建筑物地基抗震減震設(shè)計新理念

李偉 喬存懷

（成都軍區(qū)建筑設(shè)計院）

建筑物地基抗震減震設(shè)計新理念

李偉 喬存懷

（成都軍區(qū)建筑設(shè)計院）

俗話說，基礎(chǔ)不牢，地動山搖。2008年發(fā)生在四川汶川的大地震，讓許多城市建筑在一瞬間變成一片廢墟，使許多人從身體上、心理上收到巨大的傷害，國家財產(chǎn)損失巨大。

一般來說，建筑物抗震由兩部分組成：一部分是上部結(jié)構(gòu)（即地面以上的主體部分）的抗震，另一部分是下部分（即地面以下部分的地基基礎(chǔ)）的抗震。目前，上部結(jié)構(gòu)的抗震常規(guī)的做法通常是設(shè)計剪力墻，而下部結(jié)構(gòu)抗震還沒有更安全、更有效的設(shè)計或施工方法。筆者結(jié)合工程施工和理論研究，認(rèn)為用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁作建筑物的地基承載樁，可有效地防止地震對建筑物的破壞。

鋼樁是高強度的柔性體，抗震力學(xué)特性優(yōu)良。目前，我國在高層建筑中應(yīng)用最廣泛的是鋼筋混凝土灌注樁；在中高、中低層建筑物中應(yīng)用最廣泛的是PHC樁（高強度混凝土預(yù)應(yīng)力管樁），其次是CFG樁（素混凝土樁），還有屬于地基改良的粉體噴射攪拌樁、碎石樁等。

樁在無地震條件下，只需滿足抗壓要求，即通常說單樁的承載力。但在有地震條件下，還要滿足抗拔要求（上下振動時）及抗剪要求（水平振動時），而只有鋼樁類才能滿足后兩種要求。假定這樣一種震動模型：在一個大型剛性平面上放置一小塊剛性物體，這兩個物體之間沒有任何連接，讓大型平面上下左右振動，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？①小塊物體上下左右更加雜亂的跳動；②傾翻。如果將二者用一個可靠地柔性體進行連接，就會產(chǎn)生現(xiàn)象如下：①小塊物體的震動幅度比大型平面小；②沒有傾翻。以上可以證明作為柔性樁的鋼樁在地震時對建筑物所發(fā)揮的減震、抗震作用。

鋼樁使用壽命長。很多人可能會擔(dān)心，若干年后如果在地基中的鋼樁因為樁產(chǎn)生銹蝕，那么建筑物底下不是沒樁了嗎？鋼樁的優(yōu)越性不就不復(fù)存在了嗎？甚至還比不上不會腐爛的混凝土樁。

下面從兩個方面對以上問題進行解釋：①鋼樁是深埋于地面以下，氧氣相對比較稀薄，對樁的腐蝕是有限的，鋼樁采用振動設(shè)備施工時，樁周土?xí)贿M一步振密，氧氣進一步析出，地層含氧量更少，對樁的銹蝕作用更小。最近幾年，在南京的淤泥中挖出當(dāng)年抗戰(zhàn)時期日本空投的炸彈，幾十多年過去了，彈體沒怎么銹蝕；此外，還有些出土的金屬文物，在地下埋了數(shù)千年，然而卻未腐爛，都是由于氧氣含量稀少的原因。②在將鋼樁沉入地下之前，可用一些化學(xué)或物理方法對鋼樁進行防銹處理，從而提高其抗銹蝕的能力。如此，鋼樁的使用時間可達很久。國內(nèi)應(yīng)用鋼樁的例子有：北京寶鋼廠房的地基處理、蘇州交易中心、杭州國際金融中心。

振動液壓錘打樁效果好，工期短。在砂卵石地基上施工采用傳統(tǒng)的方法樁比較困難，其中，靜力壓樁一般只能打入卵石三四米左右，柴油錘打入深度稍多一些，這種地質(zhì)條件又不適用于螺旋鉆孔的施工，旋挖樁機施工效率又不高，并且護壁也比較困難。而H型鋼樁，可采用液壓振動錘將其輕松打入卵石層中10m以上，最深可達30多米，足以滿足一般多層建筑物的要求。由于施工時，大型振動設(shè)備的采用，預(yù)振密處理了建筑物的地基，在地震發(fā)生時，該地基不會因為震動液化而產(chǎn)生不均勻的沉降，地面建筑物的水平位移量也將減少，更不會出現(xiàn)幾層建筑物被震陷到地面下的現(xiàn)象；由于鋼樁有抵抗拔力的作用，建筑物也不可能被震得東倒西歪，如果上部結(jié)構(gòu)很結(jié)實，在較強地震后，建筑物還可繼續(xù)使用。

