桩基抗震验算的一点困惑

建筑桩基震害与其抗震设计计算方法现状

建筑桩基的震害主要有：

1）上部结构过大的水平惯性力引起桩-承台连接破坏或浅部桩身的剪压、剪弯破坏；

2）由于土层的地震反应，软硬土层界面处出现较大的剪切变形，导致穿过界面的桩身发生弯曲或剪切破坏；

3）桩周可液化土层或饱和软黏土土层在地震作用下，摩阻力急剧下降，造成单桩承载力不足，整个桩基出现不容许的沉降或不均匀沉降；

4）桩基附近土体由于地震中常出现的土坡滑动、挡土墙位移或堆载失效等原因而发生流动，桩身受到侧向挤压而造成弯折、错位或损伤，液化土层侧向扩展与流滑也会造成类似破坏。

桩基与土的共同作用相当复杂，地震动力问题更加如此。关于桩基在地震作用下的工作情况分析与抗震设计计算，目前尚无成熟、完善的理论与方法可依。现行常规的做法是：经验指导为主，辅以以静代动的验算，外加构造措施保证。

地基（桩基）承载力设计的3种设计理论

地基承载力设计中有3种理论，即正常使用极限状态的容许承载力理论，承载能力极限状态的承载力理论——单一安全系数法和承载能力极限状态的承载力理论——分项系数法（也称分项安全系数法）。对应的表达式为：

容许承载力理论     p≤fa           （1）

安全系数法         p≤fu /K         （2）

分项系数法  S≤R  S=γSSk  R=Rk/γR （3）

式中：p为基底压力；fa为容许承载力（承载力特征值）；fu为极限承载力；K为安全系数；S和Sk分别为荷载效应的设计值和标准值；R和Rk分别为抗力的设计值和标准值；γR和γS分别为抗力和荷载效应的分项系数。

单桩承载力由桩周岩土抗力和桩身承载力双控。在现行规范中，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”。

非抗震工况桩基竖向承载力的安全度

按桩周岩土抗力确定单桩承载力特征值Ra

按《建筑地基基础设计规范》[3]附录Q第Q.0.11条和《建筑桩基技术规范》[4]第5.2.2条，单桩竖向承载力特征值Ra的安全系数不小于2。

按《建筑地基基础设计规范》[3]第8.5.5条和《建筑桩基技术规范》[4]第5.2.1条，群桩平均竖向承载力安全系数不小于2，最小安全系数不小于2/1.2≈1.67。

按桩身承载力确定单桩承载力

按《建筑地基基础设计规范》第8.5.11条，桩身承载力应满足式（4）：

Q≤Apfcφc             （4）

式中：Q为相当于荷载基本组合时的单桩竖向力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Ap为桩身横截面积；φc为工作条件系数，非预应力预制桩取0.75，预应力桩取0.55~0.65，灌注桩取0.6-0.8。

取荷载综合分项系数γS=1.35，工作条件系数平均值φc=0.67，代入式（4）并整理，得式（5）:

Apfc/Qkmax0≥2.01          （5）

式中：Qkmax0为非抗震工况荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力标准值。

《建筑桩基技术规范》第5.8.2条的公式与第5.8.3条的参数略有不同，但其安全度总体上与《建筑地基基础设计规范》相当。从式（5）可见，当以桩身保持弹性为控制目标时，桩身承载力安全系数大体也达到2，与岩土抗力安全系数相匹配。

小震工况下桩基竖向承载力的安全度

按桩周岩土抗力确定单桩承载力特征值Ra

按《建筑抗震设计规范》[5]第4.4.2条和4.2.3条，小震工况下允许单桩承载力特征值提高1.25倍，即安全系数降为非抗震的0.8倍：单桩承载力安全系数不小于1.6；群桩平均安全系数不小于1.6，最小安全系数不应小于1.33。

按桩身承载力确定单桩承载力

根据《建筑抗震设计规范》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γRE，式（5）变成了式（6）：

(Apfc/γRE)/Qkmax1≥2.01       （6）

式中：Qkmax1为小震工况荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力标准值。按“轴压比不小于0.15的柱”取γRE=0.8，代入（6）整理后得式（7）:

Apfc/Qkmax1≥1.61          （7）

从式（7）可见，当以桩身保持弹性为控制目标时，小震工况下桩身承载力安全系数大体也达到1.6，与岩土抗力安全系数相匹配。

总结以上分析，现行规范[3-5]中桩基竖向承载力安全系数汇总于表1。

中震、大震下桩基竖向承载力验算的建议方法

建筑桩基的抗震设防目标

为与上部结构抗震设防目标相适应，并考虑到桩基震后修复的困难性，提出了建筑桩基抗震设防目标如下：中震时不能损坏，无需修理即可使用；大震时容许部分受损但不能完全失效。