桩基础的抗震设计.ppt

建筑桩基技术规范 JGJ94 2008常用桩型及有关疑难解析 2010 04 目录一 人工挖孔嵌岩桩1 概述2 竖向受压承载力性状3 工程桩检测4 某工程案例解析二 预应力混凝土管桩三 后注浆灌注桩四 地下水与抗浮设计五 两类共同作用与变刚度调平设计六 桩基础的抗震设计 液化土中的桩基设计 七 常见问题释疑 1 抗浮设计应注意的问题 1 抗浮设防水位如何取值比较合理 基础工程设计时当地下水位较高时 应进行抗浮验算 近年来由于对抗浮水位的确定不合理以及抗浮桩设计不合理而导致的建筑物上浮事故已有多起 造成极大的经济损失 此外抗浮水位设置过高 对工程造价有重大影响 因此合理确定抗浮水位是个重要的问题 抗浮设防水位是岩土工程师综合建筑基础埋置深度 场地岩土工程条件 地下水类型及赋存状态 含水层分布 区域性气候资料 地下水补给排泄条件等等 提出的合理化建议 需要明确的是 在有渗流时 地下水的水头宜通过渗流计算进行分析评价 对节理不发育的岩体宜通过实测数据确定 有确切经验时可根据经验确定 有工程师认为将历年最高水位作为抗浮设防水位是安全的 并不竟然 徐州某地下水泵房建于山腰基岩上 山顶人工湖面距水泵房基底高差大于7m 勘察期间未见地下水 工程师未按抗浮设计 建成后局部浮起 造成泵房整体倾斜 究其原因是因为施工爆破基岩 造成基岩裂隙 形成贯通的地下水 对基底产生巨大压力 对于此类工程在施工中发现地下水 即应砌筑水井以观测水位 并以稳定水位作为抗浮设防水位 四 地下水与抗浮设计 2 抗浮水头压力的确定当前抗浮设计 习惯将水头压力直接作用于基础底板作为抗浮设计水位 这是不合理的 为使抗浮设计更经济 应区别对待水头压力 当基础埋置在分布稳定且连续的含水层土中时 基础底板承受水头高度为h的水浮力 图 a 当埋置在非饱和隔水层中 且采取措施保障地基土工作期间始终处于不饱和状态 则认为基础底板不受上层水的浮力作用 图 b 若隔水层饱和则应考虑浮力作用 但宜计入渗流作用 对水浮力进行折减 图 c 折减水头应由有经验的勘察单位确定 a 置于透水层中 b 置于非饱和隔水层中 c 置于饱和隔水层中 基底土质不同对抗浮设防水位的影响 3 几种抗浮措施降低抗浮水位 结构用无梁楼板 用机械停车替代两层地下车库 增加配重 素填土 素混凝土 钢渣混凝土其中素填土具有良好的经济效益 抗拔桩 小直径短桩 后注浆长桩 扩底桩抗浮锚杆 用于基岩较浅场地 工程中应根据实际情况选择其中一种或两种组合的抗浮方案 不要拘泥于一种方式 通常一个经济合理的抗浮方案均是采取多项措施的结果 4 抗浮的安全度问题 长久以来抗浮的安全度并未得到足够重视 常常引发工程事故 首先 荷载分项系数以前取0 9 现在取1 0 导致荷载项没有安全储备 再者 结构自重取值偏大 某些地下车库工程每层结构自重取13kN m2 实际上 结构自重仅有梁板及面层 往往达不到 抗浮水位一般取值比勘察时期水位高1 2m 但当丰水期水位达到地面时 水浮力往往大于结构自重 需要指出的是 用配重抗浮的设计 其安全系数仅为1 0 采用抗浮桩或者抗浮锚杆的 安全系数为2 0 这是工程师要重点重视的 此外 基底土层的隔水性相当关键 如果基底土层为非隔水层 如粗砂等 那么实际水头浮力则与静水压力相当 同时用配重抗浮 那么安全系数仅为1 0 如果没有其他措施 一旦丰水期使得地下水上升 可能使得建筑物上浮 5 抗拔桩 锚杆 布置应注意的问题 抗浮桩的设计关键在于布桩 工程实践中 根据单桩抗拔承载力特征值与浮力超重部分相平衡的原则 设荷载标准值换算的均布荷载为40kN m2 水浮力90kN m2 那么布桩所需抵抗的浮力为50kN m2 由此可能出现图 a b 两种布桩模式 在假定基础筏板刚度极大的情况下 桩顶反力均匀分布 这两种方式并无不妥之处 通常筏板厚度在设计时并不是根据刚度来确定板厚 基础筏板刚度并不足以调整桩顶作用的均匀分布 虽然按桩顶承担均匀的拉力来设计 但用于筏板受到极大的浮力上拱 