鋼樁是采用液壓振動錘進行施工的，它施工效率高，如果樁長在14m左右，它能在13h內(nèi)將45根鋼樁沉入地下，一棟中型商場的地基處理，2d左右就可完成，用其他辦法，最少也需15d左右時間，尚且不考慮效果的好壞，可為工程建設(shè)贏得寶貴的時間。

H型鋼樁社會和經(jīng)濟效益分析。建造一座建筑面積為2900m2的建筑物，建筑物荷載為4500t。地基為砂卵石。用H型鋼樁作為地基承載樁，上部結(jié)構(gòu)為剪力墻。建造成本如下：

H型鋼規(guī)格：300×305×15（mm）

樁長：12m

單樁重量：1272kg

單樁承載力：約45t

共需數(shù)量：約100根

樁總重量：127.2t

購買總價：約83萬元

施工費：約8萬元

基礎(chǔ)總造價：約91萬元

上部結(jié)構(gòu)總造價：2900m2×1200元/m2=348萬元

建筑物總造價：約439萬元

雖然H型鋼樁作為抗震地基承載樁時，它的造價高于其它樁。但就抗震方面而言，CFG樁、灌注樁、PHC樁等樁型是呈剛性，它在可抗垂直方向上的力，因此，不具抗震性能和減震性能。而H型鋼樁，具有抗震和減震的性能。加上上部結(jié)構(gòu)具有抗震性能，能最大程度地保證建筑物的安全性，這樣的抗震設(shè)計，經(jīng)費雖然高一些，但其安全系數(shù)增加了若干倍。

與我國現(xiàn)行樁基礎(chǔ)行業(yè)中傳統(tǒng)的PHC樁、CFG樁、螺紋樁、擠擴樁、灌注樁等地基承載樁相比，在滿足相同承載力條件下，H型鋼樁作為地震區(qū)建筑物的地基承載樁，能有效地防止或減輕高強度地震對建筑物造成的破壞，特別是一些重要的場所，以及人員活動密集的學(xué)校、禮堂等建筑，其抗震意義更大。

此外，用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁工藝優(yōu)點較多，這種工藝沒有泥漿污染、噪音污染，并且振感極小，周圍的百姓的生活秩序和工作環(huán)境及建筑結(jié)構(gòu)均不會受影響。強烈地震造成的巨大損失與H型鋼樁作為建筑物承載樁的施工成本相比較，那么這種成本幾乎可以忽略不計，簡直是微不足道。建設(shè)單位當(dāng)初期投資較充裕，注重長期經(jīng)濟效益時，選擇H型鋼樁作為地基承載樁是十分理想的。

采用H型鋼樁作為建筑物基礎(chǔ)樁，盡管成本增加了，但安全性卻增加了很多，就像建筑物被一根根巨大的鋼釘牢牢地固定在地基之中，給使用者足夠的安全感，因為，只要一根根規(guī)格正確、生產(chǎn)廠家正規(guī)的H型鋼樁從地面規(guī)定的樁位進入了地下，其它任何有關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)的質(zhì)量問題都不用擔(dān)心了，確保建筑滿足地基抗震設(shè)計要求。

日本采用鋼樁作為建筑基礎(chǔ)很普遍。20世紀(jì)70、80年代，日本鋼產(chǎn)量大量過剩，加上鐵礦石便宜，鋼材價格低，日本將大量的鋼材用于地下工程中。

有專家說，日本很多建筑物是柔性的，一方面是基礎(chǔ)，另外一方面是上部結(jié)構(gòu)，但從振動減振的角度來分析，柔性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)更重要，大地相當(dāng)于激振源，樁相當(dāng)于減振器，上部建筑物即使呈剛性也影響不大，因為剛性體的振動烈度完全取決于減振器。日本建筑物的抗震性舉世聞名，其成功的方面值得我們學(xué)習(xí)。

科學(xué)技術(shù)最能證明，有最好的震不垮的地基基礎(chǔ)和有震不垮的上部結(jié)構(gòu)，才會有真正意義上震不垮的建筑物。

TU753.8

A

1673-0038（2015）35-0023-02

2015-8-10

李偉（1986-），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

喬存懷（1975-），男，工程師，碩士研究生，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。