液化土中樁基的抗震設(shè)計

1、江蘇建筑2009年第6期（總第131期）液化土中樁基的抗震設(shè)計包寧翔（江蘇南鋼高速線材廠,江蘇南京210007）摘要根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2008年版）及建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008），對比總結(jié)了國內(nèi)外液化土中樁基抗震設(shè)計的方法，并提出了各種簡化設(shè)計方法中存在的問題，指出了液化土中樁基抗震應(yīng)采用的研究方向。關(guān)鍵詞樁基；液化土；抗震設(shè)計中圖分類號TU441.4文獻標(biāo)識碼B文章編號1005-6270（2009）06-0065-02SeismicDesignofPileFoundationinLiquefiableSoilsBAONing-xiang(NangangHigh-speedWi

2、re-rodfactory,NanjingJiangsu210007China)Abstract:AccordingtoCodeforseismicdesignofbuilding（theeditionof2008）andCodeforpilefoun-dationtechniqueofbuilding（JGJ94-2008），contrastingandsummarizingthemethodsfortheseismicdesignofpilefoundationinliquefiablesoils.Indicatedtheproblemsexistinginallpredigestedde

3、signmethods,putforwardtheresearchdirectionintheapplicationofseismicdesignofpilefoundationinliquefiablesoils.Keywords:pilefoundation;liquefiablesoils;seismicdesign引言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?，對于我國的國民經(jīng)濟建設(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，在實際工程中，對于中等以上液化的場地，我

4、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，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；而液化土中樁基的抗震設(shè)計更成為其中的熱點。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

5、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)問題還遠遠未達到實用階段，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。本文旨在總結(jié)液化土中樁基抗震設(shè)計現(xiàn)狀，為我國液化土中樁基的抗震設(shè)計提供建議，并且指明了液化土中樁基橫向承載特性。11.1現(xiàn)行及歷史各規(guī)范中液化土中樁基抗震計算方法現(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)

6、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用衰減，加上折減系數(shù)這個因子從而也得到了補償。（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

7、的基礎(chǔ)上，還應(yīng)按靜力荷載組合校核樁身的強度與承載力。這是因為液化土中空隙水壓力的消散往往需要很長時間，往往于震收稿日期2009-02-10作者簡介包寧翔，男（1975-），南鋼有限公司高速線材廠，助理工程師。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。江蘇建筑2009年第6期（總第131期）分二階段進行：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，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

8、略液化影響，按非液化土情況進行樁的校核。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

9、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)振動臺實驗已證明，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。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

10、土不液化、樁基外側(cè)無應(yīng)力擴散的假想墩式基礎(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

11、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（JGJ480）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”，是考慮液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，

12、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。22.1各規(guī)范中存在問題探究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

13、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)生較強余震時是否危險要進一步論證。以上方法，均缺少足夠的實際樁基震害校核。2.2土層交接面處的樁基分析震害實錄與數(shù)值分析已經(jīng)證實，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動時的樁身內(nèi)力，得到了一些重要的結(jié)果。地震

14、對樁的作用相當(dāng)于樁頂水平力作用與土層運動之和；土層運動產(chǎn)生的樁身內(nèi)力以土層的剛度變化處為最大；地震動越強土層運動對樁身內(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]地震時土層運動的影響，于是地震動越強，計算地震時的（下轉(zhuǎn)第83頁）1.4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2m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江蘇建筑2009年第6期（總第131期）高性能混凝土施工管理重點及質(zhì)量控制要素、程序見圖2。5結(jié)語對上述項目的具體控制方法、指標(biāo)在此未予

15、詳述，這些控制指標(biāo)、控制方法、控制內(nèi)容、施工操作工藝等在客運專線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、驗收規(guī)范、施工指南等規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化文件中已有全面、詳細的要求。本文在此僅列出高性能混凝土施工管理及控制重點、項目內(nèi)容、關(guān)鍵控制指標(biāo)，著重于介紹高性能混凝土施工技術(shù)上和管理上的特殊性。參考文獻12吳中偉.高性能混凝土(HPC)的發(fā)展趨勢與問題J.建鐵建設(shè)2005160號,鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補筑技術(shù),1998(1):8-13.充標(biāo)準(zhǔn)S.2005.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

16、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。這一要求外，未見其他國家有明確的要求。

17、3結(jié)語近年來在樁基震害實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，如各國的海工、港工、公路、建筑等部門均已提出樁基抗震設(shè)計的修改案，并作出針對性的實驗，但鑒于實際震害資料的局限性以及液化土中樁基動力響應(yīng)問題的復(fù)雜性，要建立經(jīng)濟實用、安全可靠的液化土樁基抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尚須進行大規(guī)模的系統(tǒng)研究。作者認(rèn)為今后的研究路線應(yīng)從實際震害資料的收集、整理和分析出發(fā)，采用模型試驗方法與數(shù)值模擬計算方法相結(jié)合的研究手段，來深入研究液化土中樁基的動力響應(yīng)問題，為液化土中樁基的抗震設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。參考文獻12245GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2008）S.中國建GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范S.中國建筑JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范S.中國建筑工業(yè)出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)于樁的豎向筑工業(yè)