桩伴侣与基桩抗震的概念设计

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1、桩伴侣与基桩抗震的概念设计薛江炜1,2 蔡景珞1,3 杨勇1 (1. 太原理工大学，山西太原030024；2.太原市住房与城乡建设委员会；3. 华北科技学院，北京东燕郊101601)摘要：地下室外墙、承台侧壁等侧向构件承担水平荷载具有很大的不确定性，常规采用的低承台桩基有可能承受较大的甚至导致破坏的水平力，建议用桩伴侣改善传统基桩的构造形式，特别是对于承台与桩间土摩擦力小或者桩身范围地基土模量低的两类状况，在罕遇地震时作为抗震概念设计的耗能构件，首先牺牲伴侣，避免或延迟桩头的破坏；复合地基如果设计不当会破坏或削弱褥垫层隔震的效果，可在伴侣与桩之间预留缓冲空间。关键词：桩伴侣；基桩抗震概念设计；

2、牺牲伴侣；褥垫层中图分类号：TU375.4 文献标识码：A文章编号：（此编号投稿时为空）Pile Partner and the Conceptual Earthquake-Resistant Design of Foundation PileXue Jiangwei1,2 Cai Jingluo 1,3 Yang Yong 1 (1. Taiyuan University of Technology, Taiyuan,Shanxi 030024, China; 2. Taiyuan Committee of Housing & Municipal and Rural Construction

3、,Taiyuan,China; 3. North China Institute of Science and Technology, Beijing101601, China)Abstract : It is uncertain that the lateral components such as basement wall and cap side wall bearing horizontal load, so the conventional pile foundation with low cap might endure lateral force that is larger,

4、 and even cause its damage, propose the applying of pile partner to improve traditional foundation pile structure form, especially when there is few frictional force between pile cap and soil, or the soil modulus is small, partner can be component for anti-earthquake concept design under rare earthq

5、uake action, pile partner may sacrifice firstly to keep pile perform well; The improper design of composite foundation will destroy or weaken the isolation effect of pillow, and can be solved by reserving buffer space between pile and partner.Keywords : Pile Partner；anti-earthquake concept design of

6、 pile；pile partner sacrificed firstly；pillowE-mail：引言上海闵行区某在建13层楼房倒塌后，江欢成院士在接受记者采访时也表示：“空心桩是很好的桩型，节省材料，垂直承载力很强。同时，从设计角度来说，建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力。”“建筑物采用的桩基”可默认为是桩身全部埋入土中的“低承台桩基”，或者是刚性桩复合地基中的“竖向增强体”，以区别于“桥梁或其他构筑物采用的桩基”，即桩身上部露出地面、承台底位于地面以上的“高承台桩基”，同时，对于“建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力”一说应当可以有如下的理解:作者简介：薛江炜，博士研究生，高级工程师收稿

7、日期：2012-04-19 （1）建筑物受到的地震、飓风等水平荷载几乎完全由桩以外的其他某种构件或措施来抵抗；（2）即使作用有水平荷载，但由于桩身全部埋入土中，其受到的水平应力也小到可以忽略。“建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力”还可以理解为“桩基自身并不具备抵抗水平推力的能力，或者抵抗水平推力的能力很弱”，这是因为作为细长的杆件，桩在垂直于竖向荷载平面外的抗弯、抗剪刚度极低，基于这一原因，在常规设计中，桩通常不作为抵抗水平荷载的构件，如果需要抵抗水平荷载或倾斜荷载，桩也需要相应地水平或倾斜设置。地下空间的利用、相邻建筑的影响、基坑开挖、堆载、地下水的不均匀变化都会产生作用于地基土的水平方向的

8、“压力差”，风荷载会对地基基础产生持续作用的水平荷载，地震加速度也是一种瞬时往复作用的水平荷载。对于抗震设计，结构专业按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的“三个水准”的抗震设防目标，采用两个阶段设计法：按低于本地区基本烈度1.5度的小震验算结构构件的承载能力和弹性变形（不坏），默认其能够满足第二水准的设防要求(可修)，通过概念设计和抗震构造措施通常也默认其能够满足高于本地区基本烈度1度的罕遇地震下第三水准的抗震要求（不倒）；对特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，除进行第一阶段设计外，还要按大震作用时进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算和采取相应的构造措施，进行第二阶段的弹塑性变形验算，实现第三水

