地基基础设计思考与实践（十九）-地震水平力作用下的桩基

地基基础设计思考与实践（十九）

—地震水平力作用下的桩基

                          

    水平地震作用下的桩基水平承载力验算是个理论和实践都非常复杂、混沌的东西。这部分内容实话说我没有能力谈，故本系列第（九）期和上期第（十八）期都对此一笔带过。上期文章发布后，关于桩基的上部结构抗震性能好于天然地基的论述，有读者提出了不同意见：

    该读者的质疑也正是我思考的问题，但我不像该读者一定有清晰的设计方法和措施，而是一团混沌，不过读者的留言还是激励我说下自己的观点，无论对错，算是抛砖引玉。

     先看读者说的沉降问题（虽然和本文所述桩基无关，但大家困惑也一定不少）。的确，用减少整体沉降量的方法控制结构的倾斜是规范控制变形的基本精神之一， 建筑总体沉降和倾斜有工程实际统计上的内在联系，理论上没有关系，一个均匀沉降的结构其倾斜理论可以为零 ，但再高的桩调平技术也无法做到像地脚调平螺母那样的精细，这是地基土性质决定的，不以个人意志为转移，即使你有能力保证大沉降下的结构没有倾斜，完好无损，建筑师和用户还不干呢。

    读者提出的地震下桩破坏问题，我和他理解的正好相反。其实我们真正关心的是上部结构在大震下的破坏，因为即使桩开裂、折断、土体位移，但如果大震下，建筑破坏倒塌的概率比天然地基的小，就可以说明桩在大震下起到作用了。桩埋在土里我们看不到，至少其破坏和观感无关。但也正因为其埋在土中，其破坏后无法看到，难以采取措施以避免未来造成建筑的倾斜或桩基失效等，这也是我们担心桩基的破坏甚于上部结构破坏的原因。

    埋置在土中的桩在承台水平力、弯矩、垂直力以及 周围土体的分布力 的作用下的内力是非常复杂的。即使破坏，难以直观的看到，桩基规范对桩基的水平承载能力、内力、配筋计算只有几页和难以看懂的复杂表格（桩基规范5.7和附录表C），远远不能和上部结构抗震汗牛充栋的规范、手册相对比，就我的能力 解读桩基水平承载力问题 是明知不可为而为之。        

                           一

    地震作用下，桩和上部结构的受力状态见下图：

    我们目前的技术已经令人信服的计算出地震作用下上部结构的内力了从而计算柱子的配筋。但桩顶的外力（如图中的 N、M、V） 如何计算就是一笔糊涂账，因为土体对承台（含地下室外墙，下文不再列出）的被动土压力和承台底的摩擦力到底是多大，很难算的清楚。

    有人说为了安全可以不考虑这两种有利作用。当没有桩时，所有的水平力不都是侧土压力和基底摩擦力提供的吗，如果不考虑岂不是太保守了。

    那我们按上部外力减掉被动土压力和摩擦力（比如摩擦系数为0.2）计算桩顶外力吧，但桩的刚度大于土的刚度，其抵抗水平荷载的能力按谁强谁多分担的原则（桩承担的多少和周围土的硬度即m值有关，下文再说），那桩就会承担更多的水平力，所以上述又偏于不安全了。     

    规范和有关资料是如何规定的呢？我汇总了规范和一些资料，列于下：

    （1）《抗规》规定可以考虑承台（或地下室）侧土压力，但不考虑基底摩擦力（对于无负摩阻承台不会架空的情况是不是太保守呢？）。

     （2）《地基基础规范》做了类似的规定

   （3）《桩基规范》中规定如下（如何考虑土对承台的弹性抗力按附录C的计算方法）。  

     几本规范都要求考虑围土对承台抗力作用，不考虑基底的摩擦。侧土的抗力有资料说按被动土压力的1/3计算。

    总的来说，承台（含地下室）围土的作用都要考虑。至于如何考虑，自己可以根据项目的具体情况把握，前提条件是你得正确理解概念。

  

