如何進(jìn)行樁基的抗震設(shè)計

1、如何進(jìn)行樁基的抗震設(shè)計-結(jié)構(gòu)理論液化土在我國分布廣泛，從東部沿海至西南、西北內(nèi)陸地區(qū)均廣泛存在?？梢夯翀龅氐奶幚恚瑢τ谖覈膰窠?jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的 意義，在我國對于可液化土通常有以下幾種處理方法：換填墊層法、強(qiáng)夯法、砂石樁法等。但以上幾種方法在使用時均有各種限制，在 實(shí)際工程中，對于中等以上液化的場地，我們通常采用樁基礎(chǔ)，樁基 礎(chǔ)是由設(shè)置于巖土中的樁和與樁頂連接的承臺共同組成的基礎(chǔ)，是深基礎(chǔ)中最常用的一種形式，它能較好地適應(yīng)各種地質(zhì)條件及各種荷 載情況，具有承載力高、變形量小、抗液化等特點(diǎn)，特別是在高層建 筑、重型 廠房、橋梁、港口碼頭等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著樁基工程的迅速發(fā)展和工程部

2、門對于地震認(rèn)識的不斷加深，樁基礎(chǔ)的抗震性能已經(jīng)成為當(dāng)今巖土地震工程的一個難點(diǎn)；而液化土中樁基 的抗震設(shè)計更成為其中的熱點(diǎn) 。一方面，由地基輸入樁基的地震作 用在有樁時比無樁時更難以準(zhǔn)確估算，另一方面，樁在土中承受水平 向地震作用時，其工作狀態(tài)屬于彈性地基梁或彈塑性地基梁取決于 地基土在地震作用下的狀態(tài)。雖然到目前為止，國內(nèi)外應(yīng)用地震反應(yīng) 分析和樁、土、上部結(jié)構(gòu)相互作用理論來解決樁基在液化土中的動 力響應(yīng)問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用階段，但在國內(nèi)外的規(guī)范中對該問題存 在一些簡化的設(shè)計方法。1現(xiàn)行及歷史各規(guī)范中液化土中樁基抗震計算方法1.1現(xiàn)行規(guī)范綜合法此法為建筑抗震設(shè)計規(guī)范中推薦的方法。該法適用于存在液

3、化土層的低承臺樁基抗震驗算。根據(jù)液化土層是否分擔(dān)承載力而分為兩種情形考慮，取其中不利者作為樁基設(shè)計的依據(jù)，并且在樁的豎向和水平承載力計算中均考慮了液化影響折減系數(shù)， 可以說是在兩階 段法基礎(chǔ)上考慮了折減系數(shù)法，代表了目前國內(nèi)規(guī)范中關(guān)于液化土中 樁基抗震設(shè)計的較全面的方法 。(1)樁承受全部地震作用，樁承載力按非液化土中樁基承載力取用，液化土水平抗力乘以折減系數(shù)。因為地面加速度最大 時刻出現(xiàn)在液化土的孔壓比 為小于1 (常為0.50.6),此時土尚 未充分液化，只是剛度比未液化時下降了好多，因此可對液化土的剛 度作一折減，即使最大地震作用時刻土層已發(fā)生局部液化，考慮到液化的減震作用將使最大地震作

4、用衰減，加上折減系數(shù)這個因子從而也 得到了補(bǔ)償。(2)假定液化層全部液化，但仍有較小水平地震作用于樁基，樁水平承載力特征值可提高 25%,考慮到液化土層全部液化 后的較低水平地震作用(按水平地震影響系數(shù)最大值的取用)，驗算 原則在前一種情況驗算原則的基礎(chǔ)上，還應(yīng)按靜力荷載組合校核樁身 的強(qiáng)度與承載力。這是因為液化土中空隙水壓力的消散往往需要很長時間，往往于震后才出現(xiàn)噴砂冒水，其間常有沿樁與基礎(chǔ)四周排 水現(xiàn)象，這說明此時樁身摩擦力已大減，從而會出現(xiàn)豎向承載力不足。 在此方法中不計承臺旁的土抗力或地坪的分擔(dān)作用是出于安全考慮， 作為安全儲備。1.2 現(xiàn)行規(guī)范打入樁法該法適用于打入式預(yù)制樁及其他擠土

