【摘 要】桩基础是在地震活跃地区采用较多的一种基础形式，而且很少在地震中发生破坏，但是对地震荷载作用下桩基础工作状态的研究较少。地震作用下，桩基础的稳定性是不仅取决于桩自身的稳定性，还与桩土系统的工作状态有关。利用拟静力法，对地震荷载作用下的单桩承载力进行分析验算，为实际工程的设计与施工提供一定的参考。
【关键词】地震荷载；桩基础；拟静力法；单桩承载力；稳定性
地震荷载又称地震力，是结构物因地震而受到的惯性力、土压力和水压力的总称。地震波以横波和纵波的方式在地基层中传播，其中，横波引起桩的水平向摆动，纵波引起桩的竖向震动。桩基础是在地震活跃地区采用较多的一种基础形式，震害调查表明，桩基础（尤其是低承台桩基础）很少在地震中发生破坏，除非桩周和桩端土层因严重液化、震陷或滑动而失效。目前关于桩基在地震作用下的工作情况分析，采用的是拟静力法。
一、拟静力法简介
拟静力方法，也称为等效荷载法，即通过反应谱理论将地震对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示，然后根据这一等效荷载用静力分析的方法对结构进行内力和位移计算，以验算结构的抗震承载力和变形。
拟静力法用于桩基稳定分析，属于极限平衡理论中的一种，是人类研究地震作用下桩基稳定性的常用方法。其实质是在静力计算的基础上再考虑地震惯性力的作用，即将地震的作用由一个附加的地震惯性力来代替，然后根据极限平衡理论，将所有作用在桩基上的力和力矩进行分解，分别建立桩基的静力和力矩平衡方程，进而求解桩基的安全系数。简单说就是，用震动加速度值所确定相当于静荷载的地震力，即拟静力作用短暂瞬间的荷载同长期作用的荷载等效起来。
二、桩基稳定性分析
（一）地震荷载的确定
地震荷载与通常的静载、活载、风载等荷载不相同。首先地震荷载具有明显的概率特征，即地震发生的时间、地点及大小具有极大的不确定性和随机性，只能借用统计的方法予以描述；其次地震荷载是一种惯性力，结构物的固有质量和地面运动的大小是重要的影响因素，地面运动的大小通常采用地震强度、地震的卓越频率和作用时间的长短衡量，而地震荷载是采用地震烈度来刻画地震的强度，用场地地质条件来反映卓越频率；最后由于地面运动的复杂性，使地震荷载成为一种多维的荷载，既有水平方向也有垂直方向、还可能有扭转方向的作用力。
目前，世界各国不仅对地震烈度的分级方法不统一，而且对地震荷载的计算方法也不一致。国际上广泛采用的计算地震荷载的方法主要有静力法、反应谱法、直接动力法、能量法以及随机法等。
衡量地震作用强烈程度目前常用地面运动的最大加速度Amax作为标志，它就是结构物抗震设计时的基础输人最大加速度，其单位为重力加速度g（10m/s）或Gal（gal=10mm/s）。大体上，7度相当于最大加速度为l00Gal，8度相当于200Gal，9度相当于400Gal。
在地震时，结构因振动面产生惯性力，使结构物产生内力，振动结构物会产生位移、速度和加速度。地震力大小与结构物的质量与刚度有关。在同等的烈度和场地条件下，结构物的重量越大，受到地震力也越大，因此减小结构自重不仅可以节省材料，而且有利于抗震。同样，结构刚度越大、周期越短，地震作用也大，因此，在满足位移限值的前提下，结构应有适宜的刚度。地震动加速度反应谱最大值相应的水平加速度，即地震时地面运动的加速度，可以作为确定烈度的依据。在以烈度为基础做出抗震设防标准时，往往对相应的烈度给出相应的峰值加速度。
然而，在计算地震惯性力时使用的地震加速度值一直没有严格的规范，地震动加速度值的不确定将会导致计算结果的不确定性。计算加速度的方法目前主要有等代水平地震加速度法、地震系数法、均方根加速度法等。
（二）计算作用于桩顶平面的总荷载
目前对于设防烈度不是很高、建筑高度一般和场地类别较低的情况，往往用一些不深入考虑地基基础和上部结构共同作用的计算方法来分析建筑物的结构地震反应。这些方法假定上部结构是一个嵌固在基础块体上的多质点系统，基础和地基系统视作只作水平向或竖直向运动的刚性底盘，它可以向上部结构输入水平向或竖直向的地震运动而在摇摆方向是完全约束的。计算中基底的地震输入则是通过场地设计反应谱曲线或地面运动加速度时程曲线来实现。