二

    承台周围土的作用使得一些建筑无需验算桩的水平承载力，但什么时候需要验算桩的水平承载力呢？看下规范的规定。

   《地基规范》规定如下：

     但什么算是作用在桩基上的外力主要是水平力呢？ 如果理解为地震水平力远小于建筑竖向力，所以民用建筑没有一种情况是水平力为主要外力（如悬索桥梁的锚墩或大型煤棚拱形屋盖那样的抗推力桩基），故民用建筑无需验算桩的水平力，有什么错误吗？

    桩基规范规定如下：

     

   《桩规》5.1.3条所谓的基桩的作用效应、内力及位移者，其实是指的考虑水平力作用下各种反应。当前提条件是承受 较大的水平力的高层建筑 和 受较大水平力的高承台 时桩基才需要进行水平承载力验算。

    什么是较大的水平力 ？规范并没有一个明确的标准，和《地基规范》中 主要外力是水平力的 描述一样，均是模糊的，所以是否需要验算桩的水平承载力，交给工程师自己去把握了。

      我个人意见是对大多数的民用建筑结构无需进行桩基的水平力验算，但有几个前提条件：承台周围土必须符合密实度要求；桩基土无软土、液化土等；桩按构造配足了纵筋及箍筋；承台连接在一起整体性很好。

     北京一个单层大跨度的厂房是桩基础。甲方想在地面上挖一个大的水池，设计人认为竖向承载力没有问题，咨询我的意见，我说原设计一定没有考虑桩水平承载力，应是建立在承台围土符合要求的前提下条件下的，现在承台侧面几乎悬空了，是破坏了这个条件，故不行，否决了甲方的设想。

                               三

     假如需要验算桩的水平承载力，且算出了桩顶（承台底）的外力（N、M、V），那如何验算呢？

    作为一般的民用建筑我们最初使用桩的目的是为了解决竖向承载力不足或变形过大的问题。但设了桩就自然产生了桩是否能够抵抗水平力的新问题，和在水平力作用下破坏进而失去竖向承载力造成建筑沉陷倾斜等。

    如果不做桩而把地基土进行加固，就不存在桩水平抗力够不够困惑（保证承台周围回填土的质量），这也许就是复合地基CFG桩无需配筋的道理。CFG桩的褥垫层目的是调节土与的桩应力比，但又避免了桩承受水平力，这是褥垫层的意外所得。

    我们做桩的最初的目的仅是为了解决竖向荷载，却带来了水平承载力的问题，如果借用符合地基褥垫层理念，桩基也和基础做一层隔离层，不就问题解决了吗。其实不管复合地基非复合地基桩基如果不考虑水平荷载，性质没什么不同。桩和土本质是共同抵抗垂直力的，只是比例大小而已，复合地基中的桩的应力比过高也不是什么问题，桩基不是100%么。采用褥垫的调节作用利用了土的承载力是以增加沉降为代价的。所以备受指责的大直径桩复合地基的探索也没什么不可以，我倒觉的复合地基比桩基最大的优势是避免了考虑水平荷载的问题，除此之外没什么本质的区别。所以探索不与基础锚固的桩基的可能性是不是一个有价值的课题呢？

   

     桩的水平承载抗力特征值应通过现场实验确定。桩达到所谓的承载力有三种情况，如下图。

   

   （1）是桩侧土隆起桩水平位移迅速增大；（2）桩折断后水平位移迅速增大；（3）水平位移达到10mm（对位移敏感的建筑6mm）。

    桩基检测规范给出的取值规定基本就是这个原则。见下图

    这个原则和桩竖向承载力的取值原则本质差不多，可对标理解。

    其中的一个取值原则是根据上部结构对水平位移的敏感与否分别取水平位移10mm、6mm。 这两个数值其它任何地方没有提到过，似乎是和结构设计没有任何关系的两个数值。 我觉的地震下地基的水平位移对建筑伤害并不大，有时反而有利，否则隔震垫如何解释呢？隔震垫利用的就是建筑基底的水平大位移来实现降低地震力的。所以这个规定是不是太保守了，我提出这个问题供大家思考。如果说桩因为桩顶10mm的水平位移造成其在垂直荷载作用下桩的二阶弯矩似乎更好理解，但这个10mm产生的二阶弯矩并不大（大部分被桩周土承担了）。

