高烈度地震区的桩基抗震设计.docx

高烈度地震区的桩基抗震设计　　抗震设防烈度为8度及以上属高烈度地震区高烈度地震区的结构承受水平地震作用很大，8度和9度区多遇地震下水平地震影响系数最大值分别为0.16和0.32，结构传给基础的水平剪力也很大，因此高烈度地震区不仅需要验算桩基在地震作用下的竖向承载力，桩的水平承载力验算也是非常重要的软弱场地因为上部土层较差或存在液化土层，一般采用桩基础形式而桩的水平承载力与上部土层水平抗力系数的比例系数m值相关，软弱场地土如淤泥、淤泥质土、流塑到软塑的粘土和松散粉土砂土的m值为2~6MN/m4 ,软弱土提供给桩的水平抗力都不高对于桩的地震验算，如场地存在液化土层，需要验算地震持续过程中液化土折减后的竖向承载力和水平承载力验算；其次，当地震停止时，需要验算液化土层以上摩阻力为零的竖向承载力因此，在高烈度地震区桩基础设计，考虑的因素和问题很多，以下对百威唐山项目的桩基础设计进行详细论述一．工程基本资料和数据唐山项目一期工程于2008年初进行方案设计，与AB总部技术部门进行设计方案讨论，包括对抗震烈度等级是采用8度和9度设防进行激烈的讨论对于1976年7.28的唐山7.8级地震的大灾难中国人刻骨铭心，美国人震动很大，做为环太平洋地震带的中美二个国家，对抗震的设计都极为重视。

唐山项目位于唐山市丰南区，在76年唐山地震中也遭受极大破环，距场地西侧900米左右为唐山断裂的延伸小断裂带通过按照中国抗震规范，唐山基本设防烈度（50年超越概率10%，或重现期分别为475年）为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，本场地为III类场地，特征周期为0.45s但按Global Seismic Hazard Assessment Program (GSHAP) maps，如下图： Tangshan brewery is located at 39.51°N, 118.08°E.Longitude Latitude PGA (m/s2)118 E 39.5 N 3.9279218.1 E 39.5 N 4.04814118 E 39.6 N 3.65462 118.1 E 39.6 N 3.82503Figure 1: Peak Ground Acceleration (PGA) with a 10% chance of exceedance in 50 years, Eastern Asia (Zhang et. Al 1999). 50年超越概率10%的设计基本地震峰值加速度为4.00m/s2(0.41g)，与中国规范9度抗震设防地震加速度0.40g相当。

在方案讨论过程中，2008年5.12的四川8.0级地震也造成重大伤亡，在业主AB公司的强烈要求下，唐山项目一期工程按照9度抗震设防进行设计按照勘察报告，场区地层主要由耕土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、粉土、粉细砂等组成，场地土属中软土，场地类别为Ⅲ类若抗震设防烈度采用9度，设计基本地震加速度值不小于0.40g，设计地震分组为第一组，特征周期为0.45s经液化判别，若抗震设防烈度按9度考虑液化，上层土中的3粉砂、5-1粉细砂、5粉细砂和7粉细砂可液化，液化指数在4.29~12.29，综合评定场区液化等级为中等液化，液化指数平均值ILE=8.33在抗震设防为9度的多遇地震下，水平地震影响系数最大值分别为0.32，结构承受地震水平力很大下图为发酵罐区的中间一个罐最大柱脚力标准内力Vxmax/ Vymax/ Nmax（KN）：地震反应力（kN） 整层剪重比(%)Fx = 44431.35， 31.45%Fy = 44138.79， 31.25%地震主周期为T = 0.31s，剪重比0.31,接近水平地震影响系数最大值0.32； 柱脚剪力和轴力比Vmax/ Nmax为0.23（活荷载重力代表值组合值系数为0.5）。

二．桩基础抗震设计1. 桩的水平承载力设计及验算因为地震水平力很大，桩基抗震设计首先要考虑桩的水平承载力设计及计算对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身不小于0.65%的灌注桩的水平承载力计算由位移控制，采用地面处水平位移χoa为10mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)按桩基规范5.7.2-2计算，但桩顶水平位移系数νx与桩顶约束条件相关桩顶固接νx是桩顶铰接、自由1/(2.5~3.0)，因此桩顶固接的模型计算的水平承载力较大唐山项目考虑桩承受的水平力很大和成本工期因素，采用钢筋混凝土方桩，桩径400mm桩顶采用固结，为保证桩顶固结不转动，加强承台刚度，采用3桩以上承台或联合承台；其次，加强桩顶固接按右图进行设计桩的水平变形系数α(1/m)按桩基规范5.7.5计算， 桩的水平抗力系数的比例系数m影响深度hm=2（d+1）有多层不同土时，m值按桩基规范附录C.0.2-2计算，根据岩土工程勘察报告和桩基规范表7.7.5，当桩顶容许位移为10mm时m取值如下：土层m取值(MN/m4)土层参数指标按照线性插值m取值(MN/m4)土层折减系数ψ液化折减m取值(MN/m4)2-1粘土6.0~10（IL=0.25~0.75）IL=0.607.2不液化7.22 粉质粘土6.0~10（IL=0.25~0.75）IL=0.636.9不液化7.23粉砂4.5~6.0标贯平均击数 85.6004粉质粘土6.0~10（IL=0.25~0.75）IL=0.696.5不液化6.54-1淤泥质粉质粘土2~4.5IL=1.34.5不液化4.55粉细砂6~1082/35.3按规范和上表数据进行计算，不考虑液化，四个钻孔m平均值为6.80 MN/m4；考虑液化，对m值进行液化折减，四个钻孔m平均值为5. 95MN/m4；地基土的m值液化折减系数为5.95/6.80=0.875。

