饱和液化土区桥梁地基及基础抗震设计和研究

饱和液化土区桥梁地基及基础抗震设计和研究

段国民  ,杨孙源

昆明拓成道路工程技术咨询有限公司      云南昆明     650000

摘要：随着我国公路基础设施的大力建设，穿越不良地质的公路桥梁越来越多，桥梁工程的安全，关系着人民人生安全和社会稳定，所以不良地质区桥梁基础的设计尤为重要。本文首先介绍不良地质中液化土层与桥梁地基的关系，然后根据液化土的特点及与桥梁的关系，论述饱和液化土区桥梁地基设计要点和抗震设计要点。进而分析桥梁工程位于饱和液化土区的地基及基础设计要点和注意事项。

关键词：液化土； 地基及基础； 抗震设计； 地基加固

1、地基土液化机理和主要产生因素及影响

1.1地基土液化机理

地基土液化是指饱和状态的细粉砂或亚粘土在地震作用下失去强度，由固态转变为液态的力学过程，是地震地质灾害的一种。

土液化主要是在饱和土在地震作用下，土有变密趋势，但是饱和土得先排水才能变密， 排水困难的土中孔隙水压就会上升，可看作在地震作用下土粒能量传给了水，使水压上升，当水压大于或等于土粒间有效压力时，土粒就会处于失重状态，使得土粒间联系系统破坏，形成可流动的液体状态。

1.2液化土主要产生因素及影响

土质液化主要与地下水位、地质年代、土颗粒粒径、土的密度等因素有关。地下水位是判别土液化的重要条件。地质年代久远的沉积土，年代越久远，土的结构、密度和结构性越好，越不容易发生液化。土颗粒粒径越小抗液化能力越差。

液化土地基对桥梁工程影响较大，饱和液化土的宏观外在表现主要有底表裂隙中喷水和冒砂、地基失效、过大的沉降、液化土层侧向扩展和流动滑移、液化引起的土体坍塌等。

2、饱和液化土与桥梁地基及基础的关系

根据《公路桥梁抗震设计规范》，液化土的等级分为轻微、中等、严重三级。轻微等级时，危害性小，一般不至引起明显的震害；中等等级时，危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可能达到20厘米；严重等级时，危害性大，不均匀沉陷可能大于20厘米，高重心结构物可能产生不容许的倾斜、倒塌。地基土液化后的过大沉陷、地基失效、液化土层的水平滑动等是影响桥梁墩台及基础稳定性的主要因素，其极不利于墩台抗倾覆和抗滑移，对桥梁工程的上部、下部构造和基础的稳定性、安全性危害较大。以此，桥址范围内存在饱和液化土的桥梁地基必须采取措施进行处治及抗震设计。

3、饱和液化土区桥梁地基设计要点及常用方法

液化地基不利于桥梁工程主要表现为不均匀沉陷、地基失效、过大的沉降、液化土层侧向扩展和流动滑移等因素造成的稳定性较差，因此，桥梁设计中对液化地基的加固、处治特别重要。

首先，根据《公路桥梁抗震设计规范》和地质勘察工作，计算饱和液化土的液化指数，判定液化等级。然后，根据桥梁分类（公路桥梁抗震设计规范将桥梁抗震设防等级分为A、B、C、D四类）和土液化等级，结合地质勘察钻探，明确桥梁地基采用的抗液化措施。对于液化层深度较浅的地基，可采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）、挖除法、换土法、排水法（降低饱和土孔隙水压力）等措施处治加固地基，待地基满足设计要求后，可以采用重力式下部构造及扩大基础。对于液化层深度较深的地基，宜采用复合加固地基（水泥搅拌桩等）或深基础（如桩基础、地下连续墙等）穿越液化土层，基底须置于液化深度以下稳定土层中，必要时可先采用加密法加密地基或排水法提前地基土液化，待地基液化方案措施确定后，再进行桥梁桥墩及基础的设计和选型。其次，待液化地基加固稳定后，应进行地基试验并计算确定地基能否满足设计要求，达到设计要求后，方可进行桥梁基础及下部构造的施工。最后，常用的液化土地基处治方法如下：

