桩基震害及原因分析_日本阪神大地震的启示
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(2) 地震力引起软土摩阻力下降使桩过 度下沉 , 或软硬土层界面的弯剪应力使桩身 破坏 ;
(3) 土的变位引起破坏 , 如挡土墙后土 楔滑动 、土坡失稳 、附近地面荷载下地基失 稳等波及建筑下的桩基 , 使桩身弯矩增大 , 引起桩头 、桩身中部的破坏或形成塑性铰
(图 2) 。 21 液化但无侧向扩展地基上桩的破坏 此种情况以阪神地震中神户市二个人工
【关键词】 震害 桩基 液化 震陷 侧向扩展
Abstract This paper gives a summary on seismic damage of pile foundations since 1960s , espacially after Hyogoken2Nanbu earthquake in Japan (1995) , The tipical pattern and causes of pile foundation damage under nonliquefiable and liquefiable soil conditions are dis2 cussed. Some commentaries on seismic design of pile foundation and earthquake protection countermeasures are given in this paper.
液化否 有 (液化深度多在 10m 以内)
无
桩基震害汇总之二 (46 个工程) [3] 表 2
损害情况
受害部位 件数 备 注
桩 建筑物
a1 桩与建筑均受害 0
0
b1 桩受害
0
—
c1 仅建筑物受害
—0
d1 无震害
——
30 0 示有震害
0 —示无震害
11
5
注 : 46 个工程中 ,阪神地震 40 例 ,新 5 例 ,仙台一例
桩在桩顶也有裂缝多道 (图 6) , 曾以三种 不同方法计算桩的地震反应 , 均得出土层界 面及桩顶处弯矩 、剪力大的结果 。
图 6 发电厂地质剖面及机器基础下桩的破坏
图 7 电厂平面图
21 液化而无侧扩时的桩基震害实例 [例 3 ] 神户市港岛 (人工岛) 内部
钢筋 混 凝 土 二 层 建 筑 , 位 于 距 护 岸 260m 处 , 平面尺寸 : 12m ×818m , 单独基础 , 有 基础梁连系 , 其中四个基础有桩二根 , 另二 基础为单桩 , 桩型为高强预应力混凝土桩 , 长 30m , 外径 450mm , 打入洪积砂砾层中 。
(30 件) , 将此 30 例的情况演绎成表 3 。由
表可以看出 :
桩基震害汇总之一 [3 ]
表1
地 点
新
仙 台
桩 类
木 桩 钢筋混凝土桩 AC 桩
桩 长
615～7m
7～14m
9m
刚体倾斜 桩的震害 桩 与 基 础 脱
开错动
弯曲裂缝 弯曲变形 受弯折断
剪 断 桩头压坏 纵向裂缝
图 8 柱状图及标贯值 、波速值
多裂缝 (图 9) , 但桩头部分裂缝形态与深 部裂缝有异 , 估计是打桩时形成的 ; ( b)
— 41 —
较深部的裂缝主要是弯矩形成的水平裂缝 , 特别是 - 7～ - 9m 和 - 16m 附近的裂缝贯通 桩身断面的全周 , 即填土中部与底部最严 重 ; ( c) 最严重的破坏是基底 ( - 110m 左 右) 下 - 215～ - 310m 处的桩身折断 (图 9 、 图 10) , 桩轴线在该处错位分别为 50mm 和 130mm 左右 ; ( d) 填土与粘土层交界处 (即 - 16m 深) 左右桩身曲率最大 ; ( e) 桩 头因地震作用产生 30～45cm 的水平变位 。
<
<
埋 入 PHC 桩
打 入 液
灌 注 桩
坦
灌 注 桩
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<
<
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< (大破)
< (大破)
<
化 倾
灌 注 桩 PC 桩
埋 入
