桩基础的抗震设计

《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。水位标高隔水层h水位标高非饱和隔水层不透水材料回填水位标高饱和隔水层不透水材料回填（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。水浮力p荷载N荷载N荷载N抗拔力F筏板上拱示意筏板上拱示意水浮力p荷载N荷载N荷载N抗拔力F（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212()1bistkiiiIElkQl（2）钢筋混凝土剪力墙结构整体抗弯刚度212()1bistwiiiIElkQl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1/3.0~3.733fFEIkQl3.0~3.71.01.01.01.0（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。建筑物名称层数/基础埋深（m）建筑面积（m）高度（m）平均沉降（mm）基础挠度（万分之一）上海康乐路工房12/6.567.58x11.6536.61193.56上海华盛路工房12/5.6555.8x12.537.01781.0上海北站旅馆8/3.1522x16.427.0421.23上海国际妇幼保健院7/2.455x4329.052892.78江苏浏河冷库5/4.850x3626.11200.69北京外交公寓16/7.2036x1654.74490.12北京中医医院9/5.3586x12.634.217北京前三门604工程10/110.60交通部水规院住宅9/4.2063x12.927.4220.80保定冷库5/3.0155x4333.0470.37VMN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HMooyxob0mx44(,)0dyEIpxydx弹性地基梁模型()()Vxqxdx()()Mxqxdx()()qxxdxEI()()qxfxdxEI0(,)()pxykxyb令()kxmx0(,)pxymxyb4040dyEImxybdx4040mbdyxydxEI50EImb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。α（1/m）：桩的水平变形系数。(0.5~0.7)MHMooyxoVx0弹性桩基桩弯矩和剪力及桩顶位移50EImb（3）刚性桩、半刚性桩、弹性桩刚性桩：2.5/αh半刚性桩：4.0/αh2.5/α弹性桩：h4.0/α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⑨层为卵石、圆砾、第⒀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⒀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VMNSETWE软件整体分析范围规范附录C整体分析范围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