液化層的分布水平壓力取上覆土壓力的30%，同時與非液化層分布壓力折減同樣考慮。當(dāng)不考慮折減時，液化層中的壓力可以表示為式(1)。

圖1 JRA規(guī)范中幾何相互作用的計算圖示

p=0.3σvb

(1)

式中：p為液化層土壓力；σv為上覆土層導(dǎo)致的總應(yīng)力；b為樁直徑。

1.2 美國規(guī)范(AASHTO—2017)

美國(AASHTO — 2017)規(guī)范規(guī)定，對于SDC、D級橋梁應(yīng)該進(jìn)行液化評估和計算。經(jīng)過評估，如果液化可能發(fā)生，那么橋梁基礎(chǔ)就應(yīng)該采用深基礎(chǔ)或者采取合理措施減輕場地液化。在液化可能產(chǎn)生地面大變形的場地中，應(yīng)該采用大直徑樁基礎(chǔ)取代傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)，以減少液化流動對樁身作用力。如果液化發(fā)生，那么樁基礎(chǔ)應(yīng)該進(jìn)行以下兩種情況的分析。

1) 非液化情況。樁基礎(chǔ)應(yīng)該進(jìn)行不考慮場地液化的地震分析和抗震設(shè)計，此時應(yīng)該使用不考慮液化的場地地震動作為地震輸入。

2) 液化情況。此時考慮液化對于p-y曲線或地基系數(shù)的折減，以反映液化對地基承載力的影響，此時的地震動輸入同非液化情況;但利用有效應(yīng)力分析程序得到地震動輸入時，應(yīng)該采用有效應(yīng)力程序的計算結(jié)果，即采用考慮液化影響后的地震動輸入，而此時的地震動不應(yīng)小于不考慮液化的地震動的2/3。

AASHTO還允許樁身出現(xiàn)塑性鉸，但此時工程師應(yīng)該對塑性鉸出現(xiàn)的位置進(jìn)行合理判斷并對塑性鉸進(jìn)行合理設(shè)計。

1.3 中國規(guī)范[《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)]

在中國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)中，大部分是關(guān)于液化判別和減輕液化措施的規(guī)定，在第4.3.9條中關(guān)于液化場地中樁基礎(chǔ)的受力計算有如下規(guī)定：當(dāng)?shù)鼗鶅?nèi)有液化土層時，液化土層的承載力(包括樁側(cè)摩阻力)、土抗力(地基系數(shù))、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等，可根據(jù)液化抵抗系數(shù)Ce予以折減。折減系數(shù)α應(yīng)按表2采用。液化土層以下地基承載力的提高系數(shù)，應(yīng)符合本細(xì)則第4.2節(jié)的規(guī)定，即液化土層以上地基承載力不宜提高。在計算液化土層以下地基承載力時，應(yīng)考慮其重力。

(2)

式中：Ce為液化抵抗系數(shù)；N1、Ncr分別為實際標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。

表2 折減系數(shù)α取值表CeDs/ mα(0,0.6](0,10]0(10,20]1/3(0.6,0.8](0,10]1/3(10,20]2/3(0.8,1.0](0,10]2/3(10,20]1

日本規(guī)范實際上是按照液化的全過程來考慮樁基礎(chǔ)受力，在震動初始階段，砂土來不及液化，這時樁基礎(chǔ)受力和非液化場地一樣，只考慮慣性相互作用力；隨著震動繼續(xù)，砂土開始液化，此時地面變形還較小，土層的幾何相互作用力不大，因此不考慮幾何相互作用力，只考慮慣性相互作用力，但液化層土體抗力折減；當(dāng)震動結(jié)束后，慣性相互作用力為零，此時地面變形大，需考慮土體的幾何相互作用力。在此，分別稱這3個階段為階段1、階段2、階段3。

美國規(guī)范實際上考慮了日本規(guī)范的第1、2階段，只是在第2階段的慣性力計算時，規(guī)定當(dāng)擁有有效應(yīng)力程序計算得到的場地地震動時，應(yīng)該采用有效應(yīng)力程序計算的計算結(jié)果。