使得靠近柱的基桩分担的浮力较小 而远离柱的基桩分担的浮力偏大 b 均布于筏板下 a 集中于柱下 抗浮桩布桩模式 筏板刚度愈小 这种不均匀分布的趋势则更为剧烈 极端的 当筏板抗弯刚度为0时 可以发现柱以外的基桩所平衡的水浮力并不是计算的50kN m2 而是90kN m2 工程实践中已经发现因为不合理布桩设计导致的工程事故 某些工程采用预应力管桩抗浮 少数基桩远离柱布置 那么这些基桩则率先破坏 从而余下的基桩被各个击破 导致抗浮桩设计失败 因此应避免采取 b 方案 而应尽量将桩布置在柱下 基础梁下 6 抗浮锚杆可否当作支座 当抗浮锚杆具备足够刚度时 可当作弹性支座 弹性刚度宜由抗拉试验确定 可极大减小基础梁板配筋 7 主裙相连的建筑物 裙房采用桩基础抗浮时 应用短桩 五 两类的共同作用的基本概念 一 竖向荷载作用的的共同作用 第一类共同作用 竖向荷载作用下建筑结构中的参与共同作用有三个要件 上部结构 筏形承台和桩土体系 其中上部结构靠整体抗弯刚度参与工作 筏形承台靠自身截面抗弯刚度参与工作 桩土体系靠桩 土相互作用提供的竖向支撑刚度参与工作 三者共同作用 协调变形 第一类共同作用示意 1 框架结构整体抗弯刚度 a 梁弯曲变形引起的节点转动 b 梁弯曲变形引起的层间转动 c 柱弯曲变形引起的层间转动 2 钢筋混凝土剪力墙结构整体抗弯刚度 引用上述框架结构整体抗弯刚度计算方法 因墙肢线刚度较连梁大的多 故可忽略墙肢弯曲变形引起的节点转动和跨间转动 仅计算连梁弯曲引起的跨间转动 3 基础结构 筏板 整体抗弯刚度 均匀布桩或天然地基时 中心沉降是角点的3 0 3 7倍 刚度则是1 3 0 3 7 4 桩土体系竖向支撑刚度 5 整体抗弯刚度比较1 从计算结果可以看出 厚1 5m的筏形承台 其整体抗弯能力是一层单跨框架的70倍 2 厚1 5m的筏形承台 其整体抗弯能力与二层单跨剪力墙相当 3 当筏形承台跨数更多时 其等效整体抗弯刚度将随计算长度的约三次方幂趋势降低 4 剪力墙结构整体抗弯刚度极大 抵抗差异变形的能力极强 水平力作用下的共同作用 拟静力m法手工计算复杂 过程冗长 作者根据规范附录C编制程序 需要明确的是 附录C中是将承台 地下室 侧壁土 桩 桩侧土作为整体分析的 二 水平荷载下的共同作用 第二类共同作用 基桩水平受荷模型 弹性地基梁模型 令 令 1 基桩水平受荷模型 水平变形系数 可用级数展开求解 求解过程略 2 两个重要参数 M MN m4 地基土的水平抗力系数的比例系数 1 m 桩的水平变形系数 0 5 0 7 弹性桩基桩弯矩和剪力及桩顶位移 3 刚性桩 半刚性桩 弹性桩刚性桩 2 5 h半刚性桩 4 0 h 2 5 弹性桩 h 4 0 演示程序使用 变刚度调平设计实例 条文说明 1建筑概况 1 建筑平面图 该办公楼由地上36层 地下七层与周围地下七层车库连成一体 基础埋深26m 框架 核心筒结构 2 建筑立面图 图2建筑平面图 地上36层 顶部10层 主体高度156m 3 场地地层特点 图3场地地层柱状土 第 层为卵石 圆砾 第 层为细 中砂 是桩基础良好持力层 2概念设计2 1基桩设计采用后注浆灌注桩桩筏基础 设计桩径1000mm 按强化核心筒桩基的支承刚度 相对弱化外围框架柱桩基支承刚度的总体思路 核心筒采用常规桩基 桩长25m 外围框架采用复合桩基 桩长15m 核心筒桩端持力层选为第 层细 中砂 单桩承载力特征值Ra 9500kN 桩距Sa 3d 外围边框架柱采用复合桩基础 荷载由桩土共同承担 单桩承载力特征值Ra 7000kN 2 2承台结构形式由于变刚度调平布桩起到减小承台筏板整体弯距的作用 板厚可减少 核心筒承台采用平板式 厚度h1 2200mm 外围框架采用梁板式筏形承台 梁截面bbxhb 2000mmx2200mm 板厚h2 1600mm 与主体相连裙房 含地下室 采用天然地基 梁板式片筏基础 3基桩布置 图4桩基础及承台布置图 二种分析模式的比较 此外 