桥梁桩基震害特点及其破坏机理
第4卷第2期震灾防御技术Vol. 4, No. 2 2009 年 6 月Technology for Earthquake Disaster Prevention June., 2009 王青桥，韦晓，王君杰，2009.桥梁桩基震害特点及其破坏机理.震灾防御技术，4（2）：167—173.
桥梁桩基震害特点及其破坏机理1
王青桥1)韦晓2)王君杰1)
1）同济大学桥梁工程系，上海200092
2）上海市地震局，上海200062
摘要20世纪60年代以来，国内外发生了多次强震，如日本神户地震、日本新泻地震、台湾
集集地震、美国洛马普列塔地震等。在这些地震中大量的桥梁桩基遭到破坏，破坏形式复杂多
样，如土体液化引起的桩基下沉、桩帽与承台的连接失效、桩基随土体侧移引起落梁等。本文
总结概括了这些震害特点，详细讨论了非液化场地和液化场地上桥梁桩基的破坏模式，分析总
结了桥梁桩基破坏机制。最后，结合桥梁工程结构特点，针对桥梁工程选址以及桩基抗震构造
措施等方面简要提出了建设性建议。
关键词：震害桥梁桩基液化破坏机理侧扩
引言
桩基础是一种历史较长且应用广泛的深基础型式，与其它型式的基础相比，能较好地适应复杂地质条件以及各种荷载情况，同时具有承载能力大、稳定性好、差异沉降小等优点，因而被广泛应用于桥梁结构中。近30多年的震害经验表明，采用桩基的结构一般比无桩基的结构具有更好的抗震性能。但是，与上部结构震害相比，桩基震害的报道较少。究其原因，可能是由于桩基埋置于地下，震害不易发现，同时震后开挖检查资料很少，对桩基震害的了解认识往往只能从上部结构状态间接地反映与推测。由于土壤的非线性，理论上要准确模拟桩-土-结构相互作用仍然存在较大困难。所以桩基抗震一直是工程抗震设计中的难点之一。
理论分析、震害实践和模型试验是指导工程抗震设计的主要途径。天然地震是一个最大的试验场，总结震害经验不仅可以丰富对桥梁和桩基地震反应特点的认识，而且还可以有效指导今后的桩基桥梁抗震设计。本文结合上世纪60年代以来国内外主要强震中的桩基桥梁震害，总结分析桩基桥梁震害机理，以便更好地指导今后的桥梁桩基抗震设计。
1桩基桥梁震害形式
造成桥梁桩基震害的原因可能与诸多因素有关，如地震动水平、土体特性、桩-土相互
1 基金项目地震行业专项项目（200808021）、高烈度区大跨桥梁地震破坏预测与控制资助
[收稿日期] 2009-02-12
[作者简介] 王青桥，男，生于1984年。硕士研究生。主要从事桥梁抗震研究。Email: weihsiao@https://www.wendangku.net/doc/1816005869.html,
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作用影响、设计桩基尺度大小等。从近30多年来国内外大量历史地震中的桩基桥梁震害来看，桩基震害机制复杂，其中土体位移和砂土液化是桩基震害的一个重要因素，另外，软土场地地震动放大效应以及桩基过大的变形是导致上部结构和桩基破坏的另一个重要因素。由于桩基深埋于地下，很多时候桩基的破坏不易被发现，一般通过震后开挖或者对桥墩结构的破坏形式来推测桩基的震害。通过近几十年来几次地震中桩基震害的调查和研究，一般可以将桩基桥梁震害分类简要地描述为下述形式（韦晓，1999；Lee Benuska，1990；
Bardet 等，1997）：
（1）土体液化引起桩体下沉，从而导致桥面及梁体毁坏。如1995年日本神户地震和1976年中国唐山地震等都有这种震害，如图1所示。
（2）桩体未发生明显侧向移动或下沉，而桩体附近沿桩周产生众多密布的宽度不等的环带状裂缝。如1964年日本新泻地震和1976年中国唐山地震均有这种震害，如图2所示。
（3）由于桩帽与承台连接构造措施设计不足，上部结构惯性力以及土体运动在桩帽位置发生剪切和弯曲破坏，承台与桩帽脱离。如1995年日本神户地震和1989年美国洛马普列塔地震中一些桩基破坏属这种类型，如图3和图4所示。