斜 PC 节桩 埋 入
<
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< (大破)
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钢管桩 打 入 <
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< < (大破)
<
液 平 木 桩 打 入
<
<
<
<
<
<
<
RC 桩 打 入
其抗弯性较好 , 因而桩身破坏较少 。 21 钢筋混凝土桩在非液化土中以剪压
破坏为主 。其纵向破裂的原因据认为是空心
桩桩头处后填的混凝土在桩头压坏后楔入中
空部分的结果 。液化土中的桩如深入非液化
土中足够长 , 则以弯曲破坏为主 。
表 2 汇集了 46 个工程桩基的震害 。其
中桩与上部结构均有震害者占总数的 2/ 3
— 39 —
图 3 液化无侧扩地基上桩的破坏
平位移大 , 产生较大的附加弯矩 , 使内陆侧 的边桩受到拉力 , 从而减轻震害 , 可能使边 桩只有一个塑性铰 (图 4 ( c) ) 。
三 、桩基震害工程实例
11 有液化侧扩时的桩基震害 [例 1 ] 神户东滩临海砂砾填土上的 三层混凝土建筑 , 单独基础有桩 2～3 根 , <400 (内径 240) , 震后邻近地面喷冒 , 土 体滑向海侧 , 上部结构无损 , 但位移且倾斜 3°, 用孔内照相及弹性波探测桩身破坏如图 5 。在液化层界面 1m 范围内有桩身水平裂 缝 , 桩头有水平缝 ; 此外在填土 (液化层) 中部桩身弯折 , 该处土的标贯值 N = 2～10 。
图 5 T 轴的桩震害
图 4 液化侧扩地基上桩基的震害 注 : 图中白圈示桩顶嵌固破坏 , 黑圈示剪坏塑性铰 。
(1) 桩身在液化层底和液化层中部的剪 坏或弯曲破坏 , 系由流动的土体对桩的侧向 压力所致 ;
(2) 桩顶嵌固的破坏 ; (3) 上部结构因桩身折断而产生不同程 度的不均匀沉降 。对高层建筑则因重心处水
— 38 —
析 。仅从表 3 中看 , 液化引起桩头大变位式 的破坏占第一位 , 桩头压坏占第二位 , 其次 是剪坏及弯曲破坏 ; (5) 上部结构损害最主 要的是倾斜与不均匀下沉 。
日本 建 筑 学 会 近 矶 支 部 对 阪 神 地 震 后 180 个建筑基础 (其中桩基占 78 %) 进行的 调查表明 :
1999 年 3 月
工 程 抗 震
第1期
桩基震害及原因分析 ———日本阪神大地震的启示
刘惠珊
(冶金部建筑研究总院 北京 100088)
【摘要】 本文对六十年代以后 , 特别是 1995 年日本阪神大地震以后桩基的震害类型 、原因 等进行了综合与归纳 , 对今后桩基的抗震设计和措施很有参考价值 。
图 1 预制桩的桩顶与承台连接方式
因之山肩邦男认为应该加强桩内钢筋与
基础内钢筋的连接 。 综合有关调查及文献报导 , 对各类地基
上桩基破坏特点可概括如下 : 11 非液化地基上桩震害的主要原因 (1) 地震力引起的破坏 , 受害部位主要
在桩头和承台连接处及承台下的桩身上部 , 以压 、拉 、压剪等因导致破坏 ;
— 37 —
桩与建筑物的震害模式 (30 例) [3]
表3
液地 化 否形
桩 类 型
桩 的 损 坏
压 缩
压屈
横向摇摆而 桩头压坏
桩头大 剪 断 曲 折 纵 裂
变 位
建筑损坏
骨架破损
倾斜与不 均匀下沉
PC 桩 埋 入
<
<
<
平
埋 入
<
<
<
AC 桩 埋 入
<
<
非
埋 入
土质条件见图 8 , 由地面至地下 18m 为 砂砾填土 , 震后大量喷冒孔可见 , 为液化 层 , 该层以下为粘土层及洪积砂砾 , - 2m 以下至 - 10m 填土的标贯值多小于 10 。
震后上部结构产生 1/ 30 的倾斜 , 窗口 部分有细缝 。
震后用孔内插入式倾斜计与孔内照相对 二个双桩基础中的二根桩进行了全长探测 , 结果如下 : ( a) 填土层范围内的桩身有许
— 40 —
[例 2 ] 神户东滩发电厂油罐桩基及 机器基础桩基