5、樁平均樁距為2.54倍樁徑且樁數(shù)不少于5>5時，可計入打樁對土的加密作用及樁身對液化土變 形限制的有利影響，可按樁間土不液化、樁基外側(cè)無應(yīng)力擴(kuò)散的假想 墩式基礎(chǔ)來校核樁基抗震能力，單樁的承載力因液化而折減；但當(dāng)打 樁后樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)值達(dá)到不液化的要求時，單樁承載力可不折減。劉惠珊總結(jié)了可液化土中考慮擠密作用打入樁的設(shè)計步驟考慮 打樁加密效果的設(shè)計方法，在日、美、我國均已有工程實(shí)例，只是尚未作為一個通用方法來應(yīng)用，對于多樁的結(jié)構(gòu)，這種方法可收到較好的經(jīng)濟(jì)效果。此法是 建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2001)中采用的方法。但在實(shí)際工程應(yīng)用中限制較多，僅對于大面積施打的 樁筏基礎(chǔ)，群

6、樁基礎(chǔ)存在使用價值。1.3 歷史規(guī)范折減系數(shù)法最初為簡化計算起見，國內(nèi)外規(guī)范在處理液化土中樁基的抗震設(shè)計問 題時，將液化土層的水平承載力取為零。如我國工業(yè)與民用建筑 灌注樁設(shè)計與施工規(guī)程 (JGJ4 80)中規(guī)定：當(dāng)液化層為表層土 層時，不考慮液化土層的承載力。此時樁基承臺實(shí)際變?yōu)楦邩冻信_。 當(dāng)液化層為中間層時，按 m值法計算樁基的水平承載力時，將液化 土層的m值取零，利用其他非液化土層的 m值加權(quán)平均值計算樁身 應(yīng)力。此方法對于松散的砂土來說，地震時液化土層完全失去了承載 力；零折減法正是反映了此類最不利的情況，即設(shè)計地震力發(fā)生的時刻液化土層的水平承載力為零。此方法稱為折減系數(shù)法工是考慮 液

7、化土層中樁基性能的一種簡化方法，也是目前樁基抗震設(shè)計中常用 的方法。但當(dāng)承臺下可液化土層厚度大時，用此法進(jìn)行樁基的抗震設(shè)計時，結(jié) 果偏于保守，樁內(nèi)配筋量很高，設(shè)計、施工方面很困難，且造價高。 所以針對這種保守的簡化方法，工程界一直在尋求更經(jīng)濟(jì)合理的新設(shè) 計方法。我國鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范（GBJ111-87）規(guī)定液化土層 的側(cè)抗力按層位和液化安全系數(shù)之值進(jìn)行折減。 此法對液化土的承載 力不是一概取零， 而是視液化土層深度及物理狀態(tài)的不同，在樁的 水平力抗震驗算中 （我國規(guī)范一般采用 m值法）將 液化土 的變形模量E乘以01的折減系數(shù)。此法從液化概率及危險分析 上對樁的設(shè)計計算作了改進(jìn) 。1.4

8、歷史規(guī)范兩階段分析法此法承接折減系數(shù)法，亦曾為多種規(guī)范所采用。適用于樁承臺旁有厚 為2 m以上的非液化土的低樁承臺，平時以受豎向荷載為主，其基本 思想是將設(shè)計地震力與液化對樁橫向承載力的最不利時刻區(qū)分開來。在此方法中樁的驗算分二階段進(jìn)行：1）地震階段。樁上有地震力，土中已有液化區(qū)，但根據(jù)大多數(shù)情況 下噴冒滯后于地震的事實(shí)，認(rèn)為此階段液化區(qū)尚未發(fā)展到樁頂承臺附 近，對樁的橫向承載力影響不大，計算中可忽略液化影響，按非液化 土情況進(jìn)行樁的校核。2）震后階段。樁上無地震力，假定液化層全層液化，扣除液化層的 樁側(cè)摩擦力及左右厚度的上復(fù)非液化層的摩擦力（考慮沿樁身四周 縫隙排水），校核在靜載下的液化后豎

9、向承載力。 此法是從液化地基 與地震作用過程著眼并結(jié)合液化土中樁基宏觀震害經(jīng)驗提出， 因此被工業(yè)構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)（GBJ117-88）采用，亦被冶金工業(yè)建 筑抗震設(shè)計指南（1990）等采用。實(shí)際地震調(diào)查結(jié)果，液化后的 安全系數(shù)大于2時，樁基無明顯震害。地震力作用的時段內(nèi)液化往往 未發(fā)展到樁頭附近，對樁的抗彎能力削弱不大，故抗彎驗算中可忽略 液化的影響。液化對樁的豎向承載力確有削弱，但因在地震作用的 數(shù)十秒時間內(nèi)，樁來不及產(chǎn)生充分的豎向變形，地震力因液化減震作 用也比非液化時降低；且樁的豎向承載力由第二階段的驗算加以保障，而第二階段校核相當(dāng)于非液化地基的靜力校核。另一方面地震反應(yīng)分析與室內(nèi)振動