现为广大工程师所熟悉的SETWE软件 引入了地下室侧壁土体的水平抗力系数的比例系数m 来考虑结构物与土体的共同作用 程序在 地下室 参数对话框中提供了侧壁回填土的m值的输入接口 需要明确的是 这里是将结构 地下室 侧壁土作为整体分析的 与规范附录C的区别见下图 二者的共同点是均利用了岩土工程中的重要参数m来考虑的承台侧壁土对水平地震作用的分担效果 六 桩基础抗震设计桩基础结构破坏 地基土失效以及桩基整体失稳 常常引起上部结构的整体性破坏 地震引发桩基沉降 倾斜 桩基结构轻度受损 将影响正常使用和使用寿命 因此桩基础的抗震 应从建筑物整体抗震的角度出发 确定相应的抗震设计原则 采取相应的抗震构造措施 进行相应的抗震计算 以达到抗震设防目标 从1976年唐山地震建筑震害的调查结果表明 桩基建筑与其他基础形式的建筑物相比 前者震害明显较后者为轻 换言之 桩基对于降低上部结构的地震反应起到明显作用 桩基础自身的震害也较浅埋的独立基础 条基为轻 但是从我国和其他多地震国家特别是1995年日本阪神地震震害调查分析表明 桩基的震害仍然不少 桩基震害与地质条件特点密切关联 上部结构形式与荷载特点 桩基抗震设计的合理性也是重要的影响因素 就地质因素而言 大体可以分别按非液化土和液化土两大类土中的桩基进行阐述和分析 一 震害特征1 非液化土中桩基的震害 1 软土中桩基的震陷设置于深厚软土中且桩端未进入良好持力层的基桩 地震时因软土触变桩侧阻力降低 桩端发生刺入式破坏 桩基发生突陷 如1975年墨西哥城地震时一座16层高的桩基大厦产生3 4m的震陷 该建筑打入火山灰沉积软土层 土的压缩性和含水量极高 桩侧 桩端持力层相近 从而导致在地震作用下引起外部荷载增加 基桩抗力降低的双重不利因素下发生突陷 我国1976年唐山地震 发生过望海楼软土地基上3 4层住宅筏形基础的10 50cm的震陷 主要是由于该住宅区场地软土地基容许承载力为30 40kPa 而实际采用57kPa进行设计 形成地基土较大的塑性区 震前沉降达25 85cm 倾斜最大达19 8 地震时在静荷载与地震作用力共同作用下 引起塑性区进一步开展 土体震陷 1976年唐山地震时 天津市桩基建筑震陷量一般不超过1cm 其主要原因是天津软土层性质相对较好 桩端进入较好持力层所致 2 软硬土层交界面处基桩的破坏唐山地震中 采煤井多在8 10m处开裂 经调查在该地区 地层上下均为砂层 8 11m间有一层粉质粘土层 据华北勘察院资料 砂的波速实测为330 525m s 粉质粘土的波速实测为245 293m s 二者相差较大 在地面运动过程中 会对井筒产生反复作用 致使井筒局部开裂 如图 为新泻地震中开挖调查的基桩破坏之一 该承台埋深约1 7m 桩长约11m 桩端持力层在中密的砂层上 在距承台下3m左右的松散砂层中夹着一层稍密砂 距承台下8m左右的稍密砂层中夹着一侧松散砂 震害表明 在这些N值突变的地方 基桩发生了弯剪破坏 基桩桩身破坏 根据基桩在分层土体中地震响应的初步研究 在土层水平刚度突变处 桩身弯 剪应力加大 因此在这些部位应加强箍筋和纵筋的配置 日本阪神地震后集中对施工中的基桩震害进行调查 结果发现 那些还没有施工承台的基桩 其桩身也有震害 如图 显然 桩身的裂缝是由于土层位移所致 与上部结构惯性力无关 尚未施工承台的桩身破坏 3 桩顶破坏桩顶与承台连接形式一般为桩顶嵌入承台深度5 10cm 桩顶钢筋锚入承台35倍钢筋直径 这种连接呈非理想嵌固状态 在水平地震作用下 桩顶承载力水平剪力和固端弯矩 弯剪应力集中 首先在连接处形成塑性铰 对于荷载大重心高埋深较浅的桩基 桩顶受循环作用的压 拔 弯 剪应力 导致出现桩顶混凝土压碎 钢筋压曲 钢筋拉脱 剪损等破坏形式 如图左2为灌注桩 右2为管桩 4 承台震害1995年阪神地震之前 世界各国对承台的震害调查资料相当缺乏 人们对承台在地震下的工作性状也了解甚少 阪神地震后 对承台震害做了专门调查和研究 发现承台在地震下也能破坏 下面介绍两例 实例1 