9、准的设防要求。对于岩土工程的基桩来说，通常采用的都是比较廉价的低配筋或无配筋的构件，例如相对于结构梁柱来说配筋率很低的灌注桩、PHC管桩、素混凝土桩、CFG桩等，在弯剪荷载作用下表现为脆性破坏，并不具备弹塑性变形验算的条件，因此，基桩抗震的概念设计就显得尤为重要。1 低承台桩基是否承担水平力的讨论建筑物在受到地震、飓风等水平荷载作用时，常规采用低承台桩基是否会承受类似于高承台桩基的导致破坏的、较大的水平力，长期以来，在土木工程界，无论是设计规范还是设计师，对这一问题始终存在异议，并无定论。在结构专业中，与桩基的水平受荷相关联的是建筑结构嵌固端的选取，这同样是一个经常引起争议的问题。从物理学的角

10、度来说，桩、基础底板与上部结构是一个整体，在计算结构的固有频率或固有周期时，理论上应将基桩也考虑在内，而将桩周土与地下室侧面的填土作为阻尼。但这样将使结构的抗震计算异常复杂，于是结构专业引入了嵌固端即材料力学的固定端概念来使得计算得以简化。当下部结构（或基础）的相对位移足够小时，便可将下部结构（或基础）作为其上部结构的嵌固端，人为认定其转角、平动位移均为零，嵌固端位置的选择可以是转换层大底盘、首层地面、室外地坪、某层地下室、基础底板、基桩承台梁等等。如果简化计算的误差在工程可以接受的范围内，则可以认为是合理的。通过简化计算，结构专业上部结构抗震验算的问题基本可以解决，嵌固端与上部结构连接部位的

11、内力也可明确。但事实上，嵌固端只是相对位移比较小，并非真的为零，嵌固端以下的下部结构（或基础）的内力和位移也并未通过上部和下部结构的整体计算得到结果，于是，关于桩是否承担水平力目前也只能从概念上来讨论。比较直观的例证是基桩的震害。1.1日本对低承台桩基震害的认识和实例日本是一个地震多发且经济发达的国家，主动认真地去预防灾难的意识很强，经济和技术能力也有保障，发生强烈地震的损失和伤亡相对很小（地震诱发的海啸除外）。日本的文献资料中针对桩基的抗震研究所占的比重较大，其中有一些专门针对低承台桩基的震害研究。例如SUGIMURA YOSHIHIRO1等以试验再现了1978年宫城县6.8级地震中PHC桩

12、的几种震害状况，与普通的受弯、剪构件类似，剪跨比较大则发生弯曲型，剪跨比小则发生剪切型破坏；古和田明 2等对1995年兵库县7.2级地震中的桩基震害进行了详细调查并分析了其破坏机理；SUGIMURA Yoshihiro3等应用分布式荷载方法，实证研究了地震导致液化导致的埋置较深部位预制混凝土桩的破坏情况，称为K-型破坏模式。结果表明滑动面上的应力超过了桩的极限强度，作者提出考虑相对极限荷载工况下的实际性和重要性，包括滑动面的集中荷载和主动土压力的分布荷载；SEO Shirou4等通过对基础与上部结构相互作用的分析，结合震害调查，得出了建筑与场地的固有周期与震害状况的一些规律，认为只有当建筑物坐

13、落在卓越周期是0.1-0.2s的基岩上，且其固有周期较大的情况下，震害才主要发生在上部结构，而在其他情况下，特别是卓越周期较大的松软土上，建筑物的基桩都会发生破坏，尤其是桩头部位。1.2我国对低承台桩基震害的认识2006年，宋天齐5提出，地震时水平地震力对桩造成破坏(例如桩头)，但震害表明，按静力设计的低承台桩基，抗水平力能力足够，一般可不必进行抗震计算；龚昌基6也认为，水平外力要由地下室外墙（或承台、地梁）和桩共同承担，特别是在地震作用控制时，主要由前者承担，而桩主要用以承担竖向荷载，并且多方求证，汶川地震没有低桩承台的桩基出现剪切破坏的事例，至于日本阪神地震严重的桩基震害，绝大部分是因土层

