結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計第02章課件

第二章場地、地基和基礎(chǔ)1場地指建造工業(yè)與民用建筑物的建筑場地，如一個廠礦區(qū)、居民小區(qū)或自然村等。己有的震害資料表明，場地地質(zhì)條件不同，地震時建筑物的破壞程度明顯不同。因此，工程實際中要求對場地進(jìn)行選擇。盡可能地選擇對建筑物抗震有利的場地，從而達(dá)到減輕地震災(zāi)害，減小工程投資的目的。2.1場地2有利地段：指穩(wěn)定基巖、堅硬土或開闊、平坦、密實、均勻的中硬土等。一般地段：不屬于有利、不利和危險的地段不利地段：指軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（如故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷及半填半挖地基）等。危險地段：指地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的部位。2.1.1地段類別的劃分3選擇建筑場地時，應(yīng)根據(jù)工程需要和地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做出綜合評價。對不利地段，應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效的措施。對危險地段，嚴(yán)禁建造甲、乙類的建筑，不應(yīng)建造丙類的建筑。42.1.2.1建筑場地的地震影響（1）將地震波傳給結(jié)構(gòu)濾波作用、放大作用

堅硬場地上的剛性建筑物震害較大

軟弱場地上的柔性建筑物震害較大總的趨勢：軟弱地基上建筑物的破壞比堅硬地基上建筑物的破壞嚴(yán)重（2）地基失效可能引起上部結(jié)構(gòu)的破壞2.1.2土類型和場地類別的劃分5放大作用：表層越軟β越大濾波作用：阻尼，高頻剪切波在2層地基中的傳播Vs/Vs0=1/4h=0.00Vs/Vs0=1/2h=0.00Vs/Vs0=1/2h=0.05場地的卓越周期HVSVS0β62.1.2.2場地土類型對淺層巖土分類時，一般應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實測波速值來確定，尤其是對于重要建筑物更應(yīng)如此。而對于丁類建筑和丙類建筑中層數(shù)不超過10層，高度不超過24m的多層建筑，當(dāng)無實測剪切波速時，也可參考地基承載力特征值等來劃分土的類型。巖石：υs＞800m/s堅硬土或軟質(zhì)巖石：800m/s≥

υs＞500m/s中硬土：500m/s≥υs＞250m/s中軟土：250m/s≥υs＞140m/s軟弱土：υs≤140m/s789計算深度d0是取地面下20m，且不深于場地覆蓋層厚度的范圍。等效剪切波速成層土場地：土層等效剪切波速102.1.3建筑場地類別抗震規(guī)范按照表土的類型和場地覆蓋層厚度兩個因素，將建筑場地分為Ⅰ～Ⅳ四種類別，其中I分為I