柱下多桩承台的震害该工程为住宅楼 钢 混凝土组合结构 无地下室 PC桩基础 桩长不明 桩径600mm 承台埋深2 25m 地上11层 1987年竣工 本次调查其中的A B两栋 基础平面图 场地土层柱状图 BX1与BY1轴相交处承台破坏详图 BY1轴承台拉梁破坏详图 实例2 单柱单桩承台与连梁的震害该工程为住宅楼 钢筋混凝土框架结构 无地下室 钢筋混凝土灌注桩基础 桩长不明 桩径1200mm 1400mm 承台埋深2 2m 地上8层 1979年竣工 基础平面图 基础立面图 2 液化土中桩基的震害 1 液化而无侧扩情况下的震害1 日本新瀉地震 采用短桩基础的多层公寓楼 因地基土液化而整体倾覆失稳 房屋倾斜达80 a 2 震后数小时至一 二天后 带有超静水孔压的液化土冲破覆盖层 形成喷水冒砂现象 潜存于液化土中的能量释放后 土颗粒开始沉淀 出现土体再固结 对基桩产生负摩阻力形成下拉荷载 桩基由低承台演变为高承台 桩基的竖向承载力和水平承载力均大幅降低 桩基出现整体下沉 b a b 3 同一桩基中悬置于液化土中的短桩失效引发偏沉导致长桩折断下图所示天津散装糖库桩基 柱下4桩独立桩基一侧的桩长为18m 另一侧桩长为9m 12m 液化土层深度下界为15m 液化后 导致悬置于液化土层中的9m 12m桩承载力失效而偏沉 进入稳定土层的18m长桩负荷加大且承受偏心弯矩而折断 由此可见 桩端进入液化土层以下稳定土层足够深度是必要的 更应避免同一基础下部分桩悬置于液化土层中 4 液化土层中桩基的地面单侧堆载左图所示天津钢厂柱基地面 单侧堆载导致液化土产生侧向推挤而致桩身折断 5 液化而无侧向扩展地基土中的基桩 由于侧向土体约束衰弱 完全靠桩身抵抗地震作用 因此桩顶受压破坏严重 a PC桩纵筋压屈 b PHC桩头压碎 3 液化侧扩地基上桩基的震害液化且有侧向扩展的情况 不仅导致液化层范围基桩承载力削弱 基桩还要承受侧扩液化层的侧向推力和水平地震作用 因而液化侧扩地段桩基的震害程度要重于液化而无侧扩的地段 鉴于桩基所受水平推力十分突出 因而桩顶与承台连接处 液化土与非液化土界面 桩的剪力 弯矩高度集中 破坏更严重 其特征表现为桩顶与承台或者桩身上下彻底断裂 并且产生明显错位 此外位于岸边坡地的桩基发生整体失稳的可能性更大 液化侧扩地基上桩基整体震害 1 桩身 桩顶的破坏左图为阪神地震中素混凝土桩在桩头的破坏情况 由于地基土液化发生侧向扩展流动 使桩头发生水平直剪破坏 可见采用无筋素混凝土作为地基土的竖向增强体 其在地震设防区无法保证其具备必要的安全度 素混凝土桩桩头剪断 管桩剪断 2 液化侧扩区在建桩基 仅施工基桩和部分承台 基桩的震害1976年唐山地震时天津新港海洋石油研究所轮机车单层排架厂房正处于施工阶段 基桩和大部分承台已完工 上部结构尚未开始施工 故桩顶竖向荷载仅为承台自重 厂区位于新港航道南侧临海的新吹含砂新吹填土之上 吹填土厚度约2m 以下为夹粉砂黏土 淤泥质黏土 夹粉砂粉质黏土 粉土 粉砂 地震后发生向东北方向海边的液化侧向扩展 地表裂缝密布 特别是北面临海一侧 地面裂缝宽度一般10cm 最宽达20 30cm 喷水冒砂严重 承台向东向北 东北方向临海 方向发生位移 向东位移最大1 3m 向北位移均超过0 5m 承台向东北倾斜高差一般大于10cm 最大21cm 2桩承台位移和倾斜明显大于4桩承台 基桩为50 x50cm预制方桩和d 68cm的灌注桩 桩长均为26 5m 预制桩主筋为4 22 4 25 灌注桩主筋为8 16 震后选择有代表性的桩基进行开挖检查 开挖深度为4m 检查发现基桩震害有如下三个特征 详见图 本工程基桩的震害是在无上部结构荷载 仅有承台自重 条件下发生的 也就是完全由液化侧向扩展对基桩的水平推力和地层水平地震作用所致 二 桩基抗震设计的基本要求 1 建筑场地选址和勘察选择建筑场地时 应根据工程需要 掌握地震活动情况 工程地质和地震地震的有关资料 对抗震有利 不利和危险地段作出综合评价 对不利地段 