3.1加密法

强夯是利用强夯机将夯锤提升到一定高度后，让其在重力作用下自由下落，以较大的冲击力作用在地基上，在地基土里产生极大的冲击波，克服土颗粒间的各种阻力，迅速提高地基的承载力和压缩模量，形成均匀密实地基，提高土体抗液化的能力及减少沉降。

碎石桩是用振动、冲击及水冲等方式在地基中成孔后，将碎石型桩挤压入液化土中，形成由碎石所构成的密实桩体。

3.2 换土法

换土法适用于浅层地基处理，处治深度一般为2～3米，其将基础底面以下一定范围内的液化土层挖除，然后分层填入强度大且不易液化的砂砾、碎石或其他性能稳定及无侵蚀性的材料，并夯实达到设计要求后，作为基础的持力层。

3.3复合加固地基

对饱和液化土层较厚的地基，换填会导致基坑加深加大、围挡防护结构加长、施工安全风险增大等问题，且工程建设投资增大，这样的深层液化土情况可以采用复合加固地基的方法解决液化土层难题。

水泥搅拌桩是将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土体发生物理化学反应，土固而提高地基强度。

4、饱和液化土区桥梁基础抗震设计要点

液化地基不利于桥梁工程抗震主要表现为地震作用下地面过大沉降、地基失效、地表塌陷、地面流滑、不均匀沉陷、液化土层侧向扩展和流动滑移等。首先，复核并验证地基的处治结果，需满足设计要求。然后，根据桥梁分类和判定的地基液化等级，结合地质勘察钻孔，确定土层液化底层深度和桥梁基础设计深度，并加强下部结构及基础的抗剪切设计，并依据规范对桥梁基础设计采用的力学指标进行折减。其次，对于桥梁浅基础，可增大设计尺寸及材料强度，局部设置抗剪钢筋等措施抗地震。对于桥梁深基础（如桩基础），可增加材料强度，并设置不少于双肢的箍筋穿越液化土底层，基底须埋置在液化深度以下稳定土层中一定深度。最后，桥墩及基础的塑性铰区选择，尽量避开深基础，设置在桥墩范围中。

5、桥梁工程位于饱和液化土区的地基及基础抗震设计要点

基于液化地基对桥梁工程抗震不利因素，抗震设防烈度为Ⅶ度及以上地区，桥址区存在饱和液化土层的桥梁，地基及基础应设抗震措施。首先，根据桥梁分类和土液化等级，结合地质勘察揭示的液化土层深度等，选择地基加固处治措施。可采取加密法、换土法、排水法、复合加固地基等措施进行地基处治。然后，结合地基液化土层实际分布情况，选用桥梁上部构造整体刚度和均匀对称性，弃用对不均匀沉陷敏感的桥梁结构型式。其次，根据地基评定情况，选定桥梁下部构造及基础型式，并加强其抗剪切能力设计及验算。可采取加大基础尺寸和加强材料强度、局部配置抗剪切钢筋、设置箍筋穿越液化土底层、基底埋置在液化深度以下稳定土层中一定深度、避免塑性铰区位于基础等措施，进行桥址位于液化土层区的地基及基础的抗地震设计。

6、结束语

目前，饱和液化土国内外所作研究主要为震害调查和室内研究，饱和液化土变化丰富、土层深度及范围分布不一、液化土类型较多。随着社会不断发展和进步，以及基础设施的不断建设，位于地震高烈度及饱和液化土区的桥梁越来越多，桥梁工程地基及基础的抗震设计是重点和难点。积极分析饱和液化土对桥梁工程的影响，桥梁地基及基础的抗震设计和研究刻不容缓。因此，桥址位于饱和液化土区的桥梁地基及基础抗震设计应采取可行的、必要的技术措施。地基及基础的抗震设计和研究还需要科研工作者不断深入研究。

参考文献

[1]、中华人民共和国行业标准.公路桥梁抗震设计规范[Z].（JTG/T 2231-01—2020）

[2]、中华人民共和国行业标准.公路桥涵地基与基础设计规范[Z].（JTG 3363—2019）

作者简介：姓名：段国民，男，身份证：532930198708021114 

作者简介：姓名：杨孙源，男，身份证：533221199009024317