10、臺實(shí)驗已證明，液化地基上地面加速度最大值比非 液化地基要小且出現(xiàn)在土中孔壓達(dá)到液化之前， 樁基的最大加速度反 應(yīng)也在液化之前。這種液化減震效應(yīng)在計算中沒有考慮， 而是作為安 全儲備的一部分。此上兩種歷史規(guī)范的方法，均應(yīng)種種缺陷，基本已為國內(nèi)外各種規(guī)范 所淘汰。2各規(guī)范中存在問題探究2.1 以上各方法的缺陷綜上所述，經(jīng)過近幾年國內(nèi)外關(guān)于液化問題的深入研究， 規(guī)范已逐漸 過渡到考慮地震和液化實(shí)際物理力學(xué)過程及出現(xiàn)概率的計算階段。 傳 統(tǒng)方法看來已過時，其他幾個方法都有依據(jù)。 折減系數(shù)法在下列方 面似感不足：拆減系數(shù)DE是否可以推廣用到摩阻力與淺基承載力的 折減上目前尚缺少直接試驗的論證；缺少停震后

11、孔壓消散前的豎向力 校核，樁豎向承載力的驗算，由于依據(jù)不足，該法不太明確。兩階段 法在地表為非液化土?xí)r，當(dāng)作不液化土考慮是否安全；在主震后數(shù)小 時發(fā)生較強(qiáng)余震時是否危險要進(jìn)一步論證。 以上方法，均缺少足夠的 實(shí)際樁基震害校核。2.2 土層交接面處的樁基分析震害實(shí)錄與數(shù)值分析已經(jīng)證實(shí)，土層剛度突變處地震時樁身彎矩和剪 力都很大，極易引起樁的破壞。阪神地震后對高層建筑下液化土中 的樁基進(jìn)行了動力有限元分析，求出樁頂作用地震力和土層作水平剪切運(yùn)動時的樁身內(nèi)力，得到了一些重要的結(jié)果。地震對樁的作用相 當(dāng)于樁頂水平力作用與土層運(yùn)動之和； 土層運(yùn)動產(chǎn)生的樁身內(nèi)力以土 層的剛度變化處為最大；地震動越強(qiáng)土層運(yùn)

12、動對樁身內(nèi)力的影響增 加。因為m值法或只考慮了樁頂?shù)乃搅Χ豢紤]地震時土層運(yùn)動的影響，于是地震動越強(qiáng)，計算地震時的樁身內(nèi)力誤差越大。綜合上 述，從有限元及地震反應(yīng)分析法得到的樁身內(nèi)分布情況，可以看出液化土或是軟硬土交界面處的彎矩、 剪力很大，目前除考慮樁土相互作 用的地震反應(yīng)分析可以較好地反映樁身受力情況外， 對一般工程中求 解地震作用下樁身內(nèi)力的方法（如 m值法）而言，樁身內(nèi)力計算中 無法反映軟硬土交界面處的情況，只能根據(jù)上述結(jié)論對現(xiàn)有規(guī)范規(guī)程 作出一些修正。比如為確保樁身安全，建筑抗震設(shè)計規(guī)范中規(guī)定, 液化土中的樁的配筋范圍，應(yīng)自樁頂至液化深度以下符合全部消除液 化沉陷所要求的深度，其縱

13、向鋼筋應(yīng)與樁頂部相同，箍筋應(yīng)加密。這樣就采取了相對有效的構(gòu)造措施，保證了軟土或液化土層附近樁身的抗彎和抗剪能力。此構(gòu)造措施也是在樁土相互作用無法通過準(zhǔn)確的 模型進(jìn)行地震反應(yīng)的精確分析的情況下的無奈之舉。 此措施在實(shí)際工 程建設(shè)特別是先張法預(yù)應(yīng)力管樁的制作及施工中造成很大的不便。2.3 樁基豎向承載校核問題在兩階段分析法與綜合法中已經(jīng)提到了關(guān)于樁的豎向承載校核。如我國構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范，在地震力很?。ㄏ喈?dāng)于地震影響系數(shù)最 大值的）及震后驗算時，液化土層的樁周摩阻力取零，此外尚須扣除 承臺下深度內(nèi)的非液化土的摩阻力。 地震時樁軸力忽大忽小，有時甚 至為上拔力，在校核樁的豎向承載力時對液化土的樁周摩阻力作適 當(dāng)折減；在地震后，雖然地震作用消失，但液化土的強(qiáng)度并未恢復(fù)，有時甚至液化土中的孔壓不在上升，因此校核震后的樁承載力是很有 必要的，但至今除我國的某些抗震規(guī)范提出這一要求外， 未見其他國 家有明確的要求。3結(jié)語近年來在樁基震害實(shí)例與液化土中樁基的動力響應(yīng)問題的分析研究成果的基礎(chǔ)上， 國內(nèi)外工程界對液化土中樁基抗震設(shè)計提出了不少的修改建議，如各國