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桩基关键设施的基础设计注意事项
摘要
本文采用地震土-结构相互作用分析方法，对一种大型钢筋混凝土结构嵌入基岩的支护桩进行评价，介绍了该桩的物理结构、支护体系、分析模型和分析方法。分析讨论了地震荷载和变形设计基桩系统需要重要考虑的因素。
关键词：桩；地基；设计；抗震；标准；分析；土-结构相互作用
1.介绍
橡树岭国家实验室正在建造研究散裂中子源物理实验室。该建筑是一个埋深25英尺，由支撑钢架围护结构覆盖的重型矩形钢筋混凝土剪力墙结构。该建筑的平面面积约为200英尺times; 290英尺，重272，000磅。90%的重量位于地面标高及以下。该建筑包括一个地下室层和地面上三层楼层，建筑整体由900多个微型桩支撑在基础垫层上。屋顶高度高出地面70英尺。
结构基础包括地下室，基础垫层和桩。地基土由大约120英尺厚的硬质粉质粘土和下层白云岩组成。桩是直径12英寸的混凝土填充钢管，由10–20英尺长的石槽锚固到未受风化的白云岩中。持力层土的刚度以土壤剪切波速为特征，其范围从基础垫层下面的1000到1300 fps，一直增长到地基深处2300 fps。基岩刚度以6300 fps标准剪切波速为特征。基底标高以上近地表土壤的平均剪切波速为850 fps。设计标准（根据美国能源部标准[1]和设计指南的规定）要求建筑设计能够承受50年超越概率为2％的地震荷载。该要求规定在基岩处的水平设计响应谱具有0.12 g的PGA，而地面处的相应反应谱应为0.22g。垂直谱定义为水平谱的2/3。使用地震灾害的这些光谱定义作为目标光谱，从而确定了具有与目标光谱非常匹配的响应光谱的时间历史记录。输入这些记录可作土-结构相互作用分析，从而计算结构和支撑基础的地震设防要求。抗震要求与静载荷和活载荷的静态需求相结合来确定设计。本文讨论了抗震要求的发展及其在基础设计中的应用。
1.1分析模型
土-结构相互作用分析考虑了建筑物(包括地下室、基础垫层和上部结构)与桩基系统、周围土壤和下覆基岩的相互作用。上部结构和地下室内部混凝土采用动态等效三维简化梁模型。地下室底板、外墙和支撑桩系统采用有限元建模。桩基模型将900根微型桩分成8根嵌入周围土壤中的等效竖梁。对桩进行建模，以捕捉整体结构的整体摇摆响应以及桩和周围土壤的侧向变形。SASSI土-结构相互作用计算机代码用于地震分析。
1.2设计考虑
嵌入式桩支撑基础的设计考虑了重力荷载产生的力以及对竖直和水平地震运动的响应。重力荷载产生的力来自建筑自身所受重力对基础的产生的荷载以及结构的其他恒载和活载。来自组合载荷的力通常是垂直定向的，从而导致基础底板上产生平面外应力和桩上的轴向应力。来自垂直地震输入运动响应产生的力会增加或减少重力荷载效应产生的应力。水平地震运动产生的响应可以根据基础的运动响应以及基础和支撑结构的惯性响应进行分类。运动响应和惯性响应都会导致支撑基础的桩产生曲率以及相关的剪力和力矩。运动力与自由场输入运动的变化有关，这是因为桩的存在和地基嵌入土层。惯性力与基础和支撑结构的质量响应有关。惯性响应包括施加在基础上的基底剪力和倾覆力矩。地基系统会削弱剪切力和弯矩，并在桩上以及地基与土壤的界面处产生横向和垂直载荷。
有三种机制可以削弱施加在嵌入的桩支撑基础上的水平力:桩提供的阻力，在基础垫层和土壤之间的界面处提供的阻力，以及由于而在基础墙和周围土壤之间产生的阻力。在水平方向，超过900根桩的紧密间距将导致设计必须考虑的单个桩之间的相互作用。
对于竖向力，包括施加在基础上的倾覆力矩产生的垂直力，支撑的长期固结，黏性土预计会降低基础与土壤界面的有效垂直刚度。因此，在设计中，桩被认为可以抵抗重力和地震力。
两项ASCE标准，ASCE7[2]和ASCE20[3]，为桩基设计提供指导。这些标准在理念上是一致的，因为两者都要求桩基的设计及其与基础桩帽、基础垫层和地梁的连接，使得基础系统具有延展性并足以抵抗建筑物施加的荷载。在要求桩承受地震地面运动和结构响应的最大外加曲率时，为地震荷载提供了额外的指导。
下面描述适用于目标建筑的重力、垂直和水平地震荷载的设计考虑，包括运动和惯性效应，以及用于提出满足基础构件设计要求的分析方法。
1.3对重力负荷的响应
