液化场地桩基抗震设计现状

液化场地桩基抗震设计现状胡建新1,2,张　力2,唐光武2,魏春莉1,2(1.重庆交通大学,重庆400074;2.重庆交通科研设计院,重庆400067)摘　要:简述地震作用下液化场地桩基震害情况,主要归纳总结和比较国内外规范中液化场地桩基抗震设计方法。

针对各国规范特点提出液化场地桩基抗震设计中的若干问题,简述可以采用的研究路线。

关键词:桩基础;液化;抗震设计中图分类号:U443.15;P315.9文献标识码:A文章编号:1671-7767(2008)01-0014-04收稿日期:2007-08-02作者简介:胡建新(1983-),男,2005年毕业于武汉科技大学土木工程专业,工学学士。

1　前　言桩基础是深基础中最常用的一种形式,因具有承载力大、稳定性好、沉降值小等特点,而在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口码头,特别是在海上采油平台得到广泛应用[1]。

但是在最近几次破坏性地震中,许多桥梁遭到极其严重的破坏,甚至倒塌,从而造成巨额经济损失。

主要是由于大多数建桥区段的地下水位均较高,表层土往往为很厚的饱和砂土,地震中极易液化,桥梁结构在地震中是否会因场地液化而破坏已成为一个重要的工程问题[2]。

到目前为止,国内外应用桩-土-结构动力相互作用理论解决液化场地特别是侧向流动场地桩基抗震设计问题远远还没有达到实用阶段,但国内外抗震规范对此问题均提出了一些简化计算方法。

本文主要比较规范计算方法的异同点,并指出液化场地桩基抗震设计的若干问题。

2　现行抗震规范中液化场地桩基设计方法2.1　折减系数法为简化起见,国内外在处理液化场地中桩基抗震设计问题时,将液化土层的水平承载力折减。

2.1.1　零折减系数法《工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程》[3]中规定:当液化层为表层土层时,不考虑液化土层的承载力,桩基就变成高桩承台。

当液化层为中间层时,按m 法计算桩基的水平承载力时,将液化土层的m 值取为零,利用其它非液化土层的m 加权平均值计算桩身应力。

刘惠珊[4](1994)、李帅[1](2003)等认为,零折减法正是反映了最不利的情况,即设计地震力发生的时刻液化土层的水平承载力为零,一般用此法进行桩基的抗震设计时,结果偏于保守,造价高。

特别是当承台下可液化土层厚度大时,桩内配筋量很高,设计、施工诸方面均很困难,造价也高。

此外,欧洲抗震设计规范[5]中规定液化场地也不考虑土层侧向抗力,但桩和桥墩的设计必须能够抵抗两种作用,即由上部结构产生的惯性作用和地震波传播时由土体产生的运动作用。

2.1.2　非零折减系数法铁路工程、建筑和公路工程抗震规范中均采用非零折减系数法,各规范具体规定如下。

(1)铁路工程抗震设计规范[6]中规定:液化土的弹性抗力、摩擦力和摩擦角、抗剪强度等力学指标根据抗液化指数F i 和标准贯入、静力触探试验点的深度d s 不同而不同。

液化土力学指标折减系数ψ1数值见表1。

表1　液化土力学指标折减系数ψ1值抗液化指数F i折减系数ψ1d s ≤10m10m <d s ≤20mF i ≤0.600.330.6<F i ≤0.80.330.660.8<F i ≤1.00.661 (2)建筑抗震设计规范[7]中规定:对一般浅基础不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用;当桩承台底面上下分别有厚度不小于1.5m 、1.0m 的非液化土层或非软弱土层时可按以下两种情况进行桩的抗震验算并按不利情况设计:①桩承受全部地震作用,桩承载力按本规范第4.4.2条取用液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力均应乘以表2的折减系数;②地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用,桩承载力仍按本规范第4.4.2取用,但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。