应提出避开要求 当无法避开时应采取有效措施 对危险地段 严禁建造甲 乙类建筑 不应建造丙类建筑 对于无法避开抗震不利地段的桩基 在工程实际中比较多见 如建于软弱土 液化土 非岩质陡坡 河岸和土坡的边缘 平面分布上成因 岩性 状态明显不均匀土层中的桩基 在此情况下 桩基的抗震设计要求有别于抗震有利地段 包括基桩的选型 桩长 桩端持力层 抗震验算 如除桩基竖向承载力以外的桩基整体稳定性和桩身压曲 水平承载力等 2 抗震设防烈度为6度地区可不进行桩基抗震设计桩基础主要受上部结构惯性力 地基土强迫位移和地基失效等因素影响 调查表明 在抗震设防6度地区 液化 震陷以至滑坡等地基失效的情况极为少见 此外 地基土强迫位移也较小 上部结构按静力计算也可满足抗震6度设防的要求 综合起来 在6度地区可不进行地基基础抗震设计 即不用考虑软土震陷 液化和滑坡等 仅按静力荷载设计即可 3 同一结构单元不宜部分采用天然地基 部分采用桩基 这一问题应结合工程地质条件和上部结构情况分析确定 大体分以下三种情况 1 部分基岩浅基 部分填土桩基在山区 同一建筑场地常常出现大挖大填 形成一部分为基岩一部分为填土的情况 此时同一建筑的基础一部分采用基岩上的浅基 另一部分采用穿过填土的嵌岩桩 是完全合理可行的 因为这样既能确保沉降趋于均匀 也能使基岩上的浅基础和嵌岩桩基的地震反应相近 2 地基土质较差 部分复合地基 部分桩基同一主体建筑 当地基土质较差 而主体建筑面积大 设计者为节省造价 在部分土质稍好区段采用碎石桩等复合地基 而在土质差且厚度大的区域采用桩基 在正常静力荷载下 两种形式基础沉降差异不大 但在地震作用下 复合地基的沉降将大于桩基沉降 其差异沉降可能超过规范允许值 唐山地震中 天津化工厂某车间为五层框架结构 左侧采用筏板基础 右侧采用桩基 震后筏板基础沉降达30cm 且向右倾斜 而右侧桩基沉降较小 致使在沉降缝处造成局部破坏 如图 a b 天津碱厂压缩车间 厂房基础采用天然地基 震后下沉较大 而室内大型设备基础采用桩基础 震后下沉很小 造成室内地面与设备基础间差异沉降达20cm 如图 c 汶川地震中距北川极震区直线距离10km的安县 震后调整为7 5度 某工厂 三个车间分别采用钻孔灌注桩和振冲碎石桩两种性质截然不同的地基基础形式 导致震后沉降差达到300mm 主体排架结构遭到严重破坏 局部倒塌 如图 3 高层建筑主裙连体建筑高层建筑的高层主体与多层裙房 结构和基础多数不设缝连成一体 在此情况下能否部分采用天然地基部分采用桩基 应根据工程地质条件 主裙房荷载集度进行分析后确定 当地基土较好 裙房采用天然地基 主楼采用桩基是可行的 当地基土较差 裙房可采用疏短复合桩基 复合地基 主楼采用桩基 桩端持力层应置于压缩性较低的土层上 4 液化土 软弱黏性土层中的桩基1 存在液化土和软弱黏性土层的场地 桩端应伸入液化土层 软弱黏性土层以下稳定土层的长度 不包括桩尖部分 应按计算确定 对于碎石土 砾 粗 中砂 密实粉土 坚硬黏性土尚不应小于2 3倍桩身直径 对其它非岩石土尚不宜小于4 5倍桩身直径 液化土中基桩的配筋范围 应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度 其纵向钢筋 箍筋直径和间距应与桩顶部相同 当桩身长度范围内存在软硬互层时 在夹层界面上下一定范围内其纵向钢筋 箍筋直径和间距应与桩顶部相同 实际施工中是自顶加强至夹层下一定深度 软弱黏性土指7度 8度 9度时 地基静承载力特征值分别小于80kPa 100kPa 120kPa的土层 2 存在液化侧向扩展 2 液化层下界面倾斜度 5 和流滑 5 液化层下界面倾斜度 地段 距常时水线100m范围内的桩基宜采取防土体滑动等措施 并应对桩基的抗滑移问题和抗倾覆稳定进行验算 验算时应考虑土流动的侧向作用力 且承受侧向推力的面积应按边桩外缘间的宽度计算 3 处于液化土中的桩基承台周围 宜用非液化土 灰土 级配砂石 