关于设防烈度地震和罕遇地震下建筑桩基础竖向承载力的探讨

[摘要] 基于中震或大震分析的性能化抗震设计逐渐增多，而现行规范仅有非抗震和小震工况的桩基竖向承载力验算规定。为此本文分析了现行规范中桩基竖向承载力验算的安全度，讨论了建筑桩基的抗震设防目标，提出了以“安全系数”为目标的中震、大震下桩基竖向承载力验算简化方法，供进一步研究和探讨。





Abstract: While p erformance based seismic design taking into account offortification or severer earthquake impact, is getting prevalentfor large scale or complex building structures, discussion isnecessary on how to verify the adequacy of vertical bearingcapacity of building pile foundation under fortification or severerearthquakes for such projects, as current codes of practice onlyprovide design guidance on verification of pile bearing capacityunder frequent earthquakes. In this paper, provisions of curentcodes of practice are reviewed in regard to factor of safety forpile bearing capacity, seismic fortification objectives arediscussed for building pile foundations, simplified method withcriterion on factor of safety is recommended for justification ofvertical bearing capacity of building pile foundation underfortification or severer earthquakes.
Keywords: vertical bearing capacity of pile ； performance based seismicdesign ； fortificationearthquake ； severer earthquake ； factor of safety for bearingcapacity

0 前言
桩基础是高层建筑和超高层建筑的主要基础形式之一。随着建筑结构规模和难度增大，基于设防烈度地震（中震）或罕遇地震（大震）分析的性能化设计逐渐增多。 《建筑工程抗震性态设计通则》 [1] 与文献[2] 仅分别提出了性能化设计和超限抗震设计中地基基础的抗震设计原则， 现行规范规范 [3-5] 仅有非抗震工况和 多遇地震（小震） 工况的桩竖向承载力验算规定。 这类项目是否需要、如何进行中震、大震下桩基竖向承载力验算，成为关注的焦点，超限审查时通常也只含糊地要求“高宽比较大时应注意复核地震下地基基础的承载力和稳定”。
笔者认为，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》 [1] 与文献[2] 的抗震设计原则，采取《建筑桩基技术规范》 [4] 第 3.4.6 条中的各项构造措施，在此基础上有必要控制好中震、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。 下文笔者将尝试以桩基竖向承载力安全系数为控制目标，提出中震和大震工况下桩基竖向承载力验算的简化方法，供进一步的探讨和研究。
1 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 [6 ， 7] ：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。
本文讨论的中震、大震下桩基竖向承载力验算，主要是预防第 1 ）种桩基震害。为避免第 2 ）种破坏，可按《建筑抗震设计规范》 [5] 第 4.4.5 条采取加强桩身纵筋和箍筋的构造措施。在可靠判别土层液化可能性的基础上，按《建筑抗震设计规范》 [5] 第 4.4.3 条折减液化土层摩阻力可应对第 3 ）种震害。第 4 ）种震害涉及周围土体抗震稳定性验算，对坡地岸边桩基可参考文献 [7] 进行桩基整体稳定性抗震验算。
2 现行规范 [3-5] 中桩基竖向承载力的安全度
2.1 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） [8] 。对应的表达式为：



式中： p 为基底压力； f a 为容许承载力（承载力特征值）； f u 为极限承载力； K 为安全系数； S 和 S k 分别为荷载效应的设计值和标准值； R 和 R k 分别为抗力的设计值和标准值； γ R 和 γ S 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 [3-5] 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，以便进行安全度的比较。
2.2 非抗震工况桩基竖向承载力的安全度
2.2.1 按桩周岩土抗力确定单桩承载力特征值 R a
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 R a 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 。
2.2.2 按桩身承载力确定单桩承载力
按《建筑地基基础设计规范》 [3] 第 8.5.11 条，桩身承载力应满足式（ 4 ）：

式中： Q 为相当于荷载基本组合时的单桩竖向力设计值； f c 为混凝土轴心抗压强度设计值； A p 为桩身横截面积； φ c 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 γ S=1.35 ，工作条件系数平均值 φ c=0.67 ，代入式（4 ）并整理，得式（5 ）:

式中： Q kmax0 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》 [4] 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》 [3] 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。
2.3 小震工况下桩基竖向承载力的安全度
2.3.1 按桩周岩土抗力确定单桩承载力特征值 R a
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 。
2.3.2 按桩身承载力确定单桩承载力
根据《建筑抗震设计规范》 [5] 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 ，式（ 5 ）变成了式（ 6 ）：

式中： Q kmax1 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 γ RE =0.8 ，代入（ 6 ）整理后得式（ 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。
2.4 小结
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 。




3 中震、大震下桩基竖向承载力验算的建议方法
3.1 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，文献 [7] 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。
笔者认为，上述设防目标适合于标准设防类（丙类）建筑。参考文 [9] 的思路，特殊设防类（甲类）和重点设防类（乙类）建筑的设防目标应适当提高，建议为：中震时桩身尽可能保持弹性，无需修理即可使用；大震时桩身尽可能不屈服，容许个别桩受损但不能完全失效。
3.2 中震、大震下桩基竖向承载力验算的简化方法
3.2.1 基本思路