在有液化侧向扩展的地段距常时水线100m范围内的桩基,除应满足本节中的其它规定外,尚应考虑土流动时的侧向作用力,且承受侧向推力的面积应按边桩外缘间的宽度计算。

表2　土层液化影响折减系数实际标贯锤击数/临界标贯锤击数α折减系数d s≤10m10m<d s≤20mα≤0.601/30.6<α≤0.81/32/30.8<α≤1.02/31 (3)公路工程抗震设计规范[8]中规定:当地基内有液化土层时,液化土层的承载力(包括桩侧摩阻力)、土抗力(地基系数)、内摩擦角和内聚力等,可根据液化抵抗系数C e予以折减。

其折减系数β应按表3采用。

表3　折减系数β液化抵抗系数C e折减系数βd s≤10m10m<d s≤20mC e≤0.601/30.6<C e≤0.81/32/30.8<C e≤12/31 总体来看,3个规范中液化土体侧向抗力折减系数基本一致。

除了建筑抗震设计规范外,公路和铁路规范中均没有涉及侧向流动场地桩基抗震设计的具体条文。

建筑抗震设计规范中也没有明确提出侧向流动场地桩基抗震设计的详细步骤与方法。

液化场地桩基抗震设计详细步骤与方法还有待进一步研究和完善。

2.2　两阶段设计法两阶段设计法[1]在我国《工业构筑物抗震鉴定标准》(1988)中采用,亦为《冶金工业建筑抗震设计指南》(1990)等采用。

此法适用于桩承台旁有厚2 m以上的非液化土的低桩承台,平时以受竖向荷载为主的情形。

其基本思想是将设计地震作用与液化对桩横向承载力的最不利时刻区分开来。

桩的验算分2个阶段进行:①地震阶段(桩上有地震作用),土中已有液化区,但根据大多数情况下喷冒滞后于地震的事实,认为此阶段液化区尚未发展到桩顶承台附近,对桩的横向承载力影响不大。

计算中可忽略液化影响,按非液化土情况进行桩的校核。

②震后阶段(桩上无地震力),假定液化土层全层液化,扣除液化层的桩侧摩擦力及2m左右厚度的上覆非液化层的摩擦力(考虑沿桩身四周缝隙排水)校核桩在静载下的液化后竖向承载力。

2.3　日本规范设计方法2.3.1　公路桥梁规范(J RA1996)在1995年神户地震后,日本道路学会对这次地震中大量破坏的桥梁展开了一系列的分析。

分析结果即为公路桥梁规范(J RA1996)的设计方法[9]。

此法基本思想是:①对于非液化上覆土层,随液化土层运动,其对桩产生被动土压力;②对于液化土层,因为液化砂土的内在流动抗力,其对桩的压力小于等效流体静压力。

2.3.2　公路桥梁规范(J RA reformed in2002)在J RA1996的基础上,2002年日本对公路桥梁规范作了修正。

J RA2002中指出,在液化水平场地,承受水平荷载的桩基设计采用地震系数法,用地基反力折减系数反应土体液化影响,但因液化引起的土体位移不考虑。

地基反力折减系数定义为液化安全系数F L、液化强度指数、土层厚度和地震强度的函数。

在侧向流动场地,桩身作用力只考虑土压力不考虑上部结构惯性力。

设计用土压力取值为液化土层竖向土压力与非液化覆盖层被动土压力之和的0.3倍。

2.3.3　铁路设施设计标准(R TRI1999)桩基设计的侧向力主要考虑上部结构的惯性力,虽然液化引起的土体位移不考虑,但是因液化等级不同而附加的惯性力作用在桩身上代替了土体变形作用。