压实性较好的素土 素混凝土 填筑夯实 若用砂土或粉土 则应使土层标准贯入锤击数不小于现行抗震规范规定的临界值 地下结构或半地下结构的底面或侧面有液化土层且不处理时 宜确定液化后土的侧压力和上浮力增大对结构的影响 这主要是由于液化土的重度大于水的重度 导致地下结构所受侧压力和浮力增大 当近地表承台埋深范围为液化土或者地基承载力特征值小于40kPa的 或不排水抗剪强度小于15kPa 的软土 且桩基水平承载力不满足地震作用验算要求时 可将承台外每侧1 2承台边长和全部液化和极软土层进行加固处理 以大幅提高承台正面水平土抗力 4 软弱黏性土和液化土场地上的高层建筑桩基应采用筏形基础 基础埋深应不小于建筑物高度的1 18 当采用预应力混凝土管桩时 直径应大于400mm 筏基外排桩桩身强度宜适当加强 软弱黏性土上设置筏形基础 有利于基础底板与地基土协同变形 增强建筑物抗整体倾覆能力 由于软土侧限能力极弱 当在施工或其他原因形成高差时 土体易水平流动 使得建筑物发生倾斜 增加埋深能在一定程度上缓解这类不利因素 在软土中采用管桩 宜选择直径较大的桩型 以提高桩的抗侧刚度和抗水平承载力 试验表明 水平荷载下 外排桩受力最大 因此筏基外排桩桩身强度宜适当加强 液化土中设置筏形基础 筏板将阻碍液化土从建筑物内部喷出 降低液化程度 土体液化喷砂后 可能使地面下陷 增加埋深能增强建筑物抗倾覆能力 在液化土中采用管桩 宜选择直径较大的桩型 同样是为了提高桩的抗侧刚度和抗水平承载力 筏基外排桩桩身强度宜适当加强 除了考虑水平荷载下外排桩受力最大的因素外 还由于液化土在筏板下受阻可能侧向流动向室外喷砂 使得外排基桩受到较大水平力 5 液化土和地基静承载力特征值小于25kPa的极软土中的基桩桩身的受压承载力应考虑压曲削弱的影响 5 坡地 岸边桩基非岩质的陡坡 河 湖 岸边坡边缘均属于建筑抗震不利地段 但工程实践中由于用地紧张或工程使用需求等原因 这类地段仍不乏采用桩基的建筑 对于坡地 岸边桩基抗震设计应满足一下要求 1 桩基承台应与边坡顶边缘 含岸边 保持一定的水平距离 无论是纯土质边坡还是下伏完整基岩的土质或强风化 全风化岩质边坡 建筑桩基承台边缘与边坡顶边缘应保持一定的水平距离 边坡坡角一般应小于45 坡高不超过8m 在此情况下 对于多层建筑桩基可不验算地震作用下的整体稳定性 2 建于坡地 岸边的高层建筑桩基 宜采用筏形承台 以增强桩基的整体抗倾覆能力 基桩不宜采用挤土桩 以减少挤土效应对边坡稳定性的不利影响 新建坡地建筑桩基工程应与建筑边坡工程统一规划 同步设计 合理制定施工组织设计 3 建于坡地 岸边的高层建筑桩基 应进行地震作用下的整体稳定性验算 基桩对抗滑移稳定起到增强作用 由此导致桩基在地震作用下的整体稳定的制约因素较多 因此应考虑建筑物荷载 水平地震作用 地质因素等进行抗滑移稳定性验算 当存在液化侧向扩展时 尚应计入液化侧扩水平推力 三 桩基抗震承载力验算1 液化土中桩基抗震 详解 2 边坡桩基抗震 简介 1 液化土中桩基抗震 低承台桩基础 主震时部分失效 高承台桩基础A 主震时10m以上全部失效B 余震时20m以上全部失效 1 液化折减系数根据新瀉地震砂土液化调查 N小于0 6时几乎全部液化 当 N大于1 0时一般不发生液化 N介于0 6至1 0之间 有液化的可能性 则通过折减系数的方法处理 工程中液化深度是以地面下20m为界限的 地震时地基振动状态也随深度而有不同 深度大于10m的土层完全液化的实例很少 考虑这一因素 在主震时折减系数以10m为界 土层液化折减系数 dL的工程含义 日本高速路桥桩侧可液化土折减系数 2002年 表中FL R L 为液化抵抗系数 也称液化安全系数 相当于上页表中的 N 其中R为动力剪切强度比 L为地震时的剪切应力比 其本质是对土力学参数的折减系数 如C N E m等 也是进行抗液化设计的核心参数 规范表5 7 5 地基土水平抗力系数的比例系数值m中注3 当地基为可液化土层时 应将表列数值乘以本规范表5 