中國規(guī)范實際上只對應(yīng)了日本規(guī)范的第2階段。

各國規(guī)范的實施對于廣大設(shè)計人員是簡單易行的，但這些規(guī)定能否反映液化場地中樁土相互作用的詳細(xì)機(jī)理，以下將通過前人研究成果和實際橋梁樁基礎(chǔ)有限元分析結(jié)果，對各國規(guī)范的合理性進(jìn)一步深入分析。

2 樁土相互作用詳細(xì)機(jī)理

為了研究液化場地中樁土相互作用機(jī)理，各國進(jìn)行了大量的實驗研究和數(shù)值分析，Tokimatsu等[1]發(fā)現(xiàn)液化使得周期小于1 s范圍內(nèi)的地震動加速度明顯削弱，上部結(jié)構(gòu)的慣性力減小，但同時地面大變形導(dǎo)致的幾何相互作用力使得樁身產(chǎn)生破壞。Tamura等發(fā)現(xiàn)，在場地沒有液化時，土層作用力主要是由上部結(jié)構(gòu)慣性力導(dǎo)致，且與慣性力方向總是相反；而場地液化后，土層作用力主要是由土層變形導(dǎo)致，且與慣性力方向總是相同。Suzuki[2]發(fā)現(xiàn)，液化前，土層作用力與慣性力方向相反；液化后可能一致,也有可能相反，這主要取決于樁身剛度，樁身剛度較小的可能相反，樁身剛度較大的可能相同。Brandenburg等[3]通過對離心機(jī)試驗中承臺和黏土層的荷載傳遞規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，在液化場地中，黏土層與承臺的荷載位移曲線比非液化場地中的荷載位移曲線要軟一個數(shù)量級左右。此外，土層對承臺的極限作用力可以利用傳統(tǒng)的土壓力理論進(jìn)行計算。

以上研究成果表明，液化首先改變了場地地震動輸入，其次改變了慣性相互作用力并產(chǎn)生較大幾何相互作用力，幾何相互作用力與慣性相互作用力在某些情況下是疊加的。

為了定量地揭示液化場地中樁土相互作用機(jī)理，本文利用有限元程序Opensees，以某橋梁樁基礎(chǔ)為模型，對液化場地中的樁土相互作用進(jìn)行了模擬。

本文采用的模型如圖2a所示，為平面模型。其中地層由3層土組成，最底下為密砂層，相對密實度Dr=75%，高25 m，不易液化；中間層為松砂層，相對密實度Dr=30%，高10 m，較易液化；頂層為黏土層，土的不排水抗剪強(qiáng)度為15 kPa，高10 m。為了反映液化導(dǎo)致的地面大變形，最上層土表面與水平面夾角為3°。土體采用流固耦合的u-p單元模擬，關(guān)于此類單元的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[4]～[7]。柱基礎(chǔ)、承臺以及上部結(jié)構(gòu)都采用梁單元模擬，上部結(jié)構(gòu)重3 000 t，承臺重325 t，樁基礎(chǔ)直徑為1.5 m。樁基礎(chǔ)與土體之間用彈簧連接，此類彈簧可以自動考慮液化對強(qiáng)度和剛度的折減，關(guān)于此類彈簧的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[7]。圖2為有限元計算模型及地震動數(shù)據(jù)，采用的地震動時程以及地震動加速度反應(yīng)譜見圖2b、圖2c所示。

2.1 土體反應(yīng)

為了全面比較液化對樁土系統(tǒng)的影響，專門比較了土體和樁身在液化場地和非液化場地中的反應(yīng)。

比較了考慮液化和不考慮液化2種情況土層頂位移、土層頂加速度時程以及加速度反應(yīng)譜，如圖3所示。

從圖3a可以看出，3層土情況中，考慮液化后，土層頂瞬時位移和殘余位移明顯變大；圖3b表明，土體的加速度時程有較大削弱;圖3c表明，在短周期內(nèi)，土體的加速度有明顯削弱，當(dāng)周期大于一定值時，液化還有可能使加速度變大。

圖2 有限元計算模型及地震動數(shù)據(jù)

圖3 液化與非液化土體反應(yīng)比較

2.2 結(jié)構(gòu)反應(yīng)

