试论软弱土嵌岩桩的桩土抗震机理
几乎所有人都认为,采用了桩基础,房屋抗震就万事大吉。笔者觉得这是一个误区。下面短文论述,供大家批准指正:
为了简化问题,把模型简单化,极端化:
地质条件:地形水平,15米厚的松散填土+花岗岩。波速:130m/s 、900m/s。——OK,Ⅲ类场地,Tg=0.45s。是不是不利地段,且不论——没有突出地形,无须水平影响系数放大,设计并不关心。
房屋:高层多层均可、一层地下室,-5M深度。
基础:嵌岩的小直径桩。
Ⅲ类场地和0.45秒的周期既然确定,那么来自地基土部分的地震影响系数的参数也确定——这说明了,水平地震的"策动力",是由地层确定的,无关什么基础形式。简单说,荷载来自覆盖层。而不是说,用了桩基础,地震荷载就会小。
再来说建筑物如何抵抗地震力这块,也就是抗力。抗力来自桩?承台?地下室?还是上部结构?涉及阻尼比啊,嵌固端这些,这不是我的专业,并不大清楚。我仅就桩土体系这块,来分析桩的受力,这块作为岩土师,还是比较熟悉的。
常规竖向受力的时候,工程师是希望地下的结构体(桩、承台、地下室),都和土紧密接触,越紧密越好。这样才能提供良好的侧阻、侧限,为竖向力服务,为了房屋更好"嵌入地球"服务。
地震力外的横向力,往往施加于建筑物上部,比如风荷载。这时候,桩土,包括其他侧限土,都是以被动土压力的方式抵抗来自房屋结构体的位移,抵抗横向荷载,而土的被动力是很强大的。
当地震力来临的时候,地震剪切波推动松散土,震动是很厉害啊。首选是由5-15米深度的桩周土、0-5米深度的地下室侧限土"策动"。15米下的花岗岩震幅小,上面的建筑结构刚度也很大,也还来不及震动。这时抗力和荷载,和风荷载状况下颠倒。地震荷载来自原来的地基承载体,嵌岩桩端和上部结构成了抵抗的阻尼。是不是?
——风荷载的是外来的,首先施加于上部结构,然后桩、土、桩端嵌固岩石一起被动抵抗。
——地震荷载也是外来的,首先施工下部的桩土,然后上部结构和下部的桩端岩石,被动抵抗。
这个时候的嵌岩桩,对于抗震的有利是,他的震动相对很小,相对不动,所以是个抗力系统,有利于总体的抗震。
0-5米深度的土,主动震动,向地下室施加水平力;5-15米深度范围的桩被土裹挟,主动震动。桩周土的动力模型也变了:在风荷载状态下,被动抵抗桩的位移;在地震状态下主动带动桩的位移。巨大的被动力的保护没有了,桩的模式就是一个失去了"握合力"的压杆稳定。
那么,问题来了:桩顶、底嵌固不动,桩土大幅度震动,如果桩又很弱小,会不会剪切破坏?
的确,目前地震灾害的破坏调查中,桩的破坏是很少见,这也许是桩埋在地下,并不能为人观察到的原因。
既然上部房屋能被破坏,下部的小桩且无横向连接,为什么不能破坏?
如果是断桩破坏,不仅仅是水平破坏,也是竖向的破坏,建筑物一下就失去了竖向承载力,就会倾覆。
由此可见,桩周全是软弱土,桩端是岩石嵌固,这种极端状态下的桩的抗震性能是很差的。还不如地基加固后的天然地基。浅层天然地基的震动模式是摇篮式的,房屋基础和土的接触面积大,只要不液化,地基失稳的可能性不大。
综上所述,软弱土+嵌岩桩的配设,容易导致桩基破坏,导致倾覆破坏。
我终于理解抗震规范编制者的苦心:把软弱土列为不利地段,让工程师们注意。
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