在计算桩顶荷载时，最保守的做法是假设把上部结构（包括承台或地下室）地震作用的计算结果，包括作用于基底的总剪力和总弯矩，全部传至桩顶平面。作为近似考虑承台、桩、土的共同作用，有的地区性规范凭经验规定承台底面土可分担10%—20%的竖向荷载和在水平荷载中扣除承台底面摩阻力。也有一些地区性规范规定，水平地震荷载可扣除承台（地下室）正侧面被动土压力的三分之一（按朗金理论计算）。对于高层建筑地下室周围土体对水平地震荷载的分担作用，日本学者曾针对平面尺寸14m×14m和14m×28m、地下1—4层、地上3—10层的塔楼进行分析计算，并提出如下分担率公式：
（1）
对于总高度不大、地下室埋置较深的高层建筑，可用该式来进行分担作用的粗略估计。
（三）单桩抗震承载力的确定
考虑到桩土系统在动静组合荷载作用下与静荷载作用下不完全一样的破坏机理，以及对经过地震考验的桩基础安全度复核的结果，一般都是在静承载力（水平和竖直向）基础上作适当的提高，提高比例为25%，即
（3）RhE=1.25 Rh
（四）单桩抗震承载力的确定
按下式计算作用于桩顶的竖向及水平向地震组合荷载的平均值和最大值、最小值：
（4）（5）
（6）
考虑地震作用组合的桩基单桩承载力验算应符合下列要求：
（五）桩身截面承载力验算
在桩顶水平力H作用下，桩身剪力和弯矩可按m法分析得出。对于桩顶嵌固，的情况，桩身最大剪力和最大弯矩均发生在桩顶截面，即有：
（11）
（12）
在轴向力Nmax、剪力V和弯矩M作用下，桩身正截面和斜截面的承载能力分别按偏心受压构件和受弯构件进行验算。
（六）桩周存在液化土层的桩基抗震稳定分析
桩周土层发生液化以后，桩基础的工作状态将会发生严重的恶化。目前，现行的设计方法是依据对震害调查结果的分析、反算，以及参考国内外的通行做法，对前述一般分析计算方法进行修正。《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）建议的做法是：
1.考虑到液化土层超空隙水压力可能向上通过承台周边冒出，作为安全储备，不宜计入承台周围土对地震荷载的分担作用。
2.为保证桩群能按低承台桩受力工作，要求承台底面上下分别有厚度不小于1.5m和1.0m的非液化土或非软弱土存在。
3.满足上述条件的桩基，分两阶段进行抗震验算，并按最不利情况设计。第一阶段为主震阶段，考虑全部地震作用，液化土层的桩周摩阻力和水平抗力系数作一定折减。第二阶段为主震以后一段时间内，可能存在余震，地震作用数值取主震时的10%，液化土层及承台一下2m深度范围内土层的桩周摩阻力全部扣除。
4.在可能液化砂土或粉土中打入预制桩或其他挤土桩，通常会使桩区内的土体加密。
5.理论分析和震害调查都表明，在液化土层与非液化土层界面附近，因桩身的弯剪应力集中而容易引起破坏，因此必须采取有效的构造措施来提高土层界面附近桩身的抗弯剪能力。
6.偶然有地下室外墙或底版埋置于可液化土层的情况，考虑到液化以后的状态，在外墙抗侧压力和底版局部抗弯验算时，液化土层土压力的计算应该用土的饱和重度代替浮重度，同时内摩擦角取零，而不再另计水压力；浮托力的计算中，液化土层部分也应该用土体饱和重度来代替水的重度。
三、结语
桩基与土的共同作用相当复杂，动力问题更加如此。关于桩基在地震作用下的工作情况分析，目前尚无成熟、完善的理论和方法可依据。现行的做法结合目前对有关问题的认识，依据对震害结果的分析与反算，参考国内外通行的做法，用拟静力法进行分析和计算，并制定规范性的规定，辅助以构造措施。地震作用下，桩土系统的工作机理与工作状态还需要进行大量的理论研究工作，做出进一步的分析，为实际工程的设计与施工提供一定的指导。
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