0與I

1兩個亞類。112.1.4發(fā)震斷裂帶的震害和避讓措施發(fā)震斷裂帶附近地表，在地震時可能產(chǎn)生新的錯動地震震級愈高，影響愈大覆蓋層厚度愈大，影響愈小平原、丘陵地區(qū)比山區(qū)小抗震規(guī)范規(guī)定：下列情況可不考慮1）抗震設(shè)防烈度＜8度2）非全新世紀(jì)活動斷裂2）抗震設(shè)防烈度為8度、9度,覆蓋層厚度分別大于60m，90m12132.1.5局部孤突地形的震害影響條狀突出的山嘴高聳孤立的山丘非巖質(zhì)的陡坡河岸和邊坡邊緣由宏觀震害調(diào)查結(jié)果表明：位于局部孤立突出的地形，如孤立的小山包或山梁頂部的建筑，其震害一般均較平地上同類建筑為重。位于非巖質(zhì)地形的建筑物又較巖質(zhì)地基震害嚴(yán)重。通過強(qiáng)震觀測和理論分析也證實了上述結(jié)論。所以房屋選址時應(yīng)盡可能地避開上述地段。14烈度為9度烈度為8度烈度為7度1974年云南昭通地震，蘆家灣某村坐落于山梁上，山梁長150m，頂部最寬15m，最窄5m，高60m。距震中18km。經(jīng)分析突出端部的最大加速度為0.632g,鞍部為0.257g，大山根部為0.431g。15當(dāng)需要在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強(qiáng)風(fēng)化巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等不利地段建造丙類及丙類以上建筑時，除保證其在地震作用下的穩(wěn)定性外，尚應(yīng)估計不利地段對設(shè)計地震動參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。其值應(yīng)根據(jù)不利地段的具體情況確定，在1.1---1.6范圍內(nèi)采用。161）高突地形距離基準(zhǔn)面的高度H愈大，高處的反應(yīng)愈大；2）離陡坎和邊坡頂部邊緣的距離L1增大，反應(yīng)相對減??；3）在同樣地形條件下，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比巖質(zhì)結(jié)構(gòu)大；4）高突地形頂面愈開闊，遠(yuǎn)離邊緣的中心部位的反應(yīng)明顯減??；5）邊坡愈陡（H/L愈大），其頂部的放大效應(yīng)相應(yīng)加大。局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)可根據(jù)H、L、L1及土質(zhì)決定，有研究成果。172.2天然地基和基礎(chǔ)抗震驗算2.2.1天然地基的抗震能力多數(shù)天然地基具有較好的抗震性能，根據(jù)地基靜力承載力設(shè)計的地基能夠滿足抗震要求，抗震規(guī)范規(guī)定了以下建筑物可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗算。（1）地基主要受力范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層的下列建筑；①一般單層廠房、單層空曠房屋；②砌體房屋；③不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋；④基礎(chǔ)荷載與上述一般民用框架房屋相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。（2）抗震規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。182.2.2天然地基的抗震驗算（1） 動強(qiáng)度>靜強(qiáng)度（2） 可靠度指標(biāo)降低－－調(diào)整后的地基抗震承載力（kPa）－－地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)(1.0~1.5)－－深寬修正后的地基承載力特征值19巖土名稱和性狀ζa巖石，密實的碎石土，密實的礫、粗、中砂，fak≥300的粘性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的礫、精、中砂，密實和中密的細(xì)、粉砂，150≤fak＜300的粘性土和粉土,堅硬黃土1.3稍密的細(xì)、粉砂，100≤fak＜150的粘性土和粉土，可塑黃土1.1淤泥，淤泥質(zhì)土，松散的砂，雜填土，新近堆積黃土及流塑黃土1.0地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)地基和基礎(chǔ)的抗震驗算，一般采用的是所謂的“擬靜力法”，即假定地震作用如同靜力作用，然后驗算地基的承載力和穩(wěn)定性?？拐鹨?guī)范規(guī)定，20基礎(chǔ)底面的平均壓力和邊緣最大壓力應(yīng)符合下列各式要求：天然地基地震作用下的豎向承載力驗算限制過大的偏心荷載：高寬比大于4的高層建筑，要求底面不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；一般房屋零應(yīng)力區(qū)不應(yīng)超過基礎(chǔ)面積的15％。212.3液化地基的判別與處理2.3.1土體液化現(xiàn)象飽和砂土和粉土在地震時容易發(fā)生液化現(xiàn)象。地震引起的振動使得飽和砂土或粉土趨于密實，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇增加。在地震作用的短暫時間內(nèi)，這種急劇上升的孔隙水壓力來不及消散，使有效應(yīng)力減小，當(dāng)有效應(yīng)力完全消失時，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態(tài)。此時，土體抗剪強(qiáng)度等于零，形成有如“液體”的現(xiàn)象，即稱為“液化”。22如某一深度處砂土層產(chǎn)生液化時，液化區(qū)的水頭壓力比上部高，迫使水向上涌向地表，使上層土體受到自下而上的動水力。若水頭梯度達(dá)到或超過臨界水頭梯度，上層土體的有效應(yīng)力也將等于零，構(gòu)成“間接液化”。砂土液化的宏觀標(biāo)志是：冒水噴砂，地面下陷，建筑物產(chǎn)生巨大沉降和嚴(yán)重傾斜，甚至失穩(wěn)。土層的液化還會引起其他一系列震害：噴水冒砂淹沒農(nóng)田，淤塞渠道，路基被淘空，有的地段產(chǎn)生很多陷坑；河堤是裂縫和滑移；橋梁的破壞等。23砂土液化24影響地基液化的主要因素（一）（1）土層的地質(zhì)年代地質(zhì)年代越古老的飽和砂土越不容易液化。（2）土的組成和密實程度顆粒級配良好的土不容易液化；松砂比密砂容易液化；細(xì)砂比粗砂容易液化；粉土中粘性顆粒越少越容易液化。25影響地基液化的主要因素（二）（3）液化土層的埋深隨著液化砂土層埋深增大，砂土層上的有效覆蓋應(yīng)力增大，就不容易產(chǎn)生液化。（4）地下水位深度隨著地下水位的上升，液化的可能性就越高（5）地震烈度和持續(xù)時間地震烈度越高，越容易發(fā)生液化；

