基础抗震研究

王志刚

唐山市热力总公司，河北唐山 063000

0 引言

地震是一种比较复杂的过程，在科学化比较发达的今天也很难把握它的规律性和准确性，很难用仪器实际测得地震时的地震波和其它地震参数。在结构设计时，虽然考虑到结构抗震方面的因素，但由于诸多因素的影响存在着较大的误差。在结构设计软件还不能够足够的完善，单靠简单的计算，没有足够的复杂计算，很难保证房屋结构在大的地震作用下具有足够的抗震强度。因此，在提高结构抗震角度方面来看，越来越受到国内外学者重视这方面的研究。

1 地基基础震害概况

纵观我国多次强地震中遭受破坏的建筑物来看，由于地基因素导致上部结构破坏的不多。这些地基大多数属于有液化土的地基，容易产生震陷的软弱土地基和不均匀下沉的地基，大多数地基具有良好的抗震性能，很少有因为基承载力不够而产生震害。签于这种情况，我国抗震设计规范对规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑和地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的某些建筑地基和基础都不做抗震处理，而对那些容易产生地基基础震害的液化地基，软土地基和产生严重不均匀下沉的地基，做了相应的抗震补偿措施，以避免或减轻震害。桩基础在实际工程当中得到广泛应用，它普遍运用于土质不好的地区及高层建筑，桩基抗变形大，承载力大，能适用于各种不利的地理情况。其比天然地基具有更好的抗震性，主要表现在：减轻结构震害、减小震陷、增加抗震稳定性。但值得注意的是地基基础震害所占比例虽小，但很难加固，应预以足够的重视。

2 场地的选择

根据目前的一些研究，影响建筑震害和地震动参数的场地因素很多，其中局部地形、地质构造、地基土质等，影响的方式也各不相同。一般认为，对抗震有利的地段系指地震时地面无残余变形的坚硬或开阔平坦密实均匀的中硬土范围或地区；而不利地段为可能产生明显变形或地基失效的某一范围或地区；危险地段指可能发生严重的地面残余变形的某一范围或地区。

在选择建筑场地时，应根据工程实际需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，做出综合评价，宜选择有利的地段、避开不利的地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施；不应在危险较大的地段建造甲、乙、丙类建筑。

3 天然地基浅基础抗震设计

3.1 天然地基作用下的承载力抗震验算

地基和基础的抗震验算，一般采用“拟静力方”。此法假定地震作用如同静力，然后在这种条件下验算地基和基础的承载力和稳定性。一般只考虑水平方向的地震作用，但有时也需要计算竖直方向的地震作用。承载力的验算方法与静力状态下的相似，即计算的基底压力应不超过容许承载力的设计值。

验算天然地基地震作用下的竖向承载力，按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力符合下列各式要求：

式中： P为地震作用效应标准组合的基础底面平均压力；

Pmax为地震作用效应标准组合的基础边缘的最大压力；

faE为调整后地基土抗震承载力。

《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2008）同时规定，高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其它建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15℅。根据后一规定，对基础底面为矩形的基础，其受压宽度与基础宽度之比则应大于85℅，即

式中：b'为矩形基础底面受压宽度

b为矩形基础底面宽度

3.2 天然地基抗震承载力确定

世界上大多数国家抗震规范在验算地基抗震承载力特征值时，抗震容许承载力都采用在设计承载力的基础上乘以一个系数的方法加以调整。考虑调整的出发点是：

1）地震是偶然事件，是特殊荷载，因而地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；

2）地震是有限次数不等幅的随机荷载，其等效循环荷载不超过十几到几十次，而多数土在有限次数的动载下强度较静载下稍高。

《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2008）规定，对天然地基基础抗震验算时，地基抗震承载力应按下式计算：

式中：faE为调整后的地基抗震承载力；

ζa为地基抗震承载力调整系数；

fa为基础修正后的地基承载力特征值，应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）采用。

4 桩基础抗震分析

认识来源于实践，应该尽可能多地收集并分析已有的桩基地震资料，总结桩基础震害经验。然而与桩基础设计相比较，解决桩基抗震方面上的工程经验现在还很少。根据国内外现有的相关资料，桩基础在地震时主要具有以下特点。

4.1 桩基础具有比天然地基良好的抗震性能

天然地基没有桩基具有更好的抗震性能，其一能减轻建筑物的踏陷，增强建筑物的抗震性能，其二在强震下抗倾覆能力好。汶川大地震后，抗震专家小组认真观察了一些倒塌的建筑物和一些没倒塌的建筑物的基础，发现带独立基础的建筑物倒塌远大于桩基础的建筑物。例如汶川某中学基础为灌注桩基础，由于桩深埋于地下，和土具有一定的摩擦力和抗拔力，能提高建筑物的抗倾覆能力。在地震水平推力的作用下对建筑物产生倾覆弯矩，但由于桩和承台及连系梁的存在对建筑物对建筑物产生一个抗倾覆弯矩，增强了建筑物的抗震性能。桩基建筑物的震害远远小于天然地基另一个原因就是，桩端持力层承载力比较大，同时由于桩省和土之间的摩擦力的作用，沉陷变形能力小，例如，在汶川地震后，某服装工厂桩基塌陷仅2cm～3cm，天然地基上的独立基础沉陷变形达12cm～14cm，桩基的优越性能远大于其它基础。

4.2 较强地震作用下的桩基也经常发生震害

在1976年中国的唐山大地震，1960年智利瓦尔迪维亚省遭遇里氏地震，人们发现桩基发生断裂和倾斜，导致建筑物产生严重破坏和损害。1960年智力大地震，液化土导致建筑物坏。在最近的1994年诺斯雷奇地震和1995年日本阪神地震也都有桩基破坏的报道。诺斯雷奇地震的桩基破坏使几座桥梁遭到了严重破坏。在阪神地震中，很多建筑物虽然上部结构基本上损害不大，但桩基础却不同程度上遭到破坏。

5 结论

为了减少地基基础带来的地震灾害，减少人员伤亡，避免经济损失。我们从理论和实践方面进一步针对基础对抗震的影响做进一步的研究。地基基础震害研究是一个非常复杂的技术课题，我们在实际工程当中制定了基础抗震设计规范，使基础在工程应用当中有一定的理论依据。现就一些欠缺的方面，谈谈一些关点：

1）为了保证在地震作用下地基基础的稳定性，对地基基础不利的地段设计地震动参数进行放大，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。根据岩土工程地质勘查情况，划分对建筑有利、一般、不利和危险的地段，提供建筑的场地类别和岩土地震稳定性，从多方位考虑影响地基抗震因素。例如，在地震作用下土层产生蠕动，甚至产生液化，影响地基承载力等等问题；

2）非液化土中低承台桩基的抗震验算，应符合下列规定：单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%。 当承台周围的回填土夯实至干密度不小于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007对填土的要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用；但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力，地震力是一个随机的过程，即使采用无数个时间波形来进行地震分析，也难于反映实际情况。较为合理的办法是采用随机反应分析；

3）目前对基础抗震的研究非常困难，其中很少能用接近实际的实验方法来完成，因为在实际当中地震的情况非常复杂，很难预料，很难找到地震破坏的规律。日本处在高度地震带，日本科学家对地震采用了大型震动台模型进行了地震模拟研究，这种方法只能局部性的，只能对某一建筑物的破坏影响有初步的了解。地震波、地震力的变动发展方向很难把握，需进行一些精细分析。现在一些学者采用ANSYS等软件结构模拟，研究结构的变形、扭转、位移比及破坏的影响。随着将来研究的逐步深入，面临诸多问题我们要求同存疑，进一步讨论研究。

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