(1) 油罐二个 , 容积 4000m3 , 基础直 径 2114m , 每罐下 60 根 PC 桩 , <400 , l = 30m , 震 时 贮 油 2900m3 及 1600m3 。罐 边 距 海 50～60m , 地下 15m 以上均为可液化砂砾 (图 6 ) 。震 后 周 围 地 面 下 沉 60cm , 平 移 111m , 桩头凸出地面 。在承台下桩身上部 及桩头普遍发现水平裂缝或复合裂缝 , 但深 层桩身无破坏 。
是 , 今日对液化土中桩基的认识比新 地震 时已提高了不少 。
二 、桩基震害概况
日本新 地震 (1964 , 液化地基) 与宫 城地震 (1984 , 非液化地基) 造成新 与仙 台二市大量桩基受害 , 二种地基上桩的破坏 的差异见表 1 。从表中可看出 :
11 木桩与承台的嵌固差 , 长度小 , 因 而产生刚体式倾斜或自承台中拔脱者多 。但
Key words earthquake hazard , pile foundation , liquefaction , earthquake collapse , lateral expanding
一 、前言
经过 60 年代以来对桩基抗震性能的不 断调研与探讨 , 特别是 1995 年日本阪神地 震 (M = 712) 后对桩基震害的广泛考查与 分析 , 对桩基抗震性能及破坏原因 、类型等 已经积累了较多资料 , 认识也逐渐提高 。大 致可划分为非液化地基与液化地基类型的破 坏 , 后者受力机理更为复杂 。至今对非液化 地基上桩的受力与破坏方面的认识较多 ; 对 液化地基上桩的破坏过程 , 地震作用在液化 过程中的变化 , 乃至符合实际的设计计算方 法等仍然不明之处甚多 , 以至被抗震经验丰 富的日本科技界视为难题 。但不可否认的
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打 入
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< (中破)
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埋 入
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PC 桩
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打 入
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AC 桩
打 入 埋 入
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埋 入
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<
<
<
< (中破)
<
灌 注 桩
<
(1) 钢管桩的破坏主要是液化Ο水平位 移过大所致 , 压屈者情况较少 ; (2) AC 桩 、 PHC 桩 、PC 桩 、灌注桩等类型的混凝土桩 易压坏 , 而木桩 、钢桩及一般实心钢筋混凝 土桩则抗压较好 ; (3) 压坏事例中压屈 (失 稳) 者极少 , 主要为水平摆动时引起的压 坏 ; (4) 液化土中桩的破坏型式多样且涉及 液化有无侧向扩展等情况 , 尚须作深入分
岛的中部为最典型 , 该地可液化砂砾填土厚 达 15～20m , 地下水位 - 3～ - 4m , 估计Hale Waihona Puke Baidu 土全层液化 , 喷冒孔随处可见 , 震后地面下 沉约 60cm。上部结构震害轻 , 无不均匀沉 降与倾斜 。
桩基震后普遍凸出地面 。桩身的情况因 未开挖 , 无直接证明 , 但从神户海岸线填土
11 基础震害中因地基变形引起者占 68 % ,
由地震作用引起者占 21 % ,其余原因不明。 21 1984 年前与 1984 年后 (按日本建筑
中心的设计指针进行抗震设计) 相比 , 基础 的破坏率几乎不变 。山肩邦男认为是桩与承
台的接合方法未做改进之故 (图 1) , 其缺
点是 : a. 桩头埋入处基础中的钢筋甚少或 没有 ; 剪力大时桩伸入基础的钢筋剪断 , 产 生桩头相对承台的滑移 ; b. 预应力桩在桩 头 30cm 范围内预应力不足 , 抗弯抗剪能力 下降 ; c. 桩头抗拉力不足 。