四

     和桩的竖向承载力确定一样，桩的水平承载力规范也给出了估算方法。

    无需控制水平位移的建筑按桩自身的断面和配筋来计算水平承载力特征值。

     该公式本质和受压柱的抗剪计算类似，抗剪能力与桩的材料、断面尺寸、配筋率相关，这里的配筋率我理解 应为配箍率更恰当。上部压力可以提高桩基的抗剪能力。

    当按桩顶水平位移 控制时，可按下式计算桩的水平承载力特征值（该式是配筋率不小于0.65%，是不是按位移控制配筋率不能小于0.65%呢?）。

  

    式中的 是与桩周土刚度（m）正相关的一个参数，很容易理解，土越硬，桩水平抗力越大。

    该公式要求首先确定建筑的水平位移限值 ，但除了桩基类规范所有规范都没有提到这个限值。 我们桩基的目的是为了上部结构，上部结构都没规定的东西，桩基自己规定水平位移限值依据在那里呢？

   

   五

    桩和一般的结构构件不同。比如柱子的承载力就是其本身的截面材料和配筋特性决定的，而桩分两个层面，一个是桩与土的关系，即桩端土和侧围土的承载力（端承和摩阻）决定了桩的承载力。第二个层面是桩自身强度，也就是说桩自身材料强度和配筋要能够在发挥第一个层面的承载力之前不破坏，比如桩身先被压溃或屈曲了，往往是桩自身材料的承载力比桩土关系的承载力大的多，同样以桩材料计算出的水平承载力是以位移控制算出的承载力的3~4倍，所以一般材料和配筋符合构造要求即可。

    计算桩顶水平力作用下桩的断面和配筋，规范也给出了规定。首先计算桩身内力，再按混规计算配筋。但这个计算太复杂和假定的成分太多了，我简单介绍一下，仅帮助理解，于实际工程无用。

   

   计算结果简图如下：

   

   当然实际应用中不可能用微分方程求解，桩基规范采用简化的附录C的图表的额计算方法（摘录如下）。

    这些复杂的计算不要说是手算了，即使很多程序计算的也未必算的全。位移、内力计算出了，就可以按核对位移是否满足10mm或6mm的要求，及按《混规》计算桩配筋了。

   《桩规》5.8和5.8.10给出了桩身水平承载力和裂缝的控制计算：

  

    规范的逻辑没有错，但是混沌计算出来的桩内力算出的配筋，尤其是裂缝用一样混沌计算（精确零点几毫米）出的裂缝结果来控制，这样的计算的意义有多大呢？不如规定好概念明确的构造措施靠谱。

    桩水平力的承载现场实测是建立在桩端自由的基础上的，但桩基与承台的连接均是嵌固的，规范是否给予了考虑，不得而知。

六：大震作用下的桩基

    

    上述的论述和计算（小震）无助于消除我们的担忧即大震作用下的桩基是否破坏，我们也不应该用大震下的作用力来按小震给出的计算方法进行验算。上部结构传统和规范的方法是用小震计算和大震构造来保证大震不倒的，目前先进的计算软件逐步成熟，已开始了大震下的非线性分析计算，但是分析大震作用下的桩准确的性状，我觉的难度高出上部结构一个数量级，在很长的历史时间内都不太可能。

    最近看了朋友圈的一篇微信文章《大震下桩基承载力复核》，和本文思考的问题基本是一样的，即大震下的桩基的承载能力问题。该文的逻辑是计算大震下的桩顶反力后与规范给出的桩承载力特征值对比，来探讨大震下的桩承载力应该提高多少（小震提高1.25），给出了大震下桩基水平承载力的提高系数建议值。因为大震下 桩地基（桩与土） 承载力的极限状态即大震下 桩地基破坏的标准 没有任何研究资料（上部结构大震下的极限状态即所谓的性能化设计应该是大震的极限状态的标准），所以我认为文章建议的增大系数基本属于臆想，和本文一样都属于闭关思考、查阅资料和纸上谈兵的臆想，但这种臆想是非常有价值的。

