液化土场地的桩基抗震设计

液化土场地的桩基抗震设计
摘要：液化土场地内的各种工程设施的桩基部分的破坏主要由地震诱发土体液化引起，其破坏力巨大。

因此，在工程设计过程中，需要对地震液化大变形机理、预测方法及其对桩基础的影响、处理对策方面进行研究，特别是土体一结构物动力相互作用理论及应用研究的重要方面。

本文从地震液化变形机理分析入手，对本问题进行探讨。

关键词：液化桩基抗震设计
1 概述
土体液化必须要同时具备松散砂性土、土体饱和、水平荷载作用三个条件，饱和砂土是由砂和水组成的两相复合体系，而砂粒孔隙间充满了水。

受到水平方向的动剪应力作用后，土骨架在充满水的孔隙间振动中，原来的砂水复合体系变为砂水的悬液体系，在渗透水流作用下发生浮扬现象，也产生了“液化”（如图1所示）。

当前已经建造、正在设计建造以及将要设计建造一大批超大型复杂结构物。

这些结构物系统尚未真正经受强烈地震作用的考验，缺乏强地震响应破坏的实际经验，一系列新的与抗震设计有关的科学及技术问题需要深入探索。

图1 土体液化示意图
2 地震液化变形机理分析
目前液化滑移的发生机制不确定因素甚多，解析方法的固体理论、液体理论以及混合物理论多种论点并存，也无统一定论。

要采用包含大量参数的复杂方法来预测大变形就相当困难，基于以往的地震资料，近10年来在大变形经验法及其影响因素方面取得了很大的进步。

目前关于地震液化大变形机理，有各种不同的观点。

一种观点认为大变形主要产生在应变集中而发生破坏的表面，变形不受液化层厚度影响；另一观点是侧向变形受控于液化层中的分布残余剪应变，液化层的厚度在侧向变形模型中起到非常重要的作用。

第三种观点认为研究液化大变形的机理，不能忽略土体液化后的变形、孔压特性，建立预测模型。

3 国内现行规范液化土桩基计算方法
（1）折减系数法。

折减系数法是考虑液化土层中桩基性能的一种简化方法，也是目前桩基抗震设计中常用的方法，但此法结果偏于保守。

（2）两阶段分析法。

《工业构筑物抗震鉴定标准》（1988）、《冶金工业建筑抗震设计指南》（1990）等采用该方法。

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

（3）打入桩法。

《工业构筑物抗震设计规程》（1992）、《建筑抗震设计规范》（2010）采用该方法。

该法适用于打入式预制桩及其他挤土桩。

（4）综合法。

《构筑物抗震设计规范》（1993）、《建筑抗震设计规范》（2010）采用该方法。

该法适用于存在液化土层的低承台桩基抗震验算。

代表了目前国内规范中关于液化土中桩基抗震设计的较全面的方法。

4 液化场地桩基设计计算原则
（1）地震液化大变形的预测方法各有优缺点和适用条件，从液化大变形机理、现场震害调查测试分析表明，基于CPT（或SPT）原位测试的半经验法可能是目前预测大变形最好的方法。

在进行场地液化大变形危险性分析时，应做SPT 和CPT原位测试。

（2）国内外规范大多认为抗震验算时单桩竖向抗震承载力可以有所提高，提高幅度约为0-60%。

在静力计算时，一般桩的承载力采用安全系数为2，基本上未出现垂直承载力方面的问题。

（3）当桩周无厚层液化土时，地震作用下桩周水平力计算采用m法。

当地基分层、桩侧土地基系数沿桩身成各种规律变化或桩身抗弯刚度变化时，采用改进的NEWMARK数值解法计算桩的内力和位移。

（4）对于成层土，当分层土的侧向刚度彼此相差不大时，即桩身旁土层性质相对均匀的场合，采用m法计算可基本满足要求。

且震动越强烈，地层运动所产生桩身的内力越起主要作用，m法与常数法的误差也越大。

（5）可液化场地经加固处理消除液化后，即可按非液化场地进行设计计算:桩的计算仍按准静力法考虑地震作用，用m法计算桩身剪力和弯矩。

（6）数值模拟在分析地震液化大变形条件下桩的响应规律方面具有模型试验不可替代的作用，可对桩身弯距及位移变化情况进行详细的分析，建议根据桩基抗震等级，对重要的桩基工程进行数值仿真分析。

5 液化地区桩基可采取的积极措施
通常，桩的设计承载力应保证桩基结构的变形处于允许的范围之内，而要约束桩基结构的横向变形则又必须保证桩土体系具有一定的刚度和强度，通常可采取如下措施:
（1）提高桩的刚度和强度
桩的抗弯刚度与其材料的弹性模量以及截而惯性矩有关。

实际工程中，液化土地区不宜使用混凝土空心管桩，宜使用混凝土实心桩、灌注桩就是体现这个观
点。

（2）桩身的构造措施
采用刚度较大的承台座板或帽梁，改善桩顶约束条件；将桩身上部8d-12d 范围内的桩径适当加大，或在桩身上部侧向加设翼板，以提高土体对桩的抗力；增加承台底摩阻力等构造措施可提高桩或桩基的横向承教力
（3）提高桩周土抗力
桩侧土体的横向抗力是抵抗基桩水平荷载的主要因素。

显然，桩侧土体愈密实，其水平抗力愈大，桩土体系的承载能力愈高，基桩的变形也就愈小。

（4）加强桩头与承台的连接
不论液化土或非液化土中的建筑桩基，桩头部位总是出现大弯矩与剪力的危险部位，损坏部位主要在桩头和承台连接处及承台下的桩身上部，由压、拉、剪压等导致破坏。

承台和桩连接处是地震最主要受害部位，在设计时应给予加强。

6 结语
在工程应用中，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，桩基抗震设计时宜进行稳定性验算。

在这种情况下，即使将液化土层的值取为零也未必是最保守的。

参考文献：
1.《工业与民用建筑灌注桩设计与施工规程》（JGJ4-8O）[S].
2.刘惠珊，乔太平．可液化土中桩基设计计算方法的探讨[J].工业建筑，1983，（4）：19-24．
3.横山幸满，唐业清译．桩结构物的计算方法和计算实例[M].北京：中国铁道出版社，1984．
4.矢作枢，和田克哉．万世昌译．桩的抗震设计[M]．北京：人民交通出版社，1990．102-118．。