14、液化等地基变形所致，或是桩的持力层有问题，导致竖向承载力不足，建筑物先出现不均匀下沉“大倾斜”，然后出现桩头剪切破坏。笔者能够检索到关于汶川地震建筑工程桩基震害的文献仅有王丽萍7等对典型山地建筑结构房屋震害调查，列举了桩基承台露出地面，架空层的梁被直接搁置于承台顶面或与承台整浇，梁的端部发生破坏或是承台拉裂的实例，建议设计时勿用桩代替柱，如代替柱，桩应按柱设计，由于桩基承台已露出地面，这时的桩尽管位于地面以下，但不属于建筑工程中典型的低承台桩基。1.3桩基震害现象和认识不同的原因分析对于基桩的震害，为什么会有上述两种截然相反的现象和认识呢？黄清猷8认为对于脆性砖房，在小震时(约6度)，上部砖砌

15、体已基本开裂、分解，失去整体结构刚度，后续而来的强震能量摧毁了上部墙体和构件，上部结构倒塌，保留了下部基础的存在。陈跃庆、吕西林9提出：与建筑物上部结构震害相比，关于桩基震害的报导较少，这一事实说明，桩基震害可能是少的；还可能是由于桩基埋藏于地下，震害不易被发现，在某些情况下桩基的破坏及其后果是十分严重的。韩小雷10等提出由于高层建筑地下室的施工，大多数都要做基坑支护或做外防水层，一般都有基坑回填的问题，因此很难提供较大的侧限力。而且，在遭遇较大地震时，根据“松土振密、密土振松”的常识，在反复荷载作用下，桩承台周围很难存在稳定的土层，回填土的残余压缩变形也会逐渐增大，实际上地下室外壁有可能会与

16、周围土体脱开而使侧限力趋于零。应当明确的是，结构专业假设的相对嵌固端与真正意义上的绝对固定端是两个概念，甚至当结构专业对建筑物采取隔震措施后，反而应当避免基坑侧限以免削弱隔震效果。在确定地基竖向承载力时，岩土专业也是依据基坑非嵌固的整体剪切破坏模式进行计算的；如果认同基坑嵌固，那么应当以冲剪破坏模式确定地基竖向承载力，则竖向极限承载力几乎是无穷大。显然，传统上岩土工程专业在对待地基竖向承载力与桩水平承载力的问题上存在双重标准。总之，地下室外墙、承台侧壁等侧向构件承担水平外力具有很大的不确定性，不应当或者只能较少考虑其对水平外力的分担作用；这样，为了平衡上部结构由于风力或地震加速度产生的水平剪力

17、，只有将荷载传递到基桩或基桩周围更深的地基土，由此应当较多考虑甚至完全由基桩和桩间土分担水平外力；按照常规的设计和基桩的构造，这一水平外力足以导致基桩的破坏，也存在“桩的某个部位首先遭到破坏进而导致竖向承载力不足”的可能性，因此，在工程设计、应用实践中，应当充分重视提高“建筑物采用的低承台桩基”承受水平荷载的能力，加强低承台桩基承担水平荷载的研究。2 低承台桩基抗震的概念设计简明地基基础结构设计施工资料集成11一书将承台定义为：“连接基桩桩顶，并将上部荷载传递给基桩”这样一个“桩基的组成”部分；若桩身全部埋入土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；当桩身露出地面而承台底面位于地面以上，则称

18、为高承台桩基。陈孝堂12引用了1959年我国铁路桥涵设计规范(铁基总技武58字第402号)的划分法：承台底面埋入地面或局部冲刷线以下大于一定的埋置深度h时才按低桩承台设计，并提出这种划分法的物理意义是只有作用于桩基的水平力全部由承台侧面被动土压力平衡的条件下才按低桩承台设计，实际建筑物低桩承台定义宜理解为桩承台顶面位于地面以下且承台周围为稳定土层的桩基。这一划分不以表面上的“桩身埋入土中”为依据，而是考虑了埋置深度和受力，具有真正工程意义，然而遗憾的是自1959提出后，没有得到进一步的发展。由此也可知，承台或桩身是否全部埋入土中并不是基桩是否承担水平力的分界线。事实上，建筑工程低承台桩基的地基

