摘要：我国土地辽阔，地质条件复杂，地形地貌也是各不相同，为了解决跨越河流、山谷，以便于交通，修建桥梁是我们最好的选择。目前我国的桥梁建设的发展已进入突飞猛进的时代，大力发展交通运输事业，建立四通八达的现代交通网络，对于发展国民经济，促进文化交流，消灭城乡差别和巩固国防等方面，都具有非常重要的作用。大量研究表明软土与地下结构之间的相互作用效应明显，且会对地震波产生显著的放大效应，从而对建于软土地基之中或之上的结构物的抗震表现产生不利的影响。
关键词：桥梁；软土；地震
1 引言
应该承认，目前我们所采用的技术大都是学习，引进发达国家 20 世纪 60～70 年代以来所创造的新材料、新理论、新技术和新工艺。虽然中国的桥梁建设在过去的25年中已经取得了飞速发展和进步，但与发达国家相比，尚存在不少差距，主要表现在技术上的自主创新不够，质量和耐久性存在问题，等方面。为了从桥梁大国向桥梁强国迈进，我国桥梁工作者一定要在桥梁建设中，提高自主创新的理念、重视工程的整体质量的素养。中国山川众多、江河纵横，是个桥梁大国，但由于我国面积辽阔，从南到北，从东到西，在地理气候、地质条件以及社会生产力发展水平上，都存在较大的差异，难免会遇到软土地基的情况，尤其集中在长江中下游、珠江下游、淮河平原等地，由此可见软土在我国的分布尤为广泛。
2 研究意义及目的
2.1 意义
由于我国存在大面积的软土分布，大量建筑物包括桥梁、高层建筑物、海上钻井平台都建立在软土地基之上。目前，我国广泛采用桩基-桥墩系统作为软土地基中的基础形式，将上部结构传递的荷载通过桩基传递到埋深较深处的坚硬持力层上，能够大幅度提升桥墩基础的承载能力。由于桥梁工程的设计使用年限都普遍较高，因此对软土-桩基-桥墩结构系统的抗震性能提出了更高的要求。历史上桥梁由于地震发生破坏的情况也是屡见不鲜，例如1976年唐山大地震，1985年墨西哥大地震，2008 年汶川地震，2011 年东日本地震。大量的震后调查研究发现，地震中的桥梁破坏主要是由于桩基或桥墩产生了过大的变形而导致的桥体脱落，上部结构并没有产生严重的结构损坏。墨西哥是著名的软土地基城市，土体主要是饱和的软黏土，在 1985 年的墨西哥大地震调查中发现，软土地基对地震波有明显放大效应，从而导致了软土地基上的建筑物大量的倒塌。研究人员通过大量的数值模拟，理论分析，模型试验分析研究表明[1-2]软土对地震波产生显著的放大效应。因此，软土中的桩基即使地震的震级不大，也会由于软土的放大效应使得桩基-桥墩系统承受较大的地震荷载。在地震作用下，软土由于放大效应，会产生较大的应变变形，其刚度会明显降低，由此导致桩基-桥墩系统的地基承载力降低，发生地基失稳破坏，桥梁倒塌。基于此国内外众多学者对软土的动力特性开展了大量的研究，对软土的动力特性有了进一步的认识，但是由于土-结构相互动力作用和软土动力特性的复杂性，对于软土地基桩基-桥墩系统地震响应的研究还未成熟，仍需要开展进一步的研究加深对软土的认识。
2.2目的
根据我国的规范[3-6]规定可知，工程设计中基本没有考虑由于地层震动，在桩-土之间产生的动力相互作用，而是将上部结构的惯性力简化为一个拟静力施加到桩的顶部。而事实上，桩基-桥墩系统在地震作用下会承受两种作用力：（1）周围土体对桩的动力作用，（2）上部结构由于地震产生的惯性力。由此可见，为了推动抗震设计方法的改善和更加准确地反映软土地基中桩基的动力响应，开展进一步的相关研究是非常有必要的。目前，关于软土场地桩基-桥墩系统地震响应规律的研究尚未成熟，深化和开展有关软土-桩基-桥墩系统的地震响应研究，提高抗震设计方法具有重要的科学意义。
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3 研究方法
3.1 拟采用的研究方法
建立土-桩基-承台-桥墩系统的三维有限元模型，软土采用双曲线滞回动本构模型，桥墩和桩基采用双线性弹塑性模型，桩帽及配重采用理想弹性模型，土-桩之间采用可分离的摩擦型接触面来模拟。开展三维有限元显式动力分析来对振动台地震试验进行模拟，确立三维有限元计算方法的有效性。
软土-桩基-承台桥墩系统的数值参数分析以数值验证分析为基础，开展三维有限元数值参数分析。可获得的计算结果包括：不同位置处土体的加速度响应、承台和墩帽的加速度响应、桩和桥墩的弯矩响应，土体对桩的动压力等。主要考虑各因素对承台和墩帽的峰值加速度响应、桩和桥墩最大弯矩（曲率）响应的影响规律。考虑的主要影响因素包括：①地下结构方面：桩的抗弯刚度；②土体方面：软土采用双曲线滞回动本构模型；③上部结构方面：桥跨结构的质量；④地震波方面：地震波的类别及烈度。
以软土地基中典型桩基-多跨桥梁系统为研究对象，建立相应的三维有限元模型以开展地震易损性分析。采用中国抗震设计规范所推荐的地震反应谱特性，从太平洋地震工程研究中心（PEER）网站选取适用于软土地基的真实地震波（不少于 100 组），地震波的峰值加速度范围控制在 0.1g-0.6g 之间。对计算所得的桩和桥墩的最大曲率响应数据进行统计分析，获得相应的易损性函数和易损性曲线图。
3.2 拟解决的关键科学问题
当前有关土-桩基-上部结构系统地震响应的研究主要以砂土或可液化土为研究对象，有关软土方面的研究仍相对较少，软土-桩基-上部结构之间的相互作用机理和损伤演化特性尚未明确。以软土-桩基-桥梁为研究对象，同时考虑地震中上部结构惯性力及桩-土之间相互动力作用的影响，分析桩基和桥墩在强震条件下的破坏发展过程，进一步探明软土-桩基-上部结构之间的相互作用机理和损伤演化特性。通过此研究可得到以下结论：（1）探明地震作用下软土-桩基-桥墩之间相互作用机理和损伤特性；（2）获得软土中典型桩基-桥墩系统的地震易损性曲线图。
4 结束语
对于按桩基、上部结构共同作用的原则进行整体的相互作用分析方法是存在一定难度，因为，这意味着不但要研究能够合理反映土的变形特征的地基计算模型，还要建立便于借助计算机的有效计算方法和能正确反映结构影响的分析理论。直到 20 世纪60 年代后期，随着土的应力-应变本构关系研究的深入，以及电算技术与方法的迅速发展，考虑土-桩基-上部结构相互作用的研究才得以开展并受到广泛重视。
参考文献
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论文作者:周腾
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6