基礎抗震研究

王志剛

唐山市熱力總公司，河北唐山 063000

0 引言

地震是一種比較復雜的過程，在科學化比較發達的今天也很難把握它的規律性和準確性，很難用儀器實際測得地震時的地震波和其它地震參數。在結構設計時，雖然考慮到結構抗震方面的因素，但由于諸多因素的影響存在著較大的誤差。在結構設計軟件還不能夠足夠的完善，單靠簡單的計算，沒有足夠的復雜計算，很難保證房屋結構在大的地震作用下具有足夠的抗震強度。因此，在提高結構抗震角度方面來看，越來越受到國內外學者重視這方面的研究。

1 地基基礎震害概況

縱觀我國多次強地震中遭受破壞的建筑物來看，由于地基因素導致上部結構破壞的不多。這些地基大多數屬于有液化土的地基，容易產生震陷的軟弱土地基和不均勻下沉的地基，大多數地基具有良好的抗震性能，很少有因為基承載力不夠而產生震害。簽于這種情況，我國抗震設計規范對規范規定可不進行上部結構抗震驗算的建筑和地基主要受力層范圍內不存在軟弱黏性土層的某些建筑地基和基礎都不做抗震處理，而對那些容易產生地基基礎震害的液化地基，軟土地基和產生嚴重不均勻下沉的地基，做了相應的抗震補償措施，以避免或減輕震害。樁基礎在實際工程當中得到廣泛應用，它普遍運用于土質不好的地區及高層建筑，樁基抗變形大，承載力大，能適用于各種不利的地理情況。其比天然地基具有更好的抗震性，主要表現在：減輕結構震害、減小震陷、增加抗震穩定性。但值得注意的是地基基礎震害所占比例雖小，但很難加固，應預以足夠的重視。

2 場地的選擇

根據目前的一些研究，影響建筑震害和地震動參數的場地因素很多，其中局部地形、地質構造、地基土質等，影響的方式也各不相同。一般認為，對抗震有利的地段系指地震時地面無殘余變形的堅硬或開闊平坦密實均勻的中硬土范圍或地區；而不利地段為可能產生明顯變形或地基失效的某一范圍或地區；危險地段指可能發生嚴重的地面殘余變形的某一范圍或地區。

在選擇建筑場地時，應根據工程實際需要，掌握地震活動情況和工程地質的有關資料，做出綜合評價，宜選擇有利的地段、避開不利的地段，當無法避開時應采取適當的抗震措施；不應在危險較大的地段建造甲、乙、丙類建筑。

3 天然地基淺基礎抗震設計

3.1 天然地基作用下的承載力抗震驗算

地基和基礎的抗震驗算，一般采用“擬靜力方”。此法假定地震作用如同靜力，然后在這種條件下驗算地基和基礎的承載力和穩定性。一般只考慮水平方向的地震作用，但有時也需要計算豎直方向的地震作用。承載力的驗算方法與靜力狀態下的相似，即計算的基底壓力應不超過容許承載力的設計值。

驗算天然地基地震作用下的豎向承載力，按地震作用效應標準組合的基礎底面平均壓力和邊緣最大壓力符合下列各式要求：

式中： P為地震作用效應標準組合的基礎底面平均壓力；

Pmax為地震作用效應標準組合的基礎邊緣的最大壓力；

faE為調整后地基土抗震承載力。

《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2008）同時規定，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現拉應力；其它建筑，基礎底面與地基之間零應力區面積不應超過基礎底面面積的15℅。根據后一規定，對基礎底面為矩形的基礎，其受壓寬度與基礎寬度之比則應大于85℅，即

式中：b'為矩形基礎底面受壓寬度

b為矩形基礎底面寬度

3.2 天然地基抗震承載力確定

世界上大多數國家抗震規范在驗算地基抗震承載力特征值時，抗震容許承載力都采用在設計承載力的基礎上乘以一個系數的方法加以調整。考慮調整的出發點是：

1）地震是偶然事件，是特殊荷載，因而地基抗震承載力安全系數可比靜載時降低；

2）地震是有限次數不等幅的隨機荷載，其等效循環荷載不超過十幾到幾十次，而多數土在有限次數的動載下強度較靜載下稍高。

《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2008）規定，對天然地基基礎抗震驗算時，地基抗震承載力應按下式計算：