3 12中相应的系数 l 如何理解 当承台底面上下分别有厚度不小于1 5m 1 0m的非液化土或非软弱土层时 可将液化土层极限侧阻力乘以土层液化折减系数计算单桩极限承载力标准值 当承台底非液化土层厚度小于1m时 土层液化折减系数取0 抗震设计地基面的概念 当地面下一定深度存在非完全液化土层时 可将承台置于该土层上 同时将液化土参数 m 进行折减后使用 因此有没有3m非液化土 对折减系数并没有影响 液化折减系数对桩数量 按水平承载力计算 的影响 对于液化折减系数的变化 必然对桩数量产生影响 经过试算 绘出规律如上图 系数愈小 计算桩数量愈多 当系数为0时 土层不考虑承载力 桩数则会急剧增加 多层弹簧支撑的弹性地基梁模型 由于本规范采用了折减系数法 故在桩基础设计中必须考虑三层土层的地质条件 且应以多层弹簧支撑的弹性地基梁进行分析 如左图 事实上为简化计算 只需要对1 长度内的参数进行折减 即可得到一定精度的解 2 桩身压曲计算长度 注3 h为桩的入土长度 当桩侧有厚度为dL的液化土层时 桩露出地面长度l0和入土长度h分别调整为 这里重复计算了压曲计算长度 实际工程中按不调整长度计算 3 基桩承载力的抗震验算 地震作用效应和荷载效应标准组合 轴心竖向力作用下 偏心竖向力作用下 除满足上式外 尚应满足下式的要求 一个错误的算法 某基桩 土对桩的支撑力极限值Quk为18000kN 那么Ra 9000kN 桩身强度设计值为10935kN 对应的承载力特征值为8100kN 此时竖向抗压承载力由桩身强度控制 取Ra 8100kN进行抗震验算时NEkmax 11000kN 承载力满足要求 X 桩身强度不满足要求 压曲长度计算模型 例一图 例一 如图 钢筋混凝土灌注桩 混凝土强度等级C40 钢筋HRB335 12 16 桩径d 600mm 桩长35m 桩端持力层为卵石 3x3 9桩承台 承台底标高为5m 地面以下深度20m范围内全部为液化土 液化判别系数 分别计算地震时和地震后的桩身承载力 1 主震时 10 20m深度液化土中m 30 3 10MN m4 承台侧面为可液化土 0 10m范围内为高承台桩基础 桩的水平变形系数 桩身压屈计算长度 桩身长细比 查表得桩身稳定系数 2 震后 非地震时 20m以下深度非液化土m 30MN m4 0 20m范围内为高承台桩基础 桩的水平变形系数 桩身压屈计算长度 桩身长细比 查表得桩身稳定系数 液化土中桩基础的验算 注 1 桩承受地震作用 不能计入承台侧壁土体作用 2 计算桩身结构承载力时应用荷载设计值 3 计算桩顶位移或验算土对桩的竖向支撑力时应用荷载标准值 为方便验算 用荷载设计值计算桩身内力 N V M 和桩顶 稳定地面 位移 例题 见 应用手册 第8章 对计算结果的讨论 从前面计算看 通常竖向承载力由非抗震时控制 这是因为液化后非抗震时 竖向荷载与余震相比没有减小 但竖向承载力没有乘以1 5的增大系数 因此验算难以通过 需要指出的是 此时仍然采用综合安全系数2 0 考虑到这种受力状态时间不长 震后一段时间会加固 故可否采用1 5 2 0的系数值得探讨 实际工程中采用1 5应当是许可的 这样竖向承载力估计还是有余震控制 水平承载力由主震时控制 这是因为主震时完全液化土层较厚 产生弯矩较大 上例给的是钢筋混凝土剪力墙结构 剪重比 V G 仅取3 实际工程往往 1 这使得分配到单桩桩顶的剪力较小 弯矩也较小 而对于一些楼层较低的框架结构 剪重比 V G 可达15 单桩桩顶分配到的剪力反而大 此外此类结构埋深也浅 桩顶受力更大 因此桩基础的抗震 不能仅仅重视高层建筑 还需要重视多层建筑桩基础在液化土中的抗震验算 承台结构承载力抗震验算承台体系在结构中的地震响应主要与上部结构动力特性相关 受地基土动力特性影响较小 因此将承台体系作为上部结构抗侧力体系的一部分是合理的 此外承台体系还是整个结构的支撑 将塑性铰控制在柱底而非承台是结构整体安全性的重要保障 从目前收集的震害资料看 