来自建筑物的重力荷载被施加到基础结构上，并通过墙、基座、立柱、基础垫层和梁传递到桩上。这些构件的相对刚度和基础的弹性将导致基础垫层和桩的载荷分布不均匀。因此，单个桩上的竖向荷载是基于基础的弹性和荷载的位置。STAADPro对基础更详细的有限元模型的分析用于将载荷分配到单个桩上。该模型包括上部结构构件，这些构件会影响包括基础垫层在内的基础结构的有效刚度。模型中的桩用刚度与每个桩的竖向刚度一致的弹簧表示。重力荷载产生的力与下文描述的地震荷载共同考虑。
1.4对地震运动的响应
在基岩处定义竖向和水平地震运动，当地震波穿过结构嵌入的上覆土层时，地震运动引起建筑物和基础结构的响应。土壤-结构系统的概念模型如图1所示。
图1.地基/结构系统的地震荷载
首先考虑结构的垂直响应。桩将岩石的运动直接传递到基础垫层中，因为基础直接位于与岩石直接相连的桩上。由于竖向荷载垂直于基础垫层，因此基础的弹性对于研究适合设计的单桩荷载很重要。如上所述，详细的有限元模型使用响应谱模型分析来计算由垂直岩石输入运动激发的基础垫/桩基系统的响应产生的桩载荷，并将基础弹性效应直接包括在计算载荷中。
考虑了结构的水平响应不同。如图1所示，地震荷载的特征是水平地震剪切波从下面的岩石竖向传播。这些波通过覆盖的土壤沉积物被放大，并发展成桩、嵌入基础和结构的动态响应。该问题可以认为由两个部分组成:运动学或由于桩的存在和土壤的开挖引起的自由场运动的变化，以及惯性或基础和支撑结构的质量对变自由场运动上的变化的响应。图2中定性地显示了该方法。图2所示的运动响应和动态阻抗的分离被用于量化桩对修正自由场运动和增加基础的整体水平阻抗的重要性。桩的运动和阻抗效应的重要方面包含在用于研究结果抗震设计的SASSI模型中。
1.5对水平地震运动的响应
根据塔贝斯和普洛斯[4]的建议，水平运动引起的桩中的横向剪切和弯曲载荷是在自由场土壤响应和桩端载荷的共同的影响下产生的。首先，假定桩的曲率完全对应于土体中的自由场地震运动。其次，由于独立于自由场运动的结构的响应，桩端处的载荷会产生额外的弯曲。对于由第一种载荷情况引起的载荷进行分析，假设向上传播的剪切波穿过土壤，从自由场解直接计算上限梁曲率。在这种情况下，桩中的最大弯矩出现在地下室标高的正下方，并产生1.54ft-k的诱导弯矩。
图2.基础/结构系统－概念模型（在Gazetas [4]之后）
对于第二种载荷情况，通过SASSI分析基础剪力峰值。这些分析考虑了惯性SSI效应和嵌入基础对运动学效应的影响。通过计算分析得出地震基底剪力可以平均分配给单个桩。通过对承受施加在桩端上剪力的单个桩进行弹性地基梁分析，将桩中的诱导弯曲和横向荷载效应相加，以确定用于设计桩的地震弯曲效应。
1.6桩对运动响应的影响
通过评估单桩对自由场响应的影响，然后在参数上评估群桩对响应的影响，来考虑运动桩响应。单桩的运动效应是用动态地基梁模型[5]估算的。使用简化的波传播模型[5]对两个桩之间的相互作用进行评估，并使用叠加方法[6]对其桩效进行组合。等式中描述了动态Winkler基础上的梁模型。(1)两个桩之间的相互作用，alpha;21，由方程(2b)和(2c)以及叠加模型fint确定(3)
其中gamma;(omega;)是描述单桩对自由场运动的运动影响的频率相关因子，omega;是圆形频率，kx是桩“弹性”系数，Vs是土的剪切波速，Cx是桩“缓冲”系数，delta;是圆形频率与土的剪切波速之比，Vs，delta;=omega;/Vs；rho;p为桩密度，Ep为桩的弹性模量，Ap为桩面积，Ip为桩的惯性矩，mp为桩的单位长度质量，mp=rho;pAp
其中，psi;(r，theta;，omega;)为频率相关衰减函数，使用公式(Eqs)计算。(2b)–(2d)
其中d是桩直径，r是桩之间的径向距离，beta;是土壤的材料阻尼，VLA是“赖氏模拟”速度，VLA=3.4Vs/[pi;（1-v）]；v是土壤的泊松比
其中n是桩组中的桩数。
图3显示了桩对自由场运动的运动学影响，估计剪切波速为1300 fps，泊松比为0.3。图4提供了运动响应的群体效应。如图所示，运动学相互作用效应非常小，因此在分析该结构时可以忽略。
1.7桩对动力惯性响应的影响
该结构基础的惯性响应主要与基础/土壤系统的质量和阻抗有关。当忽略桩与桩之间的相互作用或群桩效应时，桩的刚度相对较大，但桩之间4–5英尺的紧密间距将导致桩对基础整体阻抗的贡献显著降低。这种群体效应是通过使用两个桩的动力相互作用系数来考虑的，动力相互作用系数是通过方程式(1)计算的。(4)[5]并使用叠加方法结合更大组桩的效应，类似于所讨论的运动学效应
