关于中震、大震下桩基竖向承载力验算的若干不成熟看法

 

Kingckong按：新浪微博  @ Mr_canoe  提出中震、大震下桩基承载力控制的问题（http://weibo.com/1486261634/zdRfn8GD1#!/1486261634/zdRfn8GD1?type=repost#1358128220102 ），各路专家也纷纷提出自己的理解，讨论气氛非常热烈。由于微博有140字的限制、不便于展开，故将本人阅读有关文献后一些不成熟的观点汇总于此。基于中震（大震）分析的性能化设计逐渐增多，这个问题值得继续研究探讨。

 

1    建筑桩基震害与抗震设计计算方法的现状^[1，2]

 http://s10/mw690/557d7ea6g7b9a1ef2a7e9&690

http://s6/mw690/557d7ea6gd405358191f5&690

2    现行规范中桩基竖向承载力验算的规定及其安全度

在桩基（地基）承载力设计中有以下3种设计理论^[3]：

http://s14/mw690/557d7ea6gd405383f60fd&690

 

在我国现行规范中，按桩周岩土抗力确定单桩承载力采用的是“安全系数法”，按桩身承载力确定单桩承载力采用的是“分项系数法”。下文将规范中桩身承载力确定单桩承载力转换成“安全系数法”的形式, 以便比较实际的安全度。

2.1  非抗震工况

2.1.1按桩周岩土抗力确定单桩承载力

按《建筑地基基础设计规范》^[4]附录Q第Q.0.11条和《建筑桩基技术规范》^[5]第5.2.2条，单桩承载力的安全系数不小于2。

按《建筑地基基础设计规范》^[4]第8.5.5条和《建筑桩基技术规范》^[5]第5.2.1条，群桩的平均安全系数不小于2，其中最低的安全系数不应小于2/1.2≈1.67。

http://s12/mw690/557d7ea6gd4053c3dae1b&690

 

2.1.2按桩身承载力确定单桩承载力

《建筑地基基础设计规范》^[4]第8.5.11条有如下规定：

http://s9/mw690/557d7ea6gd4053f7ad558&690

 

取荷载的综合分项系数1.35，则有Q=1.35N_kmax0（“N_kmax0”表示“非抗震工况荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力”）；取工作条件系数平均值φ_c=0.67，代入上面的规范式（8.5.11）整理后有：

2.05N_kmax0=A_pf_c            （1）

《建筑桩基技术规范》^[5]第5.8.2条的公式与参数略有同，但总体上与《建筑地基基础设计规范》^[4]安全系数相当。从式（1）可见，桩身承载力的安全系数大体也达到了2，与岩土抗力安全系数相匹配。

2.2  小震工况

2.2.1按桩周岩土抗力确定单桩承载力

按《建筑抗震设计规范》^[6]第4.4.2条和4.2.3条，小震工况下允许单桩承载力提高1.25倍，即安全系数降为非抗震的0.8倍：单桩承载力的安全系数不小于1.6；群桩的平均安全系数不小于1.6，其中最低的安全系数不应小于1.33。

2.2.2按桩身承载力确定单桩承载力

根据《建筑抗震设计规范》^[6]第5.4.2条，小震工况下桩身承载力可以除以承载力抗震调整系数γ_RE，即有式（2）。按“轴压比不小于0.15的柱”取γ_RE=0. 8代入（2）整理后得式（3），“N_kmax1”表示“小震工况荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力”。

2.05N_kmax1=A_pf_c /γ_RE          （2）

1.64N_kmax1=A_pf_c              （3）

从式（3）可见，小震工况下桩身承载力的安全系数大体为1.6，也与岩土抗力安全系数相匹配。

 

2.3  小结

现行规范下桩基竖向承载力安全系数汇总于下表：

表1 现行规范不同工况下的桩基竖向承载力安全系数

工况	桩身承载力安全系数	单桩岩土抗力安全系数	群桩中单桩岩土抗力安全系数
			平均安全系数	最小安全系数
非抗震	2.05	2.0	2.0	1.67
小震	1.64	1.6	1.6	1.33

 

3   中震、大震下的桩基竖向承载力验算

3.1  中震、大震下建筑桩基竖向承载力验算的必要性

在我国现行规范中仅有非抗震工况和小震工况的桩竖向承载力验算规定，没有中震和大震桩基竖向承载力验算的设计建议。随着建筑结构规模和难度的增大，基于中震（大震）分析的性能化设计的工程项目逐渐增多，《建筑工程抗震性态设计通则》^[7]仅在第5章简要地提出性能化设计中地基基础的抗震设计原则，重要参考文献[8]则完全没有提及地基基础抗震设计计算的内容。这类项目是否应该进行、如何进行中震、大震下桩基竖向承载力验算，成为争论焦点。