框架结构中天然地基上的柱下条形基础在梁边存在弯曲破坏特征 框架结构中桩基础的独立承台也有单侧出现斜裂缝的剪切破坏 鉴于基础 承台 的重要性以及修复的难度 应对承台体系进行抗震设计 承台的承载力抗震调整系数 RE 当前建筑结构抗震设计方法 对各种材料 各种形式的结构均采用所谓的 小震 来计算地震作用 难以区分材料延性与结构延性的差异 因此借用承载力抗震调整系数 RE 一方面体现了地震的短期特性取 RE 0 8 另一方面为体现材料的延性特征及受力状态 规定 RE在0 8附近上下浮动 但是最重要的结构延性特征却无法体现 对于承台及基桩这样的基础构件 设计目标是 在设计地震动加速度作用下 应保持弹性 因此不宜考虑构件的延性特征 即不区分材料及受力状态 均取 RE 0 8 1 无地下室且位于8度 9度地区的框架柱下承台 应进行抗震设计 一般地 8度及以上地区的框架结构或框架 剪力墙结构 层数不高时常常不设置地下室 当地基土条件较好时 基础设计为柱下条形基础 当地基土条件差时 设计为柱下独立桩基承台 并有连系梁联结 形成承台体系 此时框架柱抗震等级一般为一 二级 柱底弯矩乘以增大系数1 5和1 25 震害调查表明 条形基础梁或承台有破坏可能 因此验算承台承载力时 应将承台顶部荷载乘以增大系数 为控制塑性铰在柱底而不是基础梁端形成 应使基础梁 承台 柱节点左右端截面实际受弯承载力之和不宜小于柱下端实际受弯承载力 2 位于8度 9度地区的框架结构 设置地下室时 应按要求密实侧壁回填土 此时承台体系可不进行抗震设计 3 位于7度及以下地区的建筑物承台体系 可不进行抗震设计 四 桩基抗震构造措施 三个重点 1 灌注桩桩身配筋桩身长度范围内存在液化土或软硬互层时 在这些性质差异较大的土层中 地震波速差异显著 致使土层界面附近土体位移急剧变化 基桩随土体变形而产生较大内力 根据震害调查发现 这类弯 剪破坏并不比桩头破坏严重 因此可以认为 土体位移对基桩产生的内力与桩头在一个数量级上 工程实践中 当桩头配筋足够时 将纵筋与箍筋延伸至液化土或软硬互层附近 应该是能保障其安全 因此规定 液化土中桩的配筋范围 应自桩顶至液化层以下进入稳定土层深度不应小于 4 0 其纵向钢筋 箍筋直径和间距应与桩顶部相同 当桩身长度范围内存在软硬互层时 在软层以下2d范围内其纵向钢筋 箍筋直径和间距应与桩顶部相同 2 预应力混凝土空心桩预应力混凝土空心桩常用于上覆土层较弱的地区 这些地区土层多是砂土 粉土与黏性土 淤泥质土交互成层 某些地区管桩穿过软弱土层 置于基岩上 使得地震下基桩承受较大的土层差异变形引起较大弯 剪内力 此外预制空心桩配筋少 钢筋细 混凝土截面小 抗弯和抗剪承载力均较低 阪神地震震害调查也表明 预制空心桩破坏较为严重 因此预制空心桩不宜用于8度及以上地区 不应用于有液化土层 空心桩挤土消除土体液化的除外 极软土层场地 采用钢筋与端板焊接连接法可靠性低 因钢筋锚入承台后受力不均 受力大的钢筋先拉断 然后各个击破 2009年天津某工程就发生此情况 引起上浮 难以加固 3 承台与钢筋混凝土柱的连接 对于多桩承台 柱纵向主筋应锚入承台不应小于35倍纵向主筋直径 非抗震 地震作用下 根据震害调查 建筑工程震害中还未见柱纵筋从承台拔出的案例 但在高架桥柱根有钢筋被拔出的情况 可见对于超静定次数较多的建筑结构 具有更好的整体性 但对于那些位于高烈度区且无地下室的框架结构 柱根纵筋仍需可靠锚固 因此规定对于一 二级抗震等级的柱 纵向主筋锚固长度应乘以1 15的系数 对于三级抗震等级的柱 纵向主筋锚固长度应乘以1 05的系数 当承台高度不满足锚固要求时 根据抗震需要竖向锚固长度不应小于20倍纵向主筋直径 纵筋下部应向柱轴线方向呈90 弯折 如图 美国标准ACI318 05第21 10 2 2条规定 按在基础处为固定端的假定设计的柱纵筋应可靠锚入基础 若要求设置弯钩 则抗弯纵向钢筋应在接近基础底面处设置90 弯钩 弯钩的自由端指向柱中心 M1