    就像文首中的读者留言对地基专家无法搞清大震下桩基的性状颇有不满一样，这个问题很多人都思考过。但人类在很多方面是总有局限的，完全搞清楚这个问题对岩土科研者应该是苛求了。

    我认为，解决这个问题最好的方法还是在大震下的实际案例中去找规律和总结，摸索解决措施。

    感谢建研院的专家朋友为我提供了一些具体的案例，现全部列出：

这个是挖开土拍的吗？

 

   我也在一些资料中找到了很少的实际案例：

    仔细看着这些案例，首先大部分都是国外的案例，我们国家地域广大，为什么国内的案例这么的少呢？第二绝大多数的破坏案例是液化土、软土、液化侧滑造成的，也有桥墩的高承台的破坏，真正普通土（因高层建筑竖向荷载太大天然地基无法满足要求时）中的桩破坏案例并不多。建议搞地基研究者对在大震作用下结构破坏严重的建筑挖开看看其桩基的破坏程度，以积累实际经验。

    对于大震作用下的桩基抗震性能和措施，建议采用宏观概念控制、中观要求（如满足桩间土密度、承载力等）、微观的构造（如桩距、配筋等）等来解决，企图如同上部结构那样对大震下结构非线性分析来进行桩土大震下的承载力验算一定是徒劳的。

七

   

    针对上述论述和案例，和文首读者提出的质疑，对大震下的 非液化土、软弱土中民用建筑底承台桩基 的性状和采取的措施，我个人理解如下：

   （1）首先判断建筑宏观情况，比如高度、重要性等，对多层建筑、一般高层建筑，无需考虑水平承载力的问题。

   （2）高烈度区（8度及以上）要非常重视承台及地下室周围的填土质量，要求采用灰土或水泥土。我认为灰土和水泥土围土的作用和承受的地震水平力远远大于桩承受的水平力   ，也就是做好了回填，大震下基本不会发生桩破坏的情况，发生破坏的一定是回填土没做好。大震下即使上部建筑倒塌，我觉的桩一般也不会有问题，因为桩被深深的埋在土里，和土一块运动，受力要好的多。

   （4）控制桩间土具有一定的密实度和强度，不允许存在液化土和软土。

   （5）按规范给定的小震下的计算方法计算桩。桩头与基础连接应力集中且复杂，要保证钢筋锚固长度，并应按超出规范要求增加配筋和箍筋，长度无需太长，2~4倍的桩径即可。

   （6）相信科研工作者对唐山地震后桩基震害远小于天然地基的结论。

  

    液化土、软弱土中的桩基的震害很容易理解，罪魁祸首不是上部结构传来的地震力，而是液化土软土与好土互层界面处巨大的剪力，地震时该层土会与好土有不同加速度的错动，在巨大的流土质量惯性作用下，桩被破坏是很显然的。设想一下，即使上部无建筑的液化土中（或液化土好土互层）的桩也很可能被剪断（只能设想，因为没有建筑物的桩水不存在的）。我前期的文章重点说过液化土软土的桩的破坏问题。

     劲桩科技的邓总研发的 劲性和散柔复合桩 ，我觉的是解决液化、软土地基非常好的一种桩，好处一言难尽。

   1：挤密软土，消除液化，减低大震下软土和液化土对桩的剪切破坏。

   2：提高侧阻大大增强刚性桩的竖向承载力  

   3：大幅度提高刚性桩的水平抗力（m值大幅度的提高），避免桩悬浮于软土、液化土中。

   ４：提高地基土的场地类别，虽然设计中未考虑这个有利影响。

   5：大大提高了刚性桩抵抗剪切破坏的能力，犹如桩被包括了一层铠甲

     本文无助于工程师关于桩基工程的设计，仅仅是提出了一些困惑的问题及个人观点，供各类技术人员参考。  

                                         

                                           2021年6月3日

参考文献：

1：地基基础工程283问    刘惠珊 等

2：《抗震设计规范》及条文。

2：《建筑地基基础设计规范》、《桩基设计规范》、《桩基检测规范》等及条文。

3：基础工程、土力学   清华大学 李广信等

4：公众号文章《大震下桩基水平承载力复核》，鲲鹏。

   感谢建研院刘博士提供的工程案例。