(2) T 机器基础 , 该基础距海约 60m , 长轴平行岸壁 , 由 22 根长 35m、直径 500 的桩支承 。震后基础一端下沉 18cm , 平移 36cm 且 倾 斜 , 但 机 器 及 基 础 未 坏 。掘 开 No17 及 No18 号桩头后证实桩头破损 ( 图
7) , 但未能检查深部桩体情况 。对另外的三 根桩 , 用桩身内部照相法 , 探得桩身在填土 层底面以上 218m 范围内破断 。其中的 5 号
图 2 土体变形引起桩的破坏与建筑物倾斜
带 (液化而无侧向扩展) 对桩的孔内照相查 得 , 液化层与非液化层交界面这种刚性突变 处桩身均有全断面的水平裂缝 (图 3) 。
31 液化侧向扩展地基上桩的震害 此种情况以神户市海边及人工岛临水线 150m 以内为代表 , 液化侧向扩展使海岸护 壁产生 1～619m 水平位移 (其中 2～3m 者 最多) 。在此地带的桩基建筑及无桩建筑皆 受到液化侧扩造成的震害 。 桩及上部结构的震害主要表现为 (图 4) :
(3) 土的变位引起破坏 , 如挡土墙后土 楔滑动 、土坡失稳 、附近地面荷载下地基失 稳等波及建筑下的桩基 , 使桩身弯矩增大 , 引起桩头 、桩身中部的破坏或形成塑性铰
(图 2) 。 21 液化但无侧向扩展地基上桩的破坏 此种情况以阪神地震中神户市二个人工
【关键词】 震害 桩基 液化 震陷 侧向扩展
Abstract This paper gives a summary on seismic damage of pile foundations since 1960s , espacially after Hyogoken2Nanbu earthquake in Japan (1995) , The tipical pattern and causes of pile foundation damage under nonliquefiable and liquefiable soil conditions are dis2 cussed. Some commentaries on seismic design of pile foundation and earthquake protection countermeasures are given in this paper.
液化否 有 (液化深度多在 10m 以内)
无
桩基震害汇总之二 (46 个工程) [3] 表 2
损害情况
受害部位 件数 备 注
桩 建筑物
a1 桩与建筑均受害 0
0
b1 桩受害
0
—
c1 仅建筑物受害
—0
d1 无震害
——
30 0 示有震害
0 —示无震害
11
5
注 : 46 个工程中 ,阪神地震 40 例 ,新 5 例 ,仙台一例
桩在桩顶也有裂缝多道 (图 6) , 曾以三种 不同方法计算桩的地震反应 , 均得出土层界 面及桩顶处弯矩 、剪力大的结果 。
图 6 发电厂地质剖面及机器基础下桩的破坏
图 7 电厂平面图
21 液化而无侧扩时的桩基震害实例 [例 3 ] 神户市港岛 (人工岛) 内部
钢筋 混 凝 土 二 层 建 筑 , 位 于 距 护 岸 260m 处 , 平面尺寸 : 12m ×818m , 单独基础 , 有 基础梁连系 , 其中四个基础有桩二根 , 另二 基础为单桩 , 桩型为高强预应力混凝土桩 , 长 30m , 外径 450mm , 打入洪积砂砾层中 。
(30 件) , 将此 30 例的情况演绎成表 3 。由
表可以看出 :
桩基震害汇总之一 [3 ]
表1
地 点
新
仙 台
桩 类
木 桩 钢筋混凝土桩 AC 桩
桩 长
615～7m
7～14m
9m
刚体倾斜 桩的震害 桩 与 基 础 脱
开错动
弯曲裂缝 弯曲变形 受弯折断
剪 断 桩头压坏 纵向裂缝
图 8 柱状图及标贯值 、波速值
多裂缝 (图 9) , 但桩头部分裂缝形态与深 部裂缝有异 , 估计是打桩时形成的 ; ( b)
— 41 —