地基反力折减系数定义为F L和土层厚度的函数。

在侧向流动场地桩基设计采用地震变形方法。

侧向流动引起的位移根据液化土层的厚度和岸坡的运动位移来估计。

变形通过地基反力的形式施加在桩身上。

侧向流动土层的地基反力取值为初始值的1/1000。

2.3.4　建筑基础设计规范(A I J2001)桩基设计采用地震变形方法。

上部结构惯性力和土体变形均考虑。

土体变形通过沿深度方向的积累剪切变形来体现。

地基反力根据N a值和液化层厚度而折减。

以地基反力形式附加的上部结构惯性力取值与土体位移作用相同。

侧向流动场地,土体位移根据液化层厚度和岸坡位移来估计。

土体位移通过地基反力的形式作用在桩身上。

侧向流动场地的地基反力折减没有具体描述,但是考虑时采用与液化场地相同的数值。

日本规范桩基设计方法见图1。

2.4　美国MCEER/A TC(2003)指南设计方法图1　日本规范桩基设计方法基本情况MCEER/A TC(2003)[10]指南将液化场地分为液化有覆盖层场地和液化无覆盖层场地。

具有残余强度的液化土体可当作粘土。

当抗液化安全系数F =1时非粘性土的内摩擦角被认为是10°,当1.0< F<1.5时线性内插。

地基反应模量也是以相同的方式折减。

该指南是在单桩反应下提出的。

如果是在无覆盖层场地,可能的结果就是土体在桩身周围流动,并施加被动土压力于桩身;如果是在有覆盖层场地,覆盖层会携带桩身一起随土体运动,液化土体也会在桩身周围流动。

在前一种情况下,如果桩结构本身不能抵抗土体位移的作用,就得采取补救措施。

比如增加桩的数量。

具体设计流程见图2。

桩数量的多少是一个非耦合问题。

该指南建议用Newmark 刚体滑块法估计土体位移,滑块中桩的钉扎力通过抗剪强度来体现。

位移与钉扎力的关系曲线见图3,桩身位移必须满足不同剪切强度的要求,两条曲线的交叉区域即代表桩基础的平衡状态。

如果位移满足目标状态的要求,补救措施就合乎要求。

只要付出的代价是值得的,该指南容许设计人员采用更复杂的分析方法,但一般很难判断作更复杂的分析图2　液化场地桩基设计流程图3　钉扎力-土体位移曲线到底值不值得。

3　存在的问题探讨及规范方法比较(1)关于水平力作用下的桩身应力计算,我国多用m法,地震实录和数值分析表明,土层刚度突变处地震时桩身弯矩和剪力都很大,极易引起桩的破坏[11]。

刘惠珊[11](2000)指出,若相邻土层的刚度相差很大,m法则不能反映土层界面处的桩身受力情况,即使计算其结果也是不安全的。

其原因为:在液化场地特别是侧向流动场地,地震对桩的作用相当于桩顶水平惯性作用和土层运动作用之和;土层运动产生的桩身内力以土层的刚度变化处为最大;地震动越强土层运动对桩身内力的影响越显著。

而m法只考虑了桩顶的水平力而不考虑地震时土层运动的影响,于是地震动越强,计算地震时的桩身内力误差越大。

而且在侧向流动场地完全液化的情况下,液化土层的侧向承载力很小,更重要的是桩身还受到土体变形产生的运动荷载。

在这种情况下,即使将液化土层的m值取为零也未必是最保守的。

(2)土体液化后上覆盖层沉陷,有可能产生负摩阻力,因而宜对桩基进行竖向承载力的校核。

(3)如果侧向流动推迟发生,土体运动荷载可能在地震后达到峰值;如果土体位移比较大,地震烈度比较大,土体运动荷载也有可能在地震过程中发生。

设计者在采用拟动力方法设计时必须考虑运动荷载和惯性荷载的组合,但是因缺少足够的数据证明惯性荷载、土体运动荷载等作用的相位问题,所以进行荷载组合主要凭借工程师的综合判断和经验。

(4)液化场地长细比较大的桩基在地震作用下有可能发生失稳破坏[12],桩基抗震设计时宜进行稳定性验算。