桩基抗震性能探讨
摘要：本文在调查了解桩基抗震研究现状和桩基震害的基础上，从桩基抗震设计角度，提出了桩基类型选择应优选H型钢桩，其次是钻孔灌注桩，沉管灌注桩，再次是预应力高强管桩的结论。
关键词：桩基；抗震性能
一、桩基抗震性能研究的意义
桩基础能较好地适应各种地质条件及各种荷载情况，具有承载力大，稳定性好，沉降值小等特点，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口码头、海上采油平台以及核电站工程中得到广泛应用。随着桩基工程的迅速发展，为了满足防震减灾的迫切需要，对桩基础的抗震性能进行研究，具有重要的现实意义。
二、桩基抗震研究的现状
现行规范的桩基抗震计算大都是基于刚性地基假定，将上部结构传到基底的地震荷载当作静力，对桩基础进行校核验算，这种计算方法仍然沿用静力方法进行桩基抗震计算，忽略了桩、土、结构的动力相互作用，而地震作用下桩、土、结构的动力相互作用分析是桩基抗震研究的主要内容。近年来，关于桩、土、结构相互作用的课题，提出了不少计算分析模型，研究工作已经从线性问题转向非线性问题，从均匀土体发展到非均匀土体，从单桩分析扩展到群桩分析。桩、土、结构动力相互作用计算分析方法也有许多种，例如根据对桩土结构体系的简化，相互作用分析方法可分为，整体分析法，子结构法和杂交法；根据对地基土的简化方式，可分为弹性基床系数法，半空间无限体法，有限元法，边界元法和杂交元法；根据对桩的模拟，可分为集中体系法、弹性介质中的梁模型法、有限元法。
三、工程桩基震害
根据已有桩基震害资料，桩基在地震时主要具有以下三个特点：桩基具有比天然地基良好的抗震性能，较强地震作用下的桩基也经常发生震害，桩基的震害的类型可分为抗震承载力不足和震陷过大。
桩基震害与地质条件特点密切关联，建筑物上部结构形式与荷载特点、桩基抗震设计的合理性也是重要的影响因素。就地质因素而言，大体可以分别按非液化土和液化土两大类土中的桩基进行阐述和分析。
1、非液化土中桩基的震害
（1）软土中桩基的震陷
设置于深厚软土中且桩端未进入良好持力层的基桩，地震时因软土触变桩侧阻力降低，桩端发生刺入式破坏，桩基发生突陷。
（2）软硬土层交界面处基桩的破坏
唐山地震中，开滦矿区基桩多在8-10m处开裂。经调查该地区，地层上下均为砂层，8-11m间有一层粉质粘土层，据华北勘察院资料，砂的波速实测为330-525m/s，粉质粘土的波速实测为245-293m/s，二者相差较大，在地面运动过程中，会对基桩产生反复作用，致使基桩局部开裂。
（3）桩顶破坏
在水平地震波作用下，桩顶承载力水平剪力和固端弯矩，弯剪应力集中，首先在桩顶与承台连接处形成塑性铰。对于荷载大重心高埋深较浅的桩基，桩顶受循环作用的压、拔、弯、剪应力，导致出现桩顶混凝土压碎、钢筋压曲、钢筋拉脱、剪损等破坏形式。
（4）承台震害
承台在地震时也会破坏或倾斜。
2、液化土中桩基的震害
（1）液化而无侧扩情况下的震害
1）因地基土液化而整体建筑物倾覆失稳;
2）震后数小时至一、二天后，桩基出现整体下沉;
3）同一桩基中悬置于液化土中的短桩失效引发偏沉导致长桩折断;
4）液化土层中桩基的地面单侧堆载，导致液化土产生侧向推挤导致桩身折断;
5）液化而无侧向扩展地基土中的基桩，由于侧向土体约束衰弱，完全靠桩身抵抗地震作用，因此桩顶受压破坏严重。
（2）液化侧扩地基上桩基的震害
液化且有侧向扩展的情况，不仅导致液化层范围基桩承载力削弱，基桩还要承受侧扩液化层的侧向推力和水平地震作用，因而液化侧扩地段桩基的震害程度要重于液化而无侧扩的地段。鉴于桩基所受水平推力十分突出，因而桩顶与承台连接处、液化土与非液化土界面，桩的剪力、弯矩高度集中，破坏更严重，其特征表现为桩顶与承台或者桩身上下彻底断裂，并且产生明显错位；此外位于岸边坡地的桩基发生整体失稳的可能性更大。
1）桩身、桩顶的破坏。由于地基土液化发生侧向扩展流动，使桩头发生水平直剪破坏。
2）液化侧扩区在建桩基（仅施工基桩和部分承台）的震害。地震后发生向液化侧向扩展，地表裂缝密布，喷水冒砂严重，承台发生位移和倾斜。
四、几种桩基抗震性能分析
桩在无地震条件下，只需满足抗压要求，即通常说的单桩承载力，但在有地震条件下，还要满足抗拔要求（上下震动时）及抗剪要求（水平震动时）。
目前，工程中比较常用的桩类型有H型钢桩、钢筋混凝土灌注桩、预应力混凝土高强管桩。
管桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、H型钢桩的比较表 表4-1
管桩的工期较短，质量控制容易，场地污染及噪声很小，具有很多优点。但在高层建筑中，管桩接头太多，容易在下压的过程中破坏焊接；而钻孔灌注桩却不受土层的，可以打到任意的设计深度。而沉管灌注桩一般只能在20米以内；其次，管桩只是桩头桩帽的短筋锚入承台，而灌注桩直接是桩身钢筋锚入承台，因此管桩相对灌注桩的抗拔能力较弱。
同时灌注桩由于混凝土自身强度形成的过程存在有充盈效应。因此灌注桩的承载力随着时间的推移及桩周土的的恢复，桩周摩擦系数会越来越大。抗拔能力及抗震能力也越来越强。
H型钢桩的力学性能优良，性柔、强度高,震不断，抗震能力强。利用液压振动锤可轻松地将H型钢桩振入卵石层中10米以上，最深可达30多米。从振动减振的角度来分析，基础的柔性结构更重要，大地是激振源，桩是减振器，上部建筑物即使是刚性体也无所谓，因为刚性体的振动烈度完全取决于减振器。
在地震爆发时，强大的地震水平往复冲击波，完全改变了管桩和灌注桩上述状态，使端承桩在地震冲击波中发生水平往复运动，对桩身构成了往复水平冲击，使摩擦桩桩身四周土层与桩基松开，并且土层对桩身构成水平冲击力，其结果：无论端承桩还是摩擦桩不是破坏，就是失稳。
桩基础结构破坏、地基土失效以及桩基整体失稳，常常引起上部结构的整体性破坏；地震引发桩基沉降、倾斜、桩基结构轻度受损，将影响建筑物的正常使用和使用寿命。因此桩基础的抗震，应从建筑物整体抗震的角度出发，确定相应的抗震设计原则，采取相应的抗震构造措施，进行相应的抗震计算，以达到抗震设防目标。从桩基抗震设计角度，选择桩基类型应优选H型钢桩，其次是钻孔灌注桩，沉管灌注桩，再次是预应力高强管桩。