图3.桩响应与自由场响应之比（实部）
图4.群桩之间的相互作用因子（2行times;n列桩）
超过900根桩对地基整体阻抗的贡献可以从图5所示的剪切波速为1300 fps、泊松比为0.3的估计群效应系数中推断出来。群体效应导致桩的水平阻抗显著降低。由于基础基本嵌入土层中，动力响应由土的弹性阻抗决定，因此桩的贡献可以忽略。
1.8惯性载荷向基底-垫层/土壤-桩界面的转移
由结构响应产生的总基底剪力通过沿基底的摩擦力、基底和周围土壤之间的压力，以及通过施加到桩顶的剪力分配到地基土壤中，桩顶反过来靠在桩帽下面的土壤上。通过一种近似方法来获得与基础垫层接触的土壤和桩之间的地震基础剪力的分布。现场残余土壤上进行的固结不排水土壤试验的剪切试验数据用于估算极限抗剪强度的系数，以得出预计土壤线性特性的预计剪切应力极限。这个极限是土壤非线性应变的转折点。
其中，f1是弹性与极限抗剪强度之比，f2是考虑法向应力引起的有效压缩的折减系数，N，c是粘聚力，A是基础面积。
借助于实例，对于该建筑的现场19个残余土原状样品进行固结不排水实试验，分析实验结果确定用于估算极限抗剪强度参数的弹性和有效屈服条件之间的近似比率。数据表明，这一比率平均数为0.501。静荷载和地震活载为272，000千磅，基底剪力为47，000千磅。竖向地震分析表明峰值地震力约为21，300千磅。保守地说，保守地假设此竖向力减小系统的重力载荷，地震期间可用的净压缩载荷为250,700千磅。
图5. 8–150个桩的桩组的组影响因子
综合极限强度数据的有效粘聚力为1.1ksf，内摩擦角为158°。对于建筑平面面积为200英尺times;290英尺的情况，弹性抗剪能力由公式(6)可以表示为f1的函数。从图6中可以看出，由于预期的土壤长期固结，有效接触应力f1的减小会减小可在界面上传递的剪切力。随着弹性剪切能力的降低，传递到桩上的荷载将是施加的剪力和弹性剪切强度之间的差值，如图6所示。
利用传递到桩上的载荷，施加到桩的端部，单个桩中的诱导弯曲通过土桩相互作用的弹性地基梁模型来确定。横向土壤弹性系数是根据横向桩荷载试验数据计算的，其中包括美国标准工程师学会4[7]中推荐的可变性。当f1值为10％时，根据此分析计算出的最大力矩为25.5ft-k。尽管由于自由场土壤曲率和桩端载荷引起的最大桩身弯曲不会沿着桩身在同一位置发生，但通过将这两个力矩组合在一起可以估算出最大力矩，因此设计弯矩为27ft-k。
2.结论
桩设计的一般规定包含在ASCE标准中。本文讨论了用于实现桩支撑散裂中子源目标建筑物一般规定的特定要求的方法。对桩进行评估，以确保其具有足够的性能来承受地震地面运动的最大曲率以及施加的恒载和活载。桩的曲率来源包括由自由场地震运动产生的曲率以及由结构施加的地震荷载产生的曲率。
对于这种基础/土壤系统，900根直径大于12英寸的桩对基础的水平响应影响很小，在结构的SSI分析中可以忽略。但是，桩的竖向刚度对于减弱摇摆响应是很重要的，它的影响包括在SSI分析模型中。（本文）提出了一种在基底-垫层/土壤界面和桩头之间分配基底剪力的方法，该方法考虑了支撑黏性土的长期固结效应。桩设计中使用的荷载是结合桩端荷载产生的应力和现场响应施加的曲率而产生的。
参考文献
[1]美国能源部-标准-1020-94，氯化萘#1，美国能源部标准．能源部设施的自然现象危害设计和评估标准，1994，CN # 1；1996．
[2] ASCE 7-98，ASCE标准．建筑物和其他结构的最小设计荷．．ASCE2000．
[3] ASCE 20-96，ASCE标准．桩基设计和安装的标准指南．ASCE1997．
[4]塔贝斯阿，普洛斯汞．单桩地震分析的拟静力法．《地理环境工程》，2001年；127(9)．
[5] Gazetas G，Fan K，Tazoh T，Shimizu K，Kavvadas M，Makris N ．地震桩-群-结构相互作用．普拉卡什，编辑．Geotech规范发布号34 2000；ASCE，1992。ASCE 4-98，ASCE标准，桩基设计和安装的标准指南，ASCE．
[6]《群桩动力学的叠加方法》。普拉卡什，编辑．1992年第34号《地理技术规范》；34.ASCE．
- ASCE 4，ASCE标准．安全相关核结构的地震分析ASCE2000．
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