首先比較了液化與非液化兩種情況的上部結(jié)構(gòu)的加速度時程、加速度反應(yīng)譜和樁身彎矩最大值，如圖4所示。

從圖4a可以看出，3層土情況中，考慮液化后的上部結(jié)構(gòu)加速度有一定削弱，這主要是由于液

化后樁基礎(chǔ)周期變大以及場地地震動差異導(dǎo)致，從圖4b可以清楚地看到這一現(xiàn)象；從圖4c可以看出，考慮液化后樁身彎矩增大顯著，樁身彎矩分布有較大改變，液化層底出現(xiàn)較大彎矩。

液化和非液化的另一個很大區(qū)別是慣性相互作用力和土層相互作用力的相對方向。在非液化場地中，由于場地變形較小，樁身變形較大，形成“樁推土”，使得土層作用力與上部結(jié)構(gòu)的慣性作用方向相反(見圖5a)。但在液化場地中，由于上部非液化土層的變形比樁身變形大，形成“土推樁”，使得土層作用力與上部結(jié)構(gòu)的慣性作用方向相同(見圖5b)，兩者疊加使得樁身受力更為不利(見圖5c)。

圖4 液化與非液化結(jié)構(gòu)反應(yīng)比較

圖5 液化對慣性相互作用力和土層相互作用力相對方向的影響

通過以上分析可以看出，液化使得土體加速度在短周期內(nèi)明顯削弱，在長周期內(nèi)甚至有可能增大；對于結(jié)構(gòu)來說，液化使得上部結(jié)構(gòu)加速度減小，樁身彎矩分布改變，在液化層底產(chǎn)生較大彎矩，液化使得慣性相互作用與幾何相互作用相對方向發(fā)生改變，由反向變?yōu)橥?。這一分析結(jié)果與以往試驗結(jié)果較為吻合。

3 各國規(guī)范的合理性分析

通過以上分析可以看出，各國規(guī)范對液化場地中樁土相互作用的詳細(xì)機(jī)理主要有兩個方面區(qū)別。

3.1 上部結(jié)構(gòu)慣性相互作用力的計算

上部結(jié)構(gòu)慣性相互作用力與兩個因素有關(guān)。一是場地地震動，日本規(guī)范沒有考慮液化對場地地震動的影響，美國規(guī)范規(guī)定了發(fā)生液化時，如果使用了有效應(yīng)力程序計算地震動，應(yīng)該采用有效應(yīng)力程序計算得到的場地地震動，中國規(guī)范沒有考慮液化對場地地震動的影響，從各國試驗研究結(jié)果和以上有限元分析結(jié)果可以看出，應(yīng)該適當(dāng)考慮液化對場地地震動的影響。二是結(jié)構(gòu)周期，日本規(guī)范規(guī)定應(yīng)利用不考慮液化的結(jié)構(gòu)周期計算上部結(jié)構(gòu)慣性力，美國、中國規(guī)范都沒有明確規(guī)定。從有限元計算得到的液化和非液化上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜(見圖4b)可以看出，液化后結(jié)構(gòu)有所變?nèi)?，但變化幅度不大，故采用不考慮液化的結(jié)構(gòu)周期計算上部結(jié)構(gòu)慣性力是合理的。

3.2 如何考慮幾何相互作用力以及如何與慣性相互作用力組合

在非液化場地中，由于樁身變形比土體變形大，很容易形成“樁推土”，此時，土層承受樁的推力，這個力對于土體來說是一個被動的土壓力，但在液化場地中，由于樁身變形可能比土層小，就有可能產(chǎn)生“土推樁”，這個力對于土層來說是一個主動土壓力，在此所說的幾何相互作用力就是這個土壓力。

美國規(guī)范和中國規(guī)范沒有考慮土層液化大變形產(chǎn)生的幾何相互作用力，日本規(guī)范考慮了幾何相互作用力并給出了定量的計算方法，但是認(rèn)為慣性相互作用與幾何相互作用不是同時發(fā)生的，所以分開考慮。從試驗以及有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該考慮液化產(chǎn)生的幾何相互作用力，而且不能與慣性相互作用力分開考慮，因為在樁身受力最大時，既有較大慣性力，也有較大幾何相互作用力。