地震動持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生液化。262.3.2地基土的液化判別液化判別和處理的一般原則：1）對存在飽和砂土和粉土（不含黃土）的地基，除6度外，應(yīng)進(jìn)行液化判別。對6度區(qū)一般情況下可不進(jìn)行判別和處理，但對液化敏感的乙類建筑可按7度的要求進(jìn)行判別和處理。2）存在液化土層的地基，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、地基的液化等級結(jié)合具體情況采取相應(yīng)的措施。27二階段液化判別原則：

初步判別根據(jù)地震烈度、地質(zhì)年代、粘粒含量、地下水位與非液化土覆蓋層厚度等地基液化的影響因素進(jìn)行初步判斷

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別試驗工作量較大28《抗震規(guī)范》，對飽和的砂土或粉土，當(dāng)符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或可不考慮液化影響。（1）地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前，7度和8度時可判為不液化。（2）粉土的粘粒含量（粒徑小于0.005mm顆粒）的百分率，7度、8度和9度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土。用于液化判別的粘粒含量系采用六偏磷酸鈉作分散劑測定，采用其他方法時應(yīng)按有關(guān)規(guī)定換算初步判別29（3）采用天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響：du——上覆非液化土層厚度（m）dw——地下水位深度（m）db——基礎(chǔ)埋置深度（m）d0——液化土特征深度（m）7度8度9度粉土678砂土789液化土特征深度（m）3012345678910

12345678910dw(m)不考慮液化影響區(qū)須進(jìn)一步判別區(qū)砂土7度8度9度1234567891012345678910dw(m)不考慮液化影響區(qū)須進(jìn)一步判別區(qū)粉土7度9度8度地下水位深度、上覆非液化土層厚度與土液化的關(guān)系上面判別式（db=2)亦可用下圖表示，db＞2時，在du

、dw中減去（db-2)后再查圖確定。31標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別規(guī)范規(guī)定：當(dāng)飽和砂土、粉土的初判認(rèn)為需要進(jìn)一步液化判別時（即初判時，四個條件有一項及以上不符時又需要進(jìn)一步判別時）應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別法判別地面下20m范圍內(nèi)土的液化；但對規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗算的各類建筑，可只判別地面下15m范圍內(nèi)土的液化。當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)（未經(jīng)桿長修正）小于或等于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時，應(yīng)判為液化土。當(dāng)有成熟經(jīng)驗時，尚可采用其他判別方法。32標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值在地面下20m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算：

