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桩伴侣与基桩抗震的概念设计.rar (132 K) 下载次数:75 桩伴侣拯救管桩.rar (940 K) 下载次数:78 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。 }*IX34 关键词:桩伴侣;基桩抗震概念设计;牺牲伴侣;褥垫层 tv\P$|LV`8 dRas9g 引 言 _EjS(.e/= 上海闵行区某在建13层楼房倒塌后,江欢成院士在接受记者采访时也表示:“空心桩是很好的桩型,节省材料,垂直承载力很强。同时,从设计角度来说,建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力。”“建筑物采用的桩基”可默认为是桩身全部埋入土中的“低承台桩基”,或者是刚性桩复合地基中的“竖向增强体”,以区别于“桥梁或其他构筑物采用的桩基”,即桩身上部露出地面、承台底位于地面以上的“高承台桩基”,同时,对于“建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力”一说应当可以有如下的理解:[1] |hOqz2| (1)建筑物受到的地震、飓风等水平荷载几乎完全由桩以外的其他某种构件或措施来抵抗; ;l}TUo (2)即使作用有水平荷载,但由于桩身全部埋入土中,其受到的水平应力也小到可以忽略。 P0}uTee “建筑物通常不依靠桩基来抵抗水平推力”还可以理解为“桩基自身并不具备抵抗水平推力的能力,或者抵抗水平推力的能力很弱”,这是因为作为细长的杆件,桩在垂直于竖向荷载平面外的抗弯、抗剪刚度极低,基于这一原因,在常规设计中,桩通常不作为抵抗水平荷载的构件,如果需要抵抗水平荷载或倾斜荷载,桩也需要相应地水平或倾斜设置。 PM o>J|^ 地下空间的利用、相邻建筑的影响、基坑开挖、堆载、地下水的不均匀变化都会产生作用于地基土的水平方向的“压力差”,风荷载会对地基基础产生持续作用的水平荷载,地震加速度也是一种瞬时往复作用的水平荷载。对于抗震设计,结构专业按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的“三个水准”的抗震设防目标,采用两个阶段设计法:按低于本地区基本烈度1.5度的小震验算结构构件的承载能力和弹性变形(不坏),默认其能够满足第二水准的设防要求(可修),通过概念设计和抗震构造措施通常也默认其能够满足高于本地区基本烈度1度的罕遇地震下第三水准的抗震要求(不倒);对特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构,除进行第一阶段设计外,还要按大震作用时进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算和采取相应的构造措施,进行第二阶段的弹塑性变形验算,实现第三水准的设防要求。对于岩土工程的基桩来说,通常采用的都是比较廉价的低配筋或无配筋的构件,例如相对于结构梁柱来说配筋率很低的灌注桩、PHC管桩、素混凝土桩、CFG桩等,在弯剪荷载作用下表现为脆性破坏,并不具备弹塑性变形验算的条件,因此,基桩抗震的概念设计就显得尤为重要。 {3
zq.e{ *Fp )/Ih 1 低承台桩基是否承担水平力的讨论建筑物在受到地震、飓风等水平荷载作用时,常规采用低承台桩基是否会承受类似于高承台桩基的导致破坏的、较大的水平力,长期以来,在土木工程界,无论是设计规范还是设计师,对这一问题始终存在异议,并无定论。 >*vI:MG8 在结构专业中,与桩基的水平受荷相关联的是建筑结构嵌固端的选取,这同样是一个经常引起争议的问题。从物理学的角度来说,桩、基础底板与上部结构是一个整体,在计算结构的固有频率或固有周期时,理论上应将基桩也考虑在内,而将桩周土与地下室侧面的填土作为阻尼。但这样将使结构的抗震计算异常复杂,于是结构专业引入了嵌固端即材料力学的固定端概念来使得计算得以简化。当下部结构(或基础)的相对位移足够小时,便可将下部结构(或基础)作为其上部结构的嵌固端,人为认定其转角、平动位移均为零,嵌固端位置的选择可以是转换层大底盘、首层地面、室外地坪、某层地下室、基础底板、基桩承台梁等等。如果简化计算的误差在工程可以接受的范围内,则可以认为是合理的。通过简化计算,结构专业上部结构抗震验算的问题基本可以解决,嵌固端与上部结构连接部位的内力也可明确。但事实上,嵌固端只是相对位移比较小,并非真的为零,嵌固端以下的下部结构(或基础)的内力和位移也并未通过上部和下部结构的整体计算得到结果,于是,关于桩是否承担水平力目前也只能从概念上来讨论。比较直观的例证是基桩的震害。 gLd3,$Ei 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 YOSHIHIRO[1]等以试验再现了1978年宫城县6.8级地震中PHC桩的几种震害状况,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 Yoshihiro[3]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 Shirou[4]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。 k
NK)mE 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。 a+r0@eFLc 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? T"dWrtO 黄清猷[8]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[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。 J|,| *t 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。2 低承台桩基抗震的概念设计 CNfeHMT 《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基础在不同程度上存在着上述两种状况之一或其组合: 3u+~!yz (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、e>0.9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。 Z78&Ib |