较深部的裂缝主要是弯矩形成的水平裂缝 , 特别是 - 7～ - 9m 和 - 16m 附近的裂缝贯通 桩身断面的全周 , 即填土中部与底部最严 重 ; ( c) 最严重的破坏是基底 ( - 110m 左 右) 下 - 215～ - 310m 处的桩身折断 (图 9 、 图 10) , 桩轴线在该处错位分别为 50mm 和 130mm 左右 ; ( d) 填土与粘土层交界处 (即 - 16m 深) 左右桩身曲率最大 ; ( e) 桩 头因地震作用产生 30～45cm 的水平变位 。
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桩桩头处后填的混凝土在桩头压坏后楔入中
空部分的结果 。液化土中的桩如深入非液化
土中足够长 , 则以弯曲破坏为主 。
表 2 汇集了 46 个工程桩基的震害 。其
中桩与上部结构均有震害者占总数的 2/ 3
— 39 —
图 3 液化无侧扩地基上桩的破坏
平位移大 , 产生较大的附加弯矩 , 使内陆侧 的边桩受到拉力 , 从而减轻震害 , 可能使边 桩只有一个塑性铰 (图 4 ( c) ) 。
三 、桩基震害工程实例
11 有液化侧扩时的桩基震害 [例 1 ] 神户东滩临海砂砾填土上的 三层混凝土建筑 , 单独基础有桩 2～3 根 , <400 (内径 240) , 震后邻近地面喷冒 , 土 体滑向海侧 , 上部结构无损 , 但位移且倾斜 3°, 用孔内照相及弹性波探测桩身破坏如图 5 。在液化层界面 1m 范围内有桩身水平裂 缝 , 桩头有水平缝 ; 此外在填土 (液化层) 中部桩身弯折 , 该处土的标贯值 N = 2～10 。
图 5 T 轴的桩震害
图 4 液化侧扩地基上桩基的震害 注 : 图中白圈示桩顶嵌固破坏 , 黑圈示剪坏塑性铰 。
(1) 桩身在液化层底和液化层中部的剪 坏或弯曲破坏 , 系由流动的土体对桩的侧向 压力所致 ;
(2) 桩顶嵌固的破坏 ; (3) 上部结构因桩身折断而产生不同程 度的不均匀沉降 。对高层建筑则因重心处水
— 38 —
析 。仅从表 3 中看 , 液化引起桩头大变位式 的破坏占第一位 , 桩头压坏占第二位 , 其次 是剪坏及弯曲破坏 ; (5) 上部结构损害最主 要的是倾斜与不均匀下沉 。
日本 建 筑 学 会 近 矶 支 部 对 阪 神 地 震 后 180 个建筑基础 (其中桩基占 78 %) 进行的 调查表明 :
1999 年 3 月
工 程 抗 震
第1期
桩基震害及原因分析 ———日本阪神大地震的启示
刘惠珊
(冶金部建筑研究总院 北京 100088)
【摘要】 本文对六十年代以后 , 特别是 1995 年日本阪神大地震以后桩基的震害类型 、原因 等进行了综合与归纳 , 对今后桩基的抗震设计和措施很有参考价值 。
图 1 预制桩的桩顶与承台连接方式
因之山肩邦男认为应该加强桩内钢筋与
基础内钢筋的连接 。 综合有关调查及文献报导 , 对各类地基
上桩基破坏特点可概括如下 : 11 非液化地基上桩震害的主要原因 (1) 地震力引起的破坏 , 受害部位主要
在桩头和承台连接处及承台下的桩身上部 , 以压 、拉 、压剪等因导致破坏 ;
— 37 —
桩与建筑物的震害模式 (30 例) [3]
表3
液地 化 否形
桩 类 型
桩 的 损 坏
压 缩
压屈
横向摇摆而 桩头压坏
桩头大 剪 断 曲 折 纵 裂
变 位
建筑损坏
骨架破损
倾斜与不 均匀下沉
PC 桩 埋 入
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土质条件见图 8 , 由地面至地下 18m 为 砂砾填土 , 震后大量喷冒孔可见 , 为液化 层 , 该层以下为粘土层及洪积砂砾 , - 2m 以下至 - 10m 填土的标贯值多小于 10 。
震后上部结构产生 1/ 30 的倾斜 , 窗口 部分有细缝 。
震后用孔内插入式倾斜计与孔内照相对 二个双桩基础中的二根桩进行了全长探测 , 结果如下 : ( a) 填土层范围内的桩身有许
— 40 —
[例 2 ] 神户东滩发电厂油罐桩基及 机器基础桩基