—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度（m)式中：

—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；

—地下水位（m)33—地下水位（m)—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，按下表采用?！沉：堪俜致?，當(dāng)小于3或是砂土?xí)r，應(yīng)采用3?！{(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第一組取0.8，第二組取0.95，第三組取1.05。34標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗鉆孔至試驗土層上15cm處，用63.5kg的穿心錘，落距為76cm，打擊土層，貫入器打入土中15cm后，開始記錄每打入10cm的錘擊數(shù)，累計打入30cm的錘擊數(shù)記作N63.5，為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)。1---穿心錘2---錘墊3---觸探桿4---貫入器頭5---出水孔6---貫入器身7---貫入器靴35液化指數(shù)前面判別式給出的結(jié)果，只能判定是否液化，不給出液化危害的程度。因此也就無法做出滿意的工程判斷。為了設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理的建筑，有必要對液化的危害程度做出定量分析。采用液化指數(shù)，能定量反映了土層液化的可能性大小和液化危害的輕重程度。液化強(qiáng)度比：液化指數(shù)：3637權(quán)函數(shù)值

Wi的值沿深度由大到小變化，反映了液化土層離地表越近，危害程度越大的規(guī)律。38液化等級按液化場地的液化指數(shù)大小，將場地劃分為輕微、中等和嚴(yán)重三個液化等級。液化指數(shù)嚴(yán)重中等輕微液化等級39液化等級和對建筑物的相應(yīng)危害程度液化等級地面噴水冒砂情況對建筑物的危害情況輕微地面無噴水冒砂，或僅在洼地、河邊有零星的噴水冒砂點危害性小，一般不致引起明顯的震害中等噴水冒砂可能性大，從輕微到嚴(yán)重均有，多數(shù)屬中等危害性較大，可造成不均勻沉陷和開裂，有時不均勻沉陷可達(dá)200mm嚴(yán)重一般噴水冒砂都很嚴(yán)重，地面變形很明顯危害性大，不均勻沉陷可能大于200mm，高重心結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不允許的傾斜401964年日本新瀉地震，因砂土液化造成一幢四層公寓大樓連同基礎(chǔ)傾斜了80°411、地基抗液化措施選擇原則地基抗液化措施應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和地基的液化等級，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕l件、施工方法和施工工藝等具體情況予以確定。對于液化土層較為平坦且均勻的情況，可參照表2.8選擇地基抗液化措施。表中所列舉措施分別為：（1）——全部消除地基液化沉降的措施，如采用樁基、加大基礎(chǔ)埋置深度、深層加固至液化層下界，挖除全部液化土層等。（2）——部分消除地基液化沉降的措施，如加固或挖除一部分液化土層等；處理后地基的液化指數(shù)應(yīng)不大于5；（3）——基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，一般指減小不均勻沉降或使建筑物較好適應(yīng)不均勻沉降的措施。（4）——可不采取措施。2.3.3地基抗液化措施42抗震設(shè)防類別地基的液化等級Ⅰ（輕微）Ⅱ（中等）Ⅲ（嚴(yán)重）甲類專門研究專門研究專門研究乙類（2）或（3）（1）或（2）+（3）（1）丙類（3）或（4）（3）或（2）（1）或（2）+（3）丁類（4）（4）（3）或更經(jīng)濟(jì)的措施表2.8地基抗液化措施選擇原則431、全部消除地基液化沉陷的措施應(yīng)符合：1）采用樁基時，樁端深入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度（不包括樁尖部分），應(yīng)按計算確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅硬粘性土和密實粉土尚不應(yīng)小于0.8m，對其他非巖石土尚不應(yīng)小于1.5m；2）采用深基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)底面埋入液化深度以下穩(wěn)定土層不小于0.5m；443）采用加密法（如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等）加固時，應(yīng)處理至液化深度下界；振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實測值應(yīng)大于相應(yīng)的臨界值；4）用非液化土替換全部液化土層，或增加上覆非液化土層的厚度；5）采用加密法或換土法處理時，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。