基礎設計埋深與樁的作用

■徐再樓 ■南京理工大學，江蘇 南京 210094

《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》［1］，以下簡稱高規第12．1．7規定，基礎的埋置深度必須滿足地基變形和穩定的要求，以減少建筑的整體傾斜，防止傾覆及滑移。埋置深度，采用天然地基時可不小于建筑高度的1/15，采用樁基時可不小于建筑高度的1/18，樁的長度不計在埋置深度內。同時規定，基礎埋置深度一般從室外地面算起，如果地下室周圍無可靠側限時，應從具有側限的地面算起。目前高層建筑的抗震設計模型，粗略的講，把高層建筑簡化成一根懸臂梁，它的固定端設在承臺頂面。有的設計院規定在滿足一定的條件時，固定端可以設在首層平面。至于地基土，視它是一塊剛形體。基礎的類型和大小與上部結構的地震反應五官。根據以上所述，我們理解高規的規定是認為基礎埋深主要是起到固定端的嵌固作用，限制基礎轉動和位移，而且所起到的作用要大于樁所起到的作用。

1 相互作用分析簡介

地震時，地震波由基巖向上傳播。在傳播的過程中，土體產生變形，地震波得到放大。在作相互作用分析時，我們認為土體是能變形的彈性體或彈塑性體，把上部結構和地基土作為一整體來分析。由于地基土的參與，在分析中就考慮了土體的變形對上部結構的影響。同時由于上部結構的存在，基礎周圍的土體的變形和遠離基礎的土體的變形也不同。這就是在地震荷載下土體結構系統相互作用最簡單的解釋。以下我們通過對兩個模型相互作用分析，研究樁的作用和基礎埋深的影響。［2］

2 埋深和樁的作用

分析模型的物理背景是一個橋墩。高30米，承臺厚8米。基巖在100米以下。模型1把承臺埋入地下，埋置深度8米，達1/3．75，以便充分體現埋深的影響。作為對比，模型2把承臺擱置在地表面上，埋深為零(見圖1所示)。用有限單元法對模型1和模型2分別作重力荷載和地震荷載下的相互作用分析。同時輸入ELCENTRO(1940年)波的南北分量和垂直分量，最大水平加速度峰值調整到200gal。主要計算結果摘述如下:

由表1所示，在垂直荷載作用下，承臺僅僅負擔了全部荷重的5%。樁的端承力和摩擦力分別分擔了64%和31%。

表1 接觸面上初始力(模型1)

表2表示了在地震荷載作用下，沿垂直方向承臺和樁對摩擦力和端承力的分擔比例。模型1中，承臺的分擔率為7．3%，樁的分擔率為92．7%。模型2中，承臺的分擔率為1．7%，樁的分擔率為98．3%。

表2 垂直方向上地震力分擔比例

橋 墩樁正壓力模型 2 0 1．7 77．5剪力 正壓力 剪力20．8

表3表示了沿水平方向承臺和樁對摩擦力和正壓力的分擔比例。模型1中，承臺的分擔率為23．7%，樁的分擔率為76．3%。模型2中，承臺的分擔率為21．2%，樁的分擔率為78．8%。這些數字顯示了，無論在垂直荷載和水平荷載的作用下，樁都負擔著絕大部分的荷重。承臺在水平荷載作用下在水平抵抗力分擔的比例最高，約20%-25%，模型2沒有考慮基礎埋深，但是基礎底面的摩擦力起了很大的作用，所以模型1和模型2沒有數量級的差別。以上分析表明了，減少高層建筑整體傾斜防止傾覆和滑移，起到固定端嵌固作用的主要是樁，而不是周圍地基土對基礎的傾限。

表3 水平方向上地震力分擔比例

表4給出了橋墩頂端和樁頭的地震反應值。正如人們預料的，模型1的反應要小于模型2。也就是說基礎的埋深對地震反應有抑制作用。在本算例的參數下，埋置深度為高度的1/3．75，地震反應大約降低了20%左右。然而，需要特別指出的是只有當基礎埋深是有效的或者說側限是可靠的情況下，這個結論才有效。

表4 橋墩頂端和樁頭的地震反應值

表5 非線性時間比例

3 接觸面的動力特性

可靠的側限意味著在地震的過程中，基礎表面和周圍的地基土是完完全全接觸的，不發生半點滑移和剝離。其實在高規所規定的1/15埋深的情況下，在強震的持續時間內基礎和土的完全接觸是幾乎不可能的。對土來說，埋深的基礎就宛如一塊剛體插入一個柔軟的彈性體中。高層建筑在地震的作用下來回搖動，周圍的土很快地進入塑性狀態，被擠向二邊，造成基礎側面和土分離。這種現象在大震時特別明顯，會造成基礎和土永久性的脫開而喪失主被動土壓力。在以下的討論中，我們稱基礎和土接觸面發生滑移和剝離的現象為非線性現象，對于發生非線性現象的時間段占地震持續時間之比，稱作非線性時間比。

圖2所示的是日本本州和四國跨海聯絡橋橋墩的力學模型［3］。高度60米，基礎埋深20米，達高度的1/3。ELCENTRO波(1940年)的南北分量和垂直分量同時輸入，最大水平加速度峰值調整到300gal，作地震荷載作用下土體結構系統的動相互作用分析，考察接觸面和周圍地基土的非線性現象。模型中J表示接觸面單元，S表示土單元。表5給出了基礎和土接觸面單元以及基礎周圍8個土單元的非線性時間比。數據顯示基礎側面比基礎底面表現的不安定，側面的下部接觸面比上部接觸面表現的不安定。越往下，非線性時間比越長。實際上，J3單元在t=6．25秒以后就不再閉合，該部分的基礎完全脫開所對應的基礎上，完全喪失了地基土的側限。對于土單元，壓力泡最大的S2單元發生塑性的時間最長，非線性時間比為18%。分析結果還表明了接觸面比土體更容易進入非線性狀態。

4 結論

(1)對于樁基礎，減少整體傾斜，防止傾覆及滑移的主要貢獻是樁而不是側限。因此，沒有必要對基礎埋深作硬性規定。更沒有必要硬性規定樁的長度不計在埋置深度內，當然需要對樁頭和樁身的受力作詳細分析。

(2)在地震作用下，側限是不可靠的。尤其當發生大震時，基礎可以完全脫開地基土而完全喪失側限。所以，計算模型中固定端設在首層平面是不安全的。地下室應該合并在上部結構中一起進行抗震分析。特別是當地下室外突塔樓很多的情況下，對地下室偏心產生的扭矩要引起足夠的重視。

(3)計算模型的物理背景大都是橋墩，基礎埋深都比較大。因此，針對高層建筑埋深在1/12～1/15的情況，對于接觸面的動力性能和埋深對上部結構地震反應的影響，還需要作進一步的研究。樁負擔了大部分的荷重，如何把這個成果應用到工程設計中，也是一個很有意義的課題。

［1］《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》(JGJ3-2001)，中華人民共和國建設部．

［2］Non-linear behavior of pile found tion during strong eartha quake motion，土岐憲三，三浦房紀，野口雅之，京都大學防災研究所，第24號，B-2，昭和56 年．