19、基础在不同程度上存在着上述两种状况之一或其组合：（1）桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，承台与土已经不在接触，或者是承台与土之间虽然未分离，但上部荷载几乎完全由刚性桩基承担，承台与土之间的接触压力很小，承台底与地基土之间的摩阻力可以忽略不计时；（2）桩周土为淤泥、淤泥质土、饱和湿陷性黄土、流塑、软塑状黏性土、e0.9粉土、松散粉细砂、松散、稍密填土时，桩基规范13中地基土水平抗力系数的比例系数m值在10以下，或者是承台周围为可液化土尚未完全处理或无法彻底消除在遭遇较大地震时。桩基规范13规定承台侧面回填土为松散状态时取承台侧向土抗力效应系数为零，如果不考虑或较少考虑地下室外墙、承台侧壁等侧向

20、构件分担水平荷载，则在上述条件下，7度或7度以上抗震设防的地区，对于采用管桩做桩基础的建筑工程，按照竖向荷载选定的管桩型号，往往通不过常遇地震荷载不利组合的水平承载验算复核，按照常规的设计则需要按照水平承载的要求增大管桩的断面，试验114和震害调查234都证实，桩头受到的应力最大，破坏也最严重，则可以考虑增设伴侣1516，使基桩的应力水平降低，也相当于桩头的局部增强，而不必使桩身的全长范围的断面都增大。即使考虑地下室外墙、承台侧壁在常遇地震下分担一定的水平荷载，使基桩通过小震荷载验算，但也很难想象在地震烈度增大2.5度的罕遇地震下，地面震动的往复运动仍始终维持在很小的位移水平，由于桩伴侣自身的

21、抗弯刚度可比桩大很多，借鉴结构工程“小震不坏，大震不倒”的思路，也可将桩伴侣作为耗能构件，首先牺牲伴侣，避免或延迟桩头的破坏，或减轻桩头破坏后对竖向承载力的不利影响，从而使普通建筑基桩的抗震性能都能满足张季超17、杨永康、王可怡等(2011)提出的第一水准的性能目标A，即：罕遇地震下“基本完好，承载力、变形在规定范围内，功能不受影响”。为了将其与工程实践中地基土能够提供足够约束的“典型的低承台桩基”相区别，本文建议将上述承台与土之间的接触压力小或地基土约束力差的低承台桩基称为“非典型高承台桩基”，将其从“典型的低承台桩基”中细分出来，使桩基的分类更科学系统，也可以引起广大设计、施工人员对这类侧

22、限约束差的低承台桩基的重视，避免对待这类桩基在承受水平、地震荷载上时存在的侥幸心理和麻痹大意，具有更为切合实际的工程意义。3 复合地基基桩抗震的概念设计刚性桩复合地基设置褥垫层目的从竖向承载来说是为了协调桩土变形，实现桩土共同工作；而从水平承载来说正是为了减小水平荷载作用下的桩身应力，水平静载试验18证实，对于有水平荷载存在的复合地基，桩身剪应力分布表明褥垫层的有利影响显著。徐志国、宋二祥19（2004）通过有限元分析研究了刚性桩复合地基的抗震性能，所计算的模型显示刚性桩桩身的弯矩明显小于桩基础，最大弯矩仅为桩基础的约1/3；刚性桩桩身的剪力亦明显小于桩基础，最大剪力约为桩基础的65%。但是，

23、刚性桩复合地基的抗震的概念设计中，褥垫层之所以能够隔震是因为设置褥垫层后使得基础底板能够自由水平移动，而在高层建筑中，往往需要在地下室设置积水坑或电梯管道井坑（图1），限制了基础底板的自由平动或水平位移，无法将上部结构的水平荷载传递到基础地下室外墙，水平荷载只有向下传递这一条主要的路径，从而将几乎全部水平荷载传递到基础底板以下，通过褥垫层向刚性桩和地基土来分配，这样，复合地基中的刚性桩与桩基础中的基桩所承受水平荷载就差别不大了，可以想象，这对于抗弯、抗剪能力很低的CFG或PHC桩来说，如果作用较大的水平荷载，其后果可能是灾难性的。 图1 高层建筑地下室电梯井坑施Fig.1 Constructi

