第八章 地基基礎抗震

基礎工程第8章

地基基礎抗震內容提要

地震的成因特征地震區(qū)場地特征地基基礎抗震設計概述地震成因地震是地球內部構造運動的產物，是一種自然現(xiàn)象，是地殼內部或外部因素作用下產生強烈震動的地質現(xiàn)象。全世界每年大約發(fā)生500多次地震，絕大多數(shù)地震都很小，小地震約占一年中地震總數(shù)的99%，剩下的1%才是人們感覺到的，而現(xiàn)在造成嚴重破壞的大地震，全世界平均每年大約發(fā)生18次。地震按其成因可分為：構造地震、火山地震、陷落地震和誘發(fā)地震。全球地殼由六大塊組成，即歐亞大陸、太平洋、美洲大陸、非洲大陸、印澳與南極板塊。各大板塊內還可以劃分為極小的板塊。由于地殼的緩慢變形，各板塊之間發(fā)生頂撞、插入等突變、形成地殼振動，即構造地震，多發(fā)生在各板塊的邊緣或沿海的島嶼。我國的臺灣島和日本都位于大板塊的交接處，所以是多地震區(qū)域。地震波及其特征地震引起的震動以波的形式從震源向各個方向傳播并釋放能量，這就是地震波。它包含在地球內部傳播的體波和只限于在地球表面?zhèn)鞑サ拿娌?，是一種彈性波。體波包括縱波與橫波兩種，縱波是由震源向外傳播的脹縮波，質點的震動方向與波的前進方向一致，從而使得介質不斷的壓縮和疏松，也稱為壓縮波或疏密波。在空氣里縱波就是聲波。其特點表現(xiàn)為周期較短，振幅較小。橫波是由震源向外傳播的剪切波，介質質點的震動方向與波的前進方向相垂直，也稱剪切波。其周期較長，振幅較大。還應指出，橫波只能在固體里傳播，而縱波在固體和液體里都能傳播。