本人认为，这类项目都是比较重要的，对桩基承载力的要求也高，首先必须遵循《建筑工程抗震性态设计通则》^[7]第5章的抗震设计原则，采取《建筑桩基技术规范》^[5]第3.4.6条中的各项构造措施，坡地岸边桩基还应参考文献[2]第8.5节的方法进行桩基整体稳定性抗震验算，在此基础上有必要控制中震、大震下桩基竖向承载力的安全度，尤其是在基本风压较小的高烈度区。

3.2  中震、大震下建筑桩基的抗震设防目标^[2]

 

http://s13/mw690/557d7ea6gd4055a4b419c&690

3.3  中震、大震下桩基竖向承载力验算的若干设想

3.3.1  中震、大震下桩基竖向承载力验算公式

平常我们验算构件承载力是用分项系数法，这里建议验算桩身承载力也改用安全系数法，计算公式如式（4），“k1”为安全系数，“N_kmax2”表示“中震或大震工况荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力”。混凝土采用抗压强度标准值f_ck，大震下桩身承载力验算允许适当计入钢筋的贡献，取钢筋极限强度标准值f_stk。

A_pf_ck /N_kmax2≤k1          （4）

单桩岩土抗力的安全度验算按式（5）和（6），“k2”和“k3”为安全系数， “N_k2”表示“中震或大震工况荷载效应标准组合下群桩（或单桩）顶平均竖向力”， “Q_uk”表示“单桩竖向极限承载力标准值”。

Q_uk/N_k2≤k2          （5）

Q_uk/N_kmax2≤k3       （6）

中震工况下不容许桩基损坏，应全部满足式（4）、（5）（6）。大震工况下容许部分桩受损，故应先用式（4）和式（6）判断哪些桩受损，然后用剩余的桩计算桩顶平均竖向力N_k2，判断是否满足式（5）。

3.3.2  安全系数的取值

从表1可见，不同荷载工况下桩承载力安全系数取值不一样，非抗震工况安全系数不小于2，小震时安全系数降为1.6。可以考虑以“安全系数”作为验算的控制指标，由于中震和大震发生的概率依次比小震递减，所以安全系数下限也可依次比小震低。

表2 中震、大震工况下的桩基竖向承载力安全系数取值建议

工况	桩身承载力安全系数k1	单桩岩土抗力安全系数k2	群桩中单桩岩土抗力安全系数
			平均安全系数k2	最小安全系数k3
中震	1.2-1.4	1.2-1.4	1.2-1.4	1.2
大震	1.0	1.0	1.0-1.1	1.0

 

3.3.3  桩身稳定系数φ

对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层的基桩，应考虑压屈影响，可按式（4）计算所得桩身正截面受压承载力乘以φ折减，如式（7）。其稳定系数φ可按《建筑桩基技术规范》^[5]第5.8.4条确定。其中本人在文[9]第3节中指出，规范中液化土中桩身压屈计算长度l_c取值有误，建议按文[9]的式（7）、（8）计算。

φA_pf_ck /N_kmax2≤k1          （7）

3.3.4  中震、大震下桩基抗拔承载力验算

中震、大震工况下，所考虑的地震倾覆力矩大增，不排除出现边桩受拉的情况。对此可用同样的理念进行桩基抗拔承载力安全度控制，安全系数按表2数值，中震工况宜采用钢筋的屈服强度标准值f_yk，大震工况宜采用钢筋的极限强度标准值f_stk。

 

 

 

4   结语

   上文提出了以“安全系数”为控制目标的中震、大震下桩基竖向承载力验算简化方法，其中安全系数实际只是表观安全系数，因为静载试验测定Q_uk用的是慢速加载，加载条件与地震快速加载有所不同，材料强度和岩土抗力在地震动荷载作用下会与静力状态有所不同。对特别重要的工程，宜用更加精确的方法进行分析。

 

 

参考资料：

[1]       《桩基工程手册（桩与桩基基础手册）》（史佩栋，人民交通出版社，2008年）

[2]       《建筑桩基技术规范应用手册》（刘金砺、高文生、邱明兵，中国建筑工业出版社，2010）

[3]       《岩土工程50讲-岩坛漫话（第二版）》（李广信，人民交通出版社，2010）

[4]       国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

[5]       行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

[6]       国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[7]       协会标准《建筑工程抗震性态设计通则》CECS160-2004

[8]       《复杂高层建筑结构设计》（徐培福，中国建筑工业出版社，2005）

[9]       《浅谈建筑桩基技术规范（JGJ94－2008）实施中的几个问题》（古今强，《建筑结构》2009年增刊） http://blog.sina.com.cn/s/blog_557d7ea60100xahj.html