24、on of elevator well pit in the basement of high-rise buildings由于在某种程度上默认了褥垫层的隔震作用，对于复合地基中的刚性桩在横向动荷载、特别是地震荷载下的动力响应问题本身就涉及较少，在已有的研究和规范中，仅考虑了对设置井坑的基础底板进行局部加强，并未考虑井坑对于水平荷载（主要是地震荷载）的传递和分布的影响，属于结构和岩土都不过问的灰色地带，有关研究尚属空白。此外，褥垫层如果较薄或模量较高，也会破坏褥垫层隔震的效果，提高桩顶的应力水平。胡再强20、王军星、刘兰兰等（2008）采用大型非线性有限元程序ADINA，针对复合地基-基础-上

25、部结构典型算例，建立了计算模型，并进行了有限元动力时程分析，研究了上部结构在不同垫层性质（不同刚度和不同厚度）作用下的动力反应，计算的结果也显示，对于刚性桩复合地基，只有当褥垫层的变形模量在10MPa以下，才能取得一定的减震隔震效果，并认为褥垫层在多地震地区往往成为地基-基础-上部结构的薄弱环节，桩体刚度越大，这种作用越明显，因而建议多地震地区应少用刚性桩式复合地基。褥垫层常规采用的沙石垫层，一般变形模量都在30 MPa左右，而且在上部荷载的作用下，其变形模量还会有较大幅度的提高，所以，常规0.2-0.3米左右褥垫层厚度的隔震效果可能不一定能完全满足复合地基中刚性桩的隔震要求，再联系到复合地基

26、中刚性桩，抗弯抗剪的能力极低，以及施工中简陋粗糙的桩头修补方法（图2），的确还需要业界的重视、慎用和进一步研究。复合地基技术规范（征求意见稿）21规定“刚性桩复合地基中的混凝土桩应采用摩擦型桩”也是为了保证基桩的水平承载安全而限制桩土应力比。 图2 修补桩头Fig.2 Patching pile head水平荷载作用下带伴侣的桩工作性状数值分析的对比计算研究中16，可知桩顶与基础底板脱开后，水平荷载下桩身应力大幅度降低；在配备桩伴侣的情况下，桩伴侣与承台刚接，将桩与承台的连接方式由刚接改为铰接也能大幅度减小桩身内力，从而使低配筋或无配筋的CFG桩、PHC管桩应用于地基工程成为可能。桩伴侣内的地

27、基土对桩顶有一定的拖曳作用，相比褥垫层来说，桩伴侣使桩基的水平位移和内力均有所增大，说明桩伴侣减震的效果可能不如褥垫层，但桩伴侣可增大基础埋深或承台与土之间的水平阻力，能够约束承台下一定范围的地基土，带伴侣的桩在提高地基承载力方面以及地基由于地震液化等原因失效后减小场地震害等方面的性能可能优于褥垫层复合地基。如果验算带伴侣的桩水平承载不足，可以将桩头侧面一定范围的地基土替换为松散材料，预留缓冲空间，类似于桩“扣眼22”或桩“套袖23”，可同时起到向土传递水平力、对桩阻隔水平力的双重作用。4 结论和建议（1）地下室外墙、承台侧壁等侧向构件承担水平荷载具有很大的不确定性，常规采用的低承台桩基有可能

28、承受较大的甚至导致破坏的水平力，建议用桩伴侣改善传统基桩的构造形式，特别是对于承台与桩间土摩擦力小或者桩身范围地基土模量低的两类状况，在罕遇地震时作为抗震概念设计的耗能构件，首先牺牲伴侣，避免或延迟桩头的破坏；（2）复合地基如果基础底板设有井坑限制了基础底板的自由平动或水平位移，褥垫层如果较薄或模量较高、桩土应力比较大，都会破坏或削弱褥垫层隔震的效果，建议以桩伴侣取代褥垫层，并在伴侣与桩之间预留缓冲空间。参考文献1 SUGIMURA YOSHIHIRO , etc. EARTHQUAKE DAMAGE AND ITS REPRODUCTIVE EXPERIMENT OF PRESTRESSED

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