地震波及其特征縱波比橫波的傳播速度要快，在儀器觀測到的記錄圖上，縱波要先于橫波到達。一般也把縱波叫P波（即初波），把橫波叫S波（即次波）。體波在地球內部的傳播速度隨深度的增加而增大。由于地球的層狀結構，因此體波通過分層介質，在界面上將產生折射和反射；當一個P波入射到一個界面時，不但產生折射和反射的P波而且還發(fā)生折射和反射的S波，S波也是如此，此外，由震源發(fā)出的震動首先通過巖層傳到基巖表面，然后再經(jīng)基巖以上的地層傳到地表面，在此過程中由于重復反射，地表面的震動常常得到放大。地震的震級和烈度1．震級地震強度通常用震級和烈度來反映。地震震級是地震固有的屬性，表示地震本身能量大小的尺度，用符號M表示，其數(shù)值是根據(jù)地震儀記錄的地震波圖確定的。目前，國際上比較通用的是里氏震級，原始定義是在1935年由里克特（C.F.Richter）給出震級表示一次地震釋放能量的多少，也是表示地震強度大小的指標，所以一次地震只有一個震級。 烈度地震烈度是指地震時某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強弱程度。一次同樣大小的地震，若震源深度、離震中的距離和土質條件的因素不同，則對地面和建筑物的破壞也不相同。這時，若僅用地震震級來表示地震動的強度，還不足以區(qū)別地面和建筑物破壞輕重的程度。雖然一次地震只有一個震級，但距離震中不同的地方，地震的影響是不一樣的，及地震烈度不同。一般來說，離震中越近，地震影響越大，地震烈度越高；離震中越遠，地震烈度越低。震中區(qū)的烈度稱為震中烈度，用I0表示。地震區(qū)場地特性1．地震震害地震發(fā)生時及發(fā)生后，將引起人們有震動的感覺、自然和人工環(huán)境的變化，通常稱之為地震后的宏觀現(xiàn)象，?？筛爬樗念悾喝藗兊母杏X、人工結構物的損壞、物體的反應和自然狀態(tài)的變化。研究這些現(xiàn)象不僅可以理解地震作用本質，更主要的是防止或減少地震所產生的破壞與人民生命財產的損失。所以人工結構物的損壞，應該說是最值得研究的宏觀現(xiàn)象。通過它的研究不僅能定性地理解地震現(xiàn)象，而且可以總結經(jīng)驗教訓，為制定和改進抗震設計規(guī)范以及制定抗震防災對策措施提供依據(jù)。地震所帶來的破壞活動主要表現(xiàn)在：1）地基震害地基的主要破壞有：地基液化、震陷、山體崩裂、滑坡、地裂等現(xiàn)象。在地下水位較高地區(qū)，地震時的強烈震動會使飽和粉細砂、細砂和粉土層液化，地下水夾著砂子往往經(jīng)裂隙或其他通道蹦出地面，形成噴砂冒水現(xiàn)象。產生液化的原因是由于地層短暫時間里，孔隙水壓力驟然上升來不及消散，有效應力降至零，土體呈現(xiàn)出近乎液體的狀態(tài)，強度完全喪失，即所謂液化。地基液化能使建筑物產生大量的沉降、不均勻沉降及傾斜，埋在液化土層中的管道及地下罐等則會上浮。地震使地面產生巨大的附加沉降稱為震陷，多發(fā)生在松砂和軟粘土中，震陷不僅使建筑物產生過大沉降，而且產生較大的差異沉降和傾斜，影響建筑物的安全使用。地震時出現(xiàn)的地裂縫的數(shù)量、長短和深淺等與地震強度、受力特征有關，如唐山地震時，地面出現(xiàn)一條長10km、水平錯動1.25m、垂直錯動0.6m的大地裂，錯動帶寬約2.5m，致使在該斷裂段內的房屋、道路、地下管道等遭到及其嚴重的破壞，民用建筑幾乎全部倒塌。強烈的地震往往造成地面錯動、山體崩塌和滑坡泥石流等，嚴重時還會堵塞河流，形成地震堰塞湖而使山河改觀。地震區(qū)場地特性2）建筑物的典型震害多層磚房的典型震害為外墻外閃、傾倒，縱橫墻墻面出現(xiàn)X裂縫，縱橫墻開裂和屋頂塌落等。多高層鋼筋混凝土房屋的典型震害為梁柱節(jié)點破壞，柱子上混凝土保護層脫落，鋼筋外崩，呈燈籠狀，在箍筋數(shù)量不足時這種情況更加常見。鋼筋混凝土墻的破壞形態(tài)與磚墻差不多，但其裂縫比較分散且寬度較窄。場地因素建筑場地的地形條件、地質構造、地下水位等對地震災害的程度有顯著的影響。我國多次地震災害調查表明，局部地形條件對地震時建筑物的破壞有較大的影響。一般當局部地形高差大于30-50m時，震害就會有明顯的差異，位于高處的建筑物震害加重。1920年寧夏海原發(fā)生8.5級地震時，處于渭河谷地姚莊的烈度為7度，而2km外的牛家山莊因位于高出百米的黃土梁上，其烈度則達9度。綜上所述，孤立突出的山梁、山包、條狀山嘴、高差較大的臺地、陡坡等，均對建筑物的抗震不利。斷層是地質構造的薄弱環(huán)節(jié)，可將其分為發(fā)震斷層和非發(fā)震斷層，前者為具有潛在地震活動的斷層，后者在地震作用下不會產生新的錯動。地震時，發(fā)震斷層附件地表可能發(fā)生新的錯動，若在其上修建建筑物必招致嚴重破壞。因此在具體進行場地布置時，不宜將建筑物橫跨在斷層上，以免可能發(fā)生的錯動和不均勻沉降帶來危害。地震對建筑物的危害程度與地下水位有明顯關系，水位越淺震害越重。地下水位深度在5m以內時，對震害影響最明顯，當?shù)叵滤惠^深時影響較小。對于不同類別的地基土，地下水位的影響程度也有差別。例如軟弱土層（粉砂、細砂、淤泥質土等）影響程度最大，對粘性土影響次之，對碎石、角礫等影響較小。場地類別和場地選擇場地選擇工程地質條件不同，建筑物在地震中的破壞程度也明顯不同。合理選擇建筑場地將會大大減輕地震災害。影響建筑震害的地震動參數(shù)的場地因素很多，其中包括局部地形、地質構造、地基土質等，影響的方式也各不相同。一般認為，對抗震有利的地段系指地震時地面無殘余變形的堅硬土或開闊平坦密實均勻的中硬土范圍或地區(qū)；而不利地段為可能產生明顯的地基變形或失效的某一范圍或地區(qū)；危險地段指可能發(fā)生嚴重的地面殘余變形的某一范圍或地區(qū)。抗震規(guī)范中將場地劃分為有利、不利和危險地段的具體標準如表8-5所示。地基基礎抗震設計基本原則抗震設計應貫徹“預防為主”的方針，并力爭做到“小震不壞，中震可修、大震不倒”的設防要求。當遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)設防烈度的地震影響時，建筑物可受損壞，但經(jīng)一般修理即可恢復正常使用；當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞。為了提高建筑物的抗震能力，在建筑規(guī)劃上應合理布局，上部結構設計應遵循“簡、勻、輕、牢”的原則，同時地基基礎設計應符合下列要求。盡量選擇有利地段，如開闊平坦的堅硬場地土或密實均勻的中硬場地土等地段；避開不利地段，如軟弱場地土、易液化場地土等，如無法避開時宜采用適當?shù)目拐鸫胧欢坏迷谖ｋU地段進行建設。

地基基礎抗震設計基礎在整個建筑物中一般是剛性比較大的部分，又因處于建筑物的最低部位，周圍還有土層的限制，因而振幅較小，故基礎本身受到的震害總是較輕的。加強基礎的防震性能目的主要是減輕上部結構的震害。加大基礎埋深可以增加基礎側面土體對振動的抑制作用，從而減少建筑物的振幅，有條件時可建造地下室，地下室內易設置內橫墻，并應切實做好基槽的回填夯實工作。唐山地震后，凡有地下室的房