(1) 油罐二个 , 容积 4000m3 , 基础直 径 2114m , 每罐下 60 根 PC 桩 , <400 , l = 30m , 震 时 贮 油 2900m3 及 1600m3 。罐 边 距 海 50～60m , 地下 15m 以上均为可液化砂砾 (图 6 ) 。震 后 周 围 地 面 下 沉 60cm , 平 移 111m , 桩头凸出地面 。在承台下桩身上部 及桩头普遍发现水平裂缝或复合裂缝 , 但深 层桩身无破坏 。
是 , 今日对液化土中桩基的认识比新 地震 时已提高了不少 。
二 、桩基震害概况
日本新 地震 (1964 , 液化地基) 与宫 城地震 (1984 , 非液化地基) 造成新 与仙 台二市大量桩基受害 , 二种地基上桩的破坏 的差异见表 1 。从表中可看出 :
11 木桩与承台的嵌固差 , 长度小 , 因 而产生刚体式倾斜或自承台中拔脱者多 。但
Key words earthquake hazard , pile foundation , liquefaction , earthquake collapse , lateral expanding
一 、前言
经过 60 年代以来对桩基抗震性能的不 断调研与探讨 , 特别是 1995 年日本阪神地 震 (M = 712) 后对桩基震害的广泛考查与 分析 , 对桩基抗震性能及破坏原因 、类型等 已经积累了较多资料 , 认识也逐渐提高 。大 致可划分为非液化地基与液化地基类型的破 坏 , 后者受力机理更为复杂 。至今对非液化 地基上桩的受力与破坏方面的认识较多 ; 对 液化地基上桩的破坏过程 , 地震作用在液化 过程中的变化 , 乃至符合实际的设计计算方 法等仍然不明之处甚多 , 以至被抗震经验丰 富的日本科技界视为难题 。但不可否认的
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(1) 钢管桩的破坏主要是液化Ο水平位 移过大所致 , 压屈者情况较少 ; (2) AC 桩 、 PHC 桩 、PC 桩 、灌注桩等类型的混凝土桩 易压坏 , 而木桩 、钢桩及一般实心钢筋混凝 土桩则抗压较好 ; (3) 压坏事例中压屈 (失 稳) 者极少 , 主要为水平摆动时引起的压 坏 ; (4) 液化土中桩的破坏型式多样且涉及 液化有无侧向扩展等情况 , 尚须作深入分
岛的中部为最典型 , 该地可液化砂砾填土厚 达 15～20m , 地下水位 - 3～ - 4m , 估计Hale Waihona Puke Baidu 土全层液化 , 喷冒孔随处可见 , 震后地面下 沉约 60cm。上部结构震害轻 , 无不均匀沉 降与倾斜 。
桩基震后普遍凸出地面 。桩身的情况因 未开挖 , 无直接证明 , 但从神户海岸线填土
11 基础震害中因地基变形引起者占 68 % ,
由地震作用引起者占 21 % ,其余原因不明。 21 1984 年前与 1984 年后 (按日本建筑
中心的设计指针进行抗震设计) 相比 , 基础 的破坏率几乎不变 。山肩邦男认为是桩与承
台的接合方法未做改进之故 (图 1) , 其缺
点是 : a. 桩头埋入处基础中的钢筋甚少或 没有 ; 剪力大时桩伸入基础的钢筋剪断 , 产 生桩头相对承台的滑移 ; b. 预应力桩在桩 头 30cm 范围内预应力不足 , 抗弯抗剪能力 下降 ; c. 桩头抗拉力不足 。
(2) T 机器基础 , 该基础距海约 60m , 长轴平行岸壁 , 由 22 根长 35m、直径 500 的桩支承 。震后基础一端下沉 18cm , 平移 36cm 且 倾 斜 , 但 机 器 及 基 础 未 坏 。掘 开 No17 及 No18 号桩头后证实桩头破损 ( 图
7) , 但未能检查深部桩体情况 。对另外的三 根桩 , 用桩身内部照相法 , 探得桩身在填土 层底面以上 218m 范围内破断 。其中的 5 号
图 2 土体变形引起桩的破坏与建筑物倾斜
带 (液化而无侧向扩展) 对桩的孔内照相查 得 , 液化层与非液化层交界面这种刚性突变 处桩身均有全断面的水平裂缝 (图 3) 。
31 液化侧向扩展地基上桩的震害 此种情况以神户市海边及人工岛临水线 150m 以内为代表 , 液化侧向扩展使海岸护 壁产生 1～619m 水平位移 (其中 2～3m 者 最多) 。在此地带的桩基建筑及无桩建筑皆 受到液化侧扩造成的震害 。 桩及上部结构的震害主要表现为 (图 4) :