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非典型高承台桩基与带伴侣的桩工作性状比较 '/"x MpN 4
——根据审稿专家意见修改稿 EL[N%M3
摘 要：从概念上论证了建筑物在受到地震、飓风等水平荷载作用时，常规采用的低承台桩基会承受类似于高承台桩基的较大的、甚至导致破坏的水平力，从传统低承台桩基中细分出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之一或其组合的非典型高承台桩基，提出用桩伴侣改进传统的基桩构造形式，通过借鉴现浇混凝土大直径管桩(PCC桩)水平承载足尺试验和数值模拟的成果，建立了水平荷载作用下非典型高承台桩基与带伴侣的桩有限元数值模型，对比计算与分析表明设置桩伴侣可确保承台向地基土传递水平荷载，成倍减小基桩的应力和位移，对于桩身范围地基土模量低的非典型高承台桩基的水平承载性状也有一定的改善，建议在建筑工程的低承台桩基特别是非典型高承台桩基中普遍应用桩伴侣。 l *Iy:j(B
0 引 言 k TLA["<m
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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。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。” z<rYh96uA
“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”，以区别于“桥梁或其他构筑物采用的桩基”，即桩身露出土中的“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： + ^9;<>P
（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； #n_uELE
（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。 ? <. U,
对此，本文有不同的认识，对于建筑物采用的低承台桩基不能一概而论，并对传统桩基的构造形式提出改进。 ]% K 8
1 关于桩是否承担水平力的讨论 1li1&
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。 @9!,] n
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。 oqOXRUy
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。 r ]cC4%in
比较直观的例证是基桩的震害。 D|1pBn.b]'
1995年日本阪神地震(M=7.2)后，刘惠珊[1]对 的震后桩基的震害类型、原因等进行了综合与归纳，认为不论液化土或非液化土中的建筑桩基，桩头部位总是出现大弯矩与剪力的危险部位，在桩头和承台连接处及承台下的桩身上部，以压、拉、压剪等因素导致破坏，从刘惠珊[1][2]所引用的文献和列举的工程事例中，均为建筑工程中通常应用的低承台桩基。刘金砺[3]等也引用了日本阪神地震桩头破坏的图片资料，同样认为建筑工程的低承台桩基桩头部位震害严重。 t,2Q~ied=
2006年，宋天齐[4]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[5]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。 )@]Y1r4U
2008年汶川地震(M=8.0)后，工程界对房屋上部结构进行了大量的震害调查与分析；李春凤[6]等对汶川地震桥梁震害的研究也提出主要是上部结构震害较多，落梁、移位、局部碰撞，其次是下部结构存在桥墩折断、钢筋混凝土剥落、系梁开裂、挡块普遍失效、桥台翼墙开裂、倾斜等震害现象；尹海军[7]等对桥梁的震害研究涉及高承台桩基，提出常用桩基础的损伤，除了地基失效这一主要原因外，还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲损伤，更有桩基设计不当所引起的损伤，同时指出桩基损伤具有极大的隐蔽性，很多桩基的损伤是通过上部结构的损伤体现出来的，但是有时上部结构的损伤轻微，而在开挖基础时却发现桩基已产生严重损伤，甚至发生断裂；目前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[8]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，提出山地建筑架空层常会为了设计和施工方便，直接把桩基础伸出地面当柱使用，由于其抗弯和抗剪都较弱，出地面的桩身容易发生破坏，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。 p|D-ez8
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？ jJmg9&^R
黄清猷[9]认为对于脆性砖房，在小震时(约6度)，上部砖砌体已基本开裂、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[10]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。 aTceGyWzl
韩小雷[11]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，在反复荷载作用下，回填土的残余压缩变形会逐渐增大，实际上地下室外壁有可能会与周围土体脱开而使侧限力趋于零。 u,6 ' yB'u
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。 h*qoe(+ZD
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，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。 |H)WJ/`
首先，有必要对低承台桩基进行更为科学系统的分类。 ;-koMD!2F
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2 从传统低承台桩基中细分出非典型高承台桩基 n?QpVROo\
《简明地基基础结构设计施工资料集成》[12]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，则称为高承台桩基。 &@dW d
陈孝堂[13]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。 u/% 4WgA
上述对于低承台桩基与高承台桩基的划分均不尽完善，因为首先对于承台上传来的水平荷载，刚性桩本身具有一定抵挡弯矩、剪力的能力，在桩身埋入土中的情况下，桩身受到的弯矩、剪力会随着埋深的增加迅速减小；更重要的是，在遭遇较大地震时，根据“松土振密、密土振松”的常识，桩承台周围很难存在稳定的土层。 Z-!W#
建筑工程的地基基础在不同程度上存在着上述两种状况之一或其组合： +=y kt f
（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； y!9f acg
（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、e>0.9粉土、松散粉细砂、松散、稍密填土时，中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》[14] (JGJ94-2008)中规定的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。 Wkk=x&
本文将重点研究上述低承台桩基在水平荷载作用下的工作性状，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”。在水平荷载作用下，这类“非典型高承台桩基”具有接近于高承台桩基的工作性状，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。 *1L;%u| [