（4）桩基桥墩随土体位移引起上部结构落梁，这种震害形式最为常见，一般受断层影响较大。如日本神户地震和台湾集集地震中就有多座桥梁发生这种形式的破坏，如图5和图6所示。
（5）由于岸坡土体向河心滑移，导致桥台扭转变形是引起桥台斜桩破坏的重要原因。如中国唐山地震中蓟运河上的一些桥梁震害就是这种形式，如图7所示。
（6）桩基未深入稳定土层或设计长度不足，当地震发生时桩体下沉或发生侧向弯曲变形，导致桥墩变位，引起上部结构落梁或发生桩墩穿透桥面板。如1989年美国洛马普列塔地震中Struve Slough 桥的破坏，如图 8 所示。
2非液化地基上的桩基震害
桥梁桩基震害按土体是否液化可分为非液化地基上的桩基震害和液化地基上的桩基震害。非液化地基上的桩基震害一般比液化地基上的桩基震害少，其中桩基破坏模式主要可归纳为如下几点（杨克己等，2004）：
（1）上部结构惯性力引起的破坏。震害部位主要体现在桩头和承台连接处及承台下的桩身上部，具体表现为压、拉、压剪等形式的破坏方式；
（2）桩身在软土与硬土的分界面因弯矩、剪力变化过大导致的破坏。目前通常采用计算桩身内力的m法或常数法尚不能很好地反映软土与硬土界面处的受力情况；
（3）地震中软土因“触变”而摩擦力下降，导致桩的竖向承载力不足而下沉引起震害；
（4）桩基附近的挡土墙、土坡或地面荷载，在地震作用下造成附近土体失稳，导致桩身
受到侧向挤压，弯矩增大而引起的破坏。
3液化地基上的桩基震害
液化地基上的桩基震害可以分为液化但无侧向扩展地基上的震害和液化侧向扩展地基上的震害两种方式。当地震发生时，由液化引起的地面侧向大变形是导致桥梁和桥梁桩基震
2 期王青桥等：桥梁桩基震害特点及其破坏机理169 害的主要原因之一。从某种程度上说，这也是液化区域桩基桥梁震害的最主要形式。
图1 日本神户地震，桩体下沉图 2 日本新泻地震八千代桥预制钢筋混凝土桩开裂Fig.1 Pile settlement, Kobe earthquake Fig.2 Precast concrete piles cracking, Niigata earthquake
图3日本神户地震中神户Higashi轮渡图4日本神户地震中桩顶剪切破坏斜桥桩基与承台连接失效Fig.4Shear failure in pile head Fig.3Detachment failure between
pile head and pile cap
图5 日本神户地震中西宫桥引桥落梁破坏图 6 台湾集集地震中Shih-Wui Bridge落梁破坏Fig.5 Girder falling for Nishinomiya Fig.6 Girder falling for Shih-Wui bridg, Kobe earthquake bridge, Chi-Chi earthquake
图7 中国唐山地震中蓟运河上的铁路桥由图8 美国洛马普列塔地震中Struve Slough 于岸坡土体滑移导致桥台扭转变形桥的桥墩穿透桥面
Fig.7 Failure induced by movement of Fig.8 Piers penetrate bridge deck, bank soil, Tangshan earthquake Loma prieta earthquake
170震灾防御技术 4 卷3.1液化但无侧向扩展地基上的桩基震害
液化但无侧向扩展地基上的桩基震害主要表现为桥梁基础周围常有喷砂冒水、液化土下沉，由于桥梁结构本身无水平位移，导致桩基承台与土脱空。此种桩基震害一般存在两种情况：一是如果桥梁荷载在平面分布上不均匀或存在液化土层厚度不均匀等情况，则可能导致土体产生相当大的不均匀沉陷；二是如果荷载分布是均匀的，同时液化土层厚度也较均匀，则桥梁一般不会有大的不均匀沉降，只是桩身可能会在液化土界面、桩顶等部位发生破坏（杨克己等，2004）。