式中：faE為調整后的地基抗震承載力；

ζa為地基抗震承載力調整系數；

fa為基礎修正后的地基承載力特征值，應按現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2002）采用。

4 樁基礎抗震分析

認識來源于實踐，應該盡可能多地收集并分析已有的樁基地震資料，總結樁基礎震害經驗。然而與樁基礎設計相比較，解決樁基抗震方面上的工程經驗現在還很少。根據國內外現有的相關資料，樁基礎在地震時主要具有以下特點。

4.1 樁基礎具有比天然地基良好的抗震性能

天然地基沒有樁基具有更好的抗震性能，其一能減輕建筑物的踏陷，增強建筑物的抗震性能，其二在強震下抗傾覆能力好。汶川大地震后，抗震專家小組認真觀察了一些倒塌的建筑物和一些沒倒塌的建筑物的基礎，發現帶獨立基礎的建筑物倒塌遠大于樁基礎的建筑物。例如汶川某中學基礎為灌注樁基礎，由于樁深埋于地下，和土具有一定的摩擦力和抗拔力，能提高建筑物的抗傾覆能力。在地震水平推力的作用下對建筑物產生傾覆彎矩，但由于樁和承臺及連系梁的存在對建筑物對建筑物產生一個抗傾覆彎矩，增強了建筑物的抗震性能。樁基建筑物的震害遠遠小于天然地基另一個原因就是，樁端持力層承載力比較大，同時由于樁省和土之間的摩擦力的作用，沉陷變形能力小，例如，在汶川地震后，某服裝工廠樁基塌陷僅2cm～3cm，天然地基上的獨立基礎沉陷變形達12cm～14cm，樁基的優越性能遠大于其它基礎。

4.2 較強地震作用下的樁基也經常發生震害

在1976年中國的唐山大地震，1960年智利瓦爾迪維亞省遭遇里氏地震，人們發現樁基發生斷裂和傾斜，導致建筑物產生嚴重破壞和損害。1960年智力大地震，液化土導致建筑物壞。在最近的1994年諾斯雷奇地震和1995年日本阪神地震也都有樁基破壞的報道。諾斯雷奇地震的樁基破壞使幾座橋梁遭到了嚴重破壞。在阪神地震中，很多建筑物雖然上部結構基本上損害不大，但樁基礎卻不同程度上遭到破壞。

5 結論

為了減少地基基礎帶來的地震災害，減少人員傷亡，避免經濟損失。我們從理論和實踐方面進一步針對基礎對抗震的影響做進一步的研究。地基基礎震害研究是一個非常復雜的技術課題，我們在實際工程當中制定了基礎抗震設計規范，使基礎在工程應用當中有一定的理論依據。現就一些欠缺的方面，談談一些關點：

1）為了保證在地震作用下地基基礎的穩定性，對地基基礎不利的地段設計地震動參數進行放大，其水平地震影響系數最大值應乘以增大系數。根據巖土工程地質勘查情況，劃分對建筑有利、一般、不利和危險的地段，提供建筑的場地類別和巖土地震穩定性，從多方位考慮影響地基抗震因素。例如，在地震作用下土層產生蠕動，甚至產生液化，影響地基承載力等等問題；

2）非液化土中低承臺樁基的抗震驗算，應符合下列規定：單樁的豎向和水平向抗震承載力特征值，可均比非抗震設計時提高25%。 當承臺周圍的回填土夯實至干密度不小于現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB 50007對填土的要求時，可由承臺正面填土與樁共同承擔水平地震作用；但不應計入承臺底面與地基土間的摩擦力，地震力是一個隨機的過程，即使采用無數個時間波形來進行地震分析，也難于反映實際情況。較為合理的辦法是采用隨機反應分析；

3）目前對基礎抗震的研究非常困難，其中很少能用接近實際的實驗方法來完成，因為在實際當中地震的情況非常復雜，很難預料，很難找到地震破壞的規律。日本處在高度地震帶，日本科學家對地震采用了大型震動臺模型進行了地震模擬研究，這種方法只能局部性的，只能對某一建筑物的破壞影響有初步的了解。地震波、地震力的變動發展方向很難把握，需進行一些精細分析。現在一些學者采用ANSYS等軟件結構模擬，研究結構的變形、扭轉、位移比及破壞的影響。隨著將來研究的逐步深入，面臨諸多問題我們要求同存疑，進一步討論研究。

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