桩基水平静载试验采用桩顶自由，桩试验不能得到桩顶刚接的水平承载力，需根据桩顶自由得到的水平荷载得出地基土m值后，再根据规范计算桩顶刚接的水平承载力根据桩基检测公司提P2,P3,P5,P8桩的m值，桩号单桩水平极限承载力(kN)水平位移 (mm)对应荷载 (kN) (MN/m4) 桩身完整性分类P211076811.8桩身完整Ⅰ10778.0P31307589.0桩身完整Ⅰ10696.7P512076310.4桩身完整Ⅰ10727.2P81107394.7桩身完整Ⅰ10503.9在水平位移 χoa＝10mm下，m平均值＝（8.0+6.7+7.2+3.9）/4 = 6.45经液化折减后m取值0.875*6.45＝5.64 MN/m4检测试验结果和按规范计算的m接近在地震时，考虑液化，桩顶固结条件下，m＝5.64 MN/m4，按桩基规范5.7.2-2计算，400方桩的水平承载力特征值Rha ＝121.8KN，取Rha ＝120KN验算与地震效应组合的桩基水平承载力时，应满足条件： HiK ≤ 1.25Rha 发酵罐区的中间罐每2个柱做10桩联合承台，H1K = 1271KN < 10*120*1.25 = 1500KN, 满足要求。

因为混凝土方桩造价高，为减少桩基造价，包装车间的零板地面桩采用AB型PHC400管桩管桩桩顶为铰接，考虑液化，按m＝5.64 MN/m4，按桩基规范5.7.2-2计算的水平承载力特征值Rha ＝38.6KN管桩的水平承载力试验方法与方桩相同，经现场水平静载试验，在水平位移 χoa＝10mm下，对应水平荷载平均值（88+94+39）/3=73.7KN,承载力特征值为0.75*73.7=55.3KN，经液化折减后，Rha ＝0.875*55.3=48.3KN，取D400PHC管桩Rha ＝48KN桩号桩长 (m)桩径 (mm)水平位移7mm时对应水平荷载 (KN)水平位移10mm时对应水平荷载 (KN)PT1204007888PT418.34008694PT617.94003239由试验数据看出，在高烈度地震区，在允许的场地条件下，经计算和现场试验，采用PHC管桩也可以满足要求；但如果水平地震力很大，但桩顶铰接的管桩提供的水平承载力不高，因此采用此类型管桩并不经济，也可考虑在管桩允许弯矩下桩顶包裹现浇柱墩做成刚接形式对于群桩基础，可按照规范5.7.3条，考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，Rh ＝ηb Rha，ηb为群桩效应系数。

当承台周围的回填土夯实达到要求时，可考虑承台正面土的水平抗力效应，但承台底摩阻效应不应计算2. 桩的竖向承载力设计及验算桩的竖向承载力设计及验算分二步首先，需要验算地震持续过程中液化土折减后的竖向承载力验算其中3粉砂、5-1粉细砂、5粉细砂和7-1粉细砂为液化土，按折减后的极限侧阻力标准值桩端土为7粉细砂层，桩极限侧阻力标准值为70Kpa，桩极限端阻力标准值为8800Kpa经计算400方桩承载力特征值为1200KN桩的静载试验结果，竖向抗压承载力极限值均不小于3000kN取桩承载力特征值为R=1200KN，按桩基规范5.2.1条验算地震作用效应和荷载效应标准组合： NEK ≤ 1.25R （5.2.1-3）NEKmax ≤ 1.5R （5.2.1-4）因为9度区水平地震力很大，实际桩基由桩的水平承载力控制其次，当地震停止时，需要验算液化土层以上摩阻力为零的竖向承载力取7-1粉细砂液化土层以上的摩阻力为零，经计算400方桩承载力极限值Ru=1900KN按下式验算桩的竖向承载力，必要时验算其附加沉降 Ru ≥ 1.3 Qk （广东省地基基础规范10.4.3）三．小结高烈度地震区的地震作用很大，桩基设计较为繁琐。

因为水平地震作用较大，桩基一般由桩的水平承载力控制，但桩基在地震作用下的竖向承载力验算也很重要同时，桩型的选择、桩基的计算模型等因素都会影响桩基的设计只有综合考虑各方面因素，验算各方面的承载力和荷载，才能做到桩基设计的安全、经济、适用 。