3.2液化侧向扩展地基上的桩基震害
对桥梁基础而言，液化侧向扩展是一种常见的桩基震害现象，导致这种震害的原因是桥梁基础一般都建在河流或海边的冲击带上，而这些地段常常分布着自然形成的、带有0°—5°缓坡的可液化砂或粉土层，这是侧向扩展极可能发育的地段。地震时土壤液化层发生液化，导致土体抗剪强度降低，液化土体连带上部非液化覆盖层沿着液化层面向水边方向滑动，滑动距离可达数米，滑体宽度甚至可达数百米，从而使得滑动带上的桥梁基础产生破坏。如海城地震和唐山地震中许多桩基公路桥的震害都属于这种。1995年日本阪神大地震中，由于神户市沿海和2个人工岛存在严重的液化侧向扩展带，导致许多桩基建筑和码头栈桥遭受严重震害。
本文结合刘惠珊（1999）对桩基震害的调查，将液化侧向扩展地基上的桩基震害表现形式归纳为以下3种力学破坏模式，如图9所示：
图9液化侧向扩展地基上的桩基震害模式
Fig.9Earthquake damage of piles under lateral spreading soil condition
2 期王青桥等：桥梁桩基震害特点及其破坏机理171
（1）桩身在液化层底和液化层中部的剪切或弯曲破坏，系由流动土体对桩产生侧向压力所致，如图9a所示；
（2）桩顶嵌固的破坏。地震时最大弯矩一般发生在桩顶或土层剧烈变化处，以桩顶位置为巨。如果桩顶与承台等连接措施不够，容易发生嵌固失效，如图9b所示；
（3）上部结构因桩身折断而产生不同程度的不均匀沉降。对于高墩桥梁，因重心处水平位移大，将产生较大的附加弯矩，致使岸上一侧的边桩受到拉应力而产生相对较轻的震害，同时也可能只是在边桩上形成一个塑性铰，如图9c所示。
4桥梁桩基震害机理
4.1地震时桩的受力
桩在地震荷载作用下的受力可划分为两类：一类是桩在土体-桩-结构相互作用下所承受的应力，称之为附加动应力；另一类是大量土体发生侧向位移，桩在土体侧向推动下发生变形，所承受的应力称之为附加静应力。
当桩设置在地震时不发生侧向位移的土体中时，只承受由振动引起的附加动应力；当桩设置在地震时发生侧向位移的土体中时，桩不但承受振动引起的附加动应力而且承受土体侧向位移引起的附加静应力。在许多情况下，后者对桩的影响比前者更为显著。
而从结构上看，由于桩身埋藏于土体中，通过桩帽与上部结构相连，当地震发生时，桩的运动要与周围土体相协调，此时桩身发生变形引起附加动应力；另外，当上部结构随地震运动的惯性力而通过桩帽传导到桩身时，也产生附加动应力。因此，在地震时，应将土体-桩-结构作为一个整体，桩基础所承受的附加动应力是上述两部分力的综合影响结果。
4.2桩的破坏机制
桩的破坏机制与地震时桩的受力情况有关，结合桩基桥梁震害情况，桥梁桩基础破坏机制可分为以下3种（刘宏伟，2002）。
（1）振动引起的附加动应力作用下发生的破坏这种机制的破坏方式一般发生在地震动水平较高、桩基施工质量较差、地基土层软弱的
情况下。地震时周围土体对桩的反力较小，而桩的变形较大，导致桩体产生较大的附加动应力。
（2）土体侧向位移引起的附加静应力作用下发生的破环这种机制的破坏多发生在岸边场地。由于岸边场地提供了发生这种机制破坏的2个条件：
一是岸边场地的土层一般都很软弱，地震时会产生较大的永久变形；二是由于岸边场地地面都有一定的斜坡，土体中土单元水平面上作用有与斜坡方向一致的静剪应力，使土体在地震时产生与斜坡方向一致的侧向位移。震害经验表明，即使地震动水平较低，桩基也可能会发生这种机制的破坏。
（3）因土体液化，桩基发生陷落，丧失承载力导致的破坏这种机制的破坏可分为两类失效模式：第一类为桩间土先于桩尖土液化，导致单桩承载
力的降低，单桩刺入土中，桩间已液化的土被侧向挤出，桩身向下运动，称之为单桩破坏；第二类为单桩的承载力没有丧失，但桩基作为整体深基础，由于基底下和桩外侧土的液化，桩基产生整体失稳、下沉，甚至倾斜。
震害经验表明，后两种机制下发生的桩基破坏，其破坏程度和影响后果都较严重。