各國規(guī)范與動力分析中的樁身受力示意見圖6。由于各國規(guī)范都是一個靜力反算過程，所以在利用上部結(jié)構(gòu)慣性力反算樁基礎(chǔ)受力時，實際上都是一個“樁推土”的過程，所考慮的土層力都是樁對土的一個被動土壓力(見圖6a)，而實際液化過程中，土層力是有可能與上部結(jié)構(gòu)慣性力相同方向的(見圖6b)，這也是規(guī)范算法與實際情況的一個差別。

圖6 各國規(guī)范與動力分析中的樁身受力示意

為了定量地反映規(guī)范規(guī)定與詳細(xì)機(jī)理的差別，利用上節(jié)有限元分析中的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了各國規(guī)范與動力分析的比較分析(見圖7)。

圖7 各國規(guī)范計算與動力分析的樁身彎矩比較

日本規(guī)范分3階段計算樁身受力。階段1：不考慮場地液化計算慣性相互作用；階段2：考慮場地液化計算慣性相互作用;階段3：計算幾何相互作用力。美國規(guī)范也有前2個階段的規(guī)定，中國規(guī)范實際上對應(yīng)日本規(guī)范的階段2，所以在以下比較中，粗略地認(rèn)為美國規(guī)范對應(yīng)日本規(guī)范階段1和階段2，中國規(guī)范對應(yīng)日本規(guī)范階段2。

從圖7可以看出，階段2，即考慮場地液化對土體承載力的削弱時，相對于階段1樁身樁頭彎矩增大，液化層中彎矩最大值位置有所下移，階段3彎矩最大值出現(xiàn)在液化層底。

利用規(guī)范計算得到的樁身彎矩相對于動力計算得到的彎矩有以下異同：樁頭彎矩相差較小，液化層中樁身彎矩差別較大，動力計算得到的彎矩明顯大于規(guī)范計算得到的彎矩。這說明規(guī)范中把慣性相互作用和幾何相互作用分開來算是不合適的，可能導(dǎo)致液化層底設(shè)計彎矩過小，從而導(dǎo)致地震中出現(xiàn)液化層底的樁身彎曲破壞，在歷次地震中都有這樣的震害。

日本規(guī)范考慮到了幾何相互作用是合理的，雖然得出的樁身彎矩數(shù)值與動力計算有較大差別，但日本規(guī)范卻能夠合理地反映出液化層底樁身彎矩較大這一現(xiàn)象，數(shù)值上與動力計算差別大的原因是沒有考慮與慣性相互作用的組合。美國規(guī)范和中國規(guī)范都不考慮幾何相互作用，這可能導(dǎo)致液化層底樁身彎矩被嚴(yán)重低估。

4 結(jié)論

首先對各國規(guī)范進(jìn)行了比較，然后參考已有研究成果并利用有限元模型動力計算結(jié)果揭示了液化場地中樁土相互作用機(jī)理，最后對各國規(guī)范與動力計算進(jìn)行了比較分析，結(jié)論如下：

1) 各國規(guī)范都考慮了液化對土體承載力的削弱，這是液化對樁土相互作用影響很重要的一個方面。

2) 中國、日本規(guī)范不考慮液化對場地地震動的影響，美國規(guī)范考慮了液化對場地地震動的影響，較為合理。

3) 各國規(guī)范對上部結(jié)構(gòu)慣性力計算方面的規(guī)定不一，日本規(guī)范規(guī)定采用不考慮液化的結(jié)構(gòu)周期計算慣性力，中國、美國規(guī)范沒有具體規(guī)定，但實際上不考慮液化的結(jié)構(gòu)周期計算得到的慣性力誤差不大。

4) 各國規(guī)范對于液化大變形導(dǎo)致的幾何相互作用力規(guī)定相對較少，只有日本規(guī)范有具體規(guī)定，美國、中國規(guī)范沒有相應(yīng)規(guī)定。

5) 日本規(guī)范雖對液化大變形導(dǎo)致的幾何相互作用力有相應(yīng)規(guī)定，但沒有將幾何相互作用力與慣性相互作用力進(jìn)行組合；而大量的試驗和有限元分析表明，樁身受力最不利時，既有較大的慣性相互作用力，也有較大的幾何相互作用力，應(yīng)該考慮兩者的組合。