452、部分消除地基液化沉陷的措施應(yīng)符合：1）處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少，其值不宜大于5；大面積筏基、箱基的中心區(qū)域，處理后的液化指數(shù)可比上述規(guī)定降低1；對獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)，尚不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。2）采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于規(guī)范規(guī)定的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；3）基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度與全部清除地基液化沉陷時的要求相同。4）采取減小液化震陷的其他方法，如增加上覆非液化土層的厚度和改善周邊的排水條件等。464、減輕液化影響的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理措施（1）選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度；（2）調(diào)整基礎(chǔ)底面積，減少基礎(chǔ)偏心；（3）加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性，如采用箱基、筏基或鋼筋混凝土十字形基礎(chǔ)，加設(shè)基礎(chǔ)圈梁、基礎(chǔ)系梁等；（4）減輕荷載，增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，合理設(shè)置沉降縫，避免采用對不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)型式等；（5）管道穿過建筑處應(yīng)預(yù)留足夠尺寸或采用柔性接頭等，以防止管道的損壞。471、換土墊層法2、重錘夯實法3、強(qiáng)夯法4、振動水沖法5、深層擠密法6、砂井預(yù)壓法2.4地基基礎(chǔ)的抗震加固482.5樁基抗震2.5.1樁基的抗震驗算樁基礎(chǔ)的抗震性能普遍優(yōu)于其他類型的基礎(chǔ)。針對承受豎向荷載為主的低承臺樁基，同時地面以下無液化土層，且樁承臺周圍無淤泥、淤泥質(zhì)土和地基承載力特征值不大于100kPa的填土的情況，《抗震規(guī)范》規(guī)定了可不進(jìn)行樁基抗震承載力驗算的范圍：49（1）砌體房屋；（2）《抗震規(guī)范》規(guī)定可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑；（3）設(shè)防烈度為7度和8度時的下列建筑；①一般單層廠房、單層空曠房屋；②不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋；③基礎(chǔ)荷載與上述一般民用框架房屋相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。50對于不滿足上述各條件和建筑物的樁基礎(chǔ)，一般應(yīng)進(jìn)行抗震驗算。與天然地基抗震驗算相同，樁基抗震驗算時也應(yīng)該考慮地震作用下承載能力提高的有利因素。然而地震作用下樁基承載能力提高的幅度有多大，不僅與地基土的性質(zhì)有關(guān)，而且還與樁基類型、沉樁工藝、樁頂與承臺的連接嵌固情況以及承臺四周的回填情況等多種因素有關(guān)。合理地確定樁基承載力提高系數(shù)要比天然地基更加困難。作為一種近似，同時為了方便使用，《抗震規(guī)范》規(guī)定：單樁的豎向和水平向抗震承載力特征值，可均比非抗震設(shè)計時提高25%。51當(dāng)考慮樁基承受水平地震荷載效應(yīng)的驗算時，涉及到樁和承臺（包括地下室）分擔(dān)比問題。目前有以下三種處理方法：（1）由樁承擔(dān)全部地震水平力；（2）由地下室外的土抗力承擔(dān)全部水平力；（3）由樁、土共同分擔(dān)水平力（分擔(dān)比由經(jīng)驗公式或用有限元法等計算）。522.5.2液化地基上低承臺樁基的驗算采用樁基是消除和減輕地基液化危害的有效措施之一。然而，液化地層中的樁基承載力的計算與非液化化地層有很大的不同，需要考慮地層液化后對樁支承作用減小的因素。液化地基上樁基的驗算，一般應(yīng)分兩種工況進(jìn)行。也就是要分析樁基在地震期間和地震之后兩種情況下的工作狀態(tài)。53工況1，即地震期間在地震期間，樁基不但要承受原有的豎向荷載，而且還要承受地震作用產(chǎn)生的新增荷載。然而土層的液化又使得承載力大大降低，《抗震規(guī)范》規(guī)定了液化土的樁周摩阻力及樁水平抗力影響折減系數(shù)（見表2.9）。地震期間液化土層中低承臺樁基的具體計算是：（1）考慮地震荷載下地基承載力的提高，先將靜力荷載下的單樁豎向承載力提高25%；（2）地震時液化土層的樁周摩阻力乘以表2.9中的系數(shù)，由樁承擔(dān)上部建筑傳來的豎向荷載和全部地震力，來驗算樁基的豎向承載力和樁身的強(qiáng)度。