抗震第二章习题及解析.ppt

第二章 场地、地基和基础,场地：建筑物的所在地，其在范围大体相当于厂区、居民小区或自然村或不小于1km2的平面面积,基础：基础就是在室外地面以下，承受上部结构传来的荷载的那部分结构,地基：在基础以下的或天然，或人工的土层，承受基础以及上部结构的 荷载。,2.1 建筑场地 2.2 地基的抗震验算 2.3 液化地基判别和处理 2.4 桩基的抗震验算,主要内容,2.1 建筑场地,场地：建筑场地是指建筑物的所在地，其在范围大体相当于厂区、居民小区 或自然村或不小于1km2的平面面积。,一、建筑地段的划分,表2-1有利、一般、不利和危险地段的划分,在选择建筑地段时，应选择对建筑抗震有利的地段，避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施，不应在危险地段建造建筑物。,2、局部孤突地形的震害影响 位于局部孤立突出地形（如山嘴、山丘、陡坡等）的建筑，其震害一般均较平地上同类建筑为重。选址时应尽可能避开,2)影响断裂带错动的因素：地震烈度，覆盖土层厚度：8度大于60m、9度大于90m时可不考虑其影响。,3)避让：不满足上述条件时，应避开发震地带，避开距离应大于200300m。,1、发震断裂带的震害和避让 断裂带:垮落带上方的岩层产生断裂或裂缝，但仍保持其原有层状的岩层带 1)震害：断裂带是地质构造上的薄弱环节，在地震时可能产生新的错动，使地面建筑物遭受较大的破坏。因此，对于这种危险地段选择建筑场地时应予以避开。,1建筑场地对建筑物震害的影响 软弱地基上，自振周期长的柔性结构容易遭到破坏，刚性结构相应表现较好； 坚硬地基上，柔性结构表现较好，而刚性结构表现不一。如75年宁海、76年唐山地震。 深厚覆盖土层上建筑物的震害较重，而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。,二、 场地土的分类,地震时：地震波是由基岩传到场地，再由场地传到建筑物。场地对地震波具有放大和滤波作用。场地条件不同对地震波的放大和滤波作用就不同，建造在不同场地上的建筑物在同一次地震作用下的破坏作用也不一样，这已被国内外的震害资料所证明。 但场地土的影响是明显的。如1976年委内瑞拉地震中，加拉加斯高层建筑破坏有明显的区域性，主要集中在冲积层最厚的地方。,2.1 建筑场地,1、场地土的划分,建筑抗震设计规范根据场地图的剪切波速将建筑场地土分成4类，当没有剪切波速资料时也可以根据岩土的名称和性状来划分,表2-2土的类型划分和剪切波速范围,2.1 建筑场地,2、场地土覆盖层厚度,覆盖层厚度是指从地面至地下基岩面的距离。场地土覆盖层厚度越薄对地震短周期的放大作用就越大；相反，场地土覆盖层厚度越厚对地震中长周期分量的放大作用就越大。在工程设计中，一般不以实际基岩面计算场地土覆盖层厚度。对于比较复杂的场地条件，建筑抗震设计规范中按下列要求确定场地土覆盖层厚度： 1）一般情况下，应按地面至剪切波速大于 500m/s 的土层顶面的距离确定； 2）当地面 5m 以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速 2.5 倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速均不小于 400m/s 时,可按地面至该土层顶面的距离确定； 3）剪切波速大于 500m/s 的孤石、透镜体，应视同周围土层； 4）土层中的火山岩硬夹层应视为刚体其厚度，应从覆盖土层中扣除。,注： 为荷载试验等方法得到的地基承载力特征值（kPa）, 为基岩剪切波速。,2.1 建筑场地,3、土层等效剪切波度,场地土的组成是非常复杂的，对于成层场地土层可以用等效剪切波速反映各土层的综合刚度，其值可根据地震波通过计算深度范围内各土层的总时间等于该波通过同一计算深度的单一折算土层所需要的时间求得。,按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑场地分为 四种类别，见表2.2所示：,4、建筑场地类型的划分,例2-1、已知某建筑场地的地址钻探资料如表2-4所示。试计算土层的等效剪切波速，并判别土层性质。,表2-4场地的地质钻探资料,2.1 建筑场地,例2-1、已知某建筑场地的地址钻探资料如表2-4所示。试计算土层的等效剪切波速，并判别土层性质。,解： （1）确定计算深度 由于计算深度，取覆盖层厚度和 20m 二者的较小值，而该题覆盖层厚度明显远大于20m，所以计算深度d0取20m。 （2）确定地面下20m表层土的场地土类型：,因为等效剪切波速： ，故表层土属于中软土。,2.1.3 场地的类别,例题2-2,已知某建筑场地的钻孔地质资料如表2-5所示，试确定该场地的类别,因为地表下7.5m以下土层的 = 520m/s500m/s, 故 = 7.5m,(1) 确定覆盖层厚度,解,(2)计算等效剪切波速，按式（2-1）有,查表得，,235.4位于250500m/s之间，且,故属于类场地,5m,二、 可不进行抗震验算的天然地基 1. 为了简化和减少抗震设计的工作量，抗震规范规定部分建筑物可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算： (1)砌体房屋； (2)地基主要受力范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑： 一般单层厂房、单层空旷房屋； 不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋； 基础荷载与上述一般民用框架房屋相当的多层框架厂房； (3) 抗震规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。,2.2 地基的抗震验算,一、天然地基破坏极少,软弱粘性土层指7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于80、100和120kPa 的土层。,三、天然地基抗震验算,天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力按下式计算 ：,调整后的地基土抗震承载力； 地基土抗震调整系数，按下表采用； 深宽修正后的地基土静承载力特征值，按现行建筑地基基础设计规范采用,地基抗震承载力在静力设计承载力基础上调整。调整的出发点：1）地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低； 2）多数土在有限次的动载下，强度较静载下稍高。,四、天然地基的抗震承载力验算,步骤：,1.根据静力设计的要求确定基础尺寸 对地基进行强度和沉降量的核算,2.地基抗震强度验算 ：,（荷载组合；基础底面的压力取为直线分布 ）,基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值,基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值,五、天然地基的抗震承载力验算,建筑抗震设计规范规定对于高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下 基础底面不宜出现拉应力；其他建筑，基础底面与地基土之间零应力区 面积不应超过基础底面面积的15%。对于矩形底面积除，则有,2.3 液化地基判别和处理,一. 场地土的液化现象与震害,处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使有效压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性。这种现象称为液化。,液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。,唐山地震时，严 重液化地区喷水高度 可达8米，厂房沉降 可达1米。 天津地震时，海 河故道及新近沉积土 地区有近3000个喷水 冒砂口成群出现，一 般冒砂量0.1-1立方 米，最多可达5立方 米。有时地面运动停 止后，喷水现象可持 续30分钟。,液化的震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，淘空路基；沿河岸出现裂缝、滑移，造成桥梁破坏，等等。,液化的震害：,1.地面开裂下沉使建筑物产生过渡下沉或整体倾斜；,2.不均匀沉降引起建筑物上部结构破坏，使梁板等 水平构件及其节点破坏，使墙体开裂和建筑物体 形变化处开裂；,3.室内地坪上鼓、开裂，设备基础上浮或下沉。,影响场地土液化的主要因素： (1)土层的地质年代和组成：地质年代越古老，其基本性能越稳定，越不易液化；细砂较粗砂易液化等； (2)土的相对密度：相对密实程度较小的松砂由于其天然孔隙比一般较大，故相对密实程度较小的砂土容易液化； (3) 土层的埋深和地下水位深度：沙土层的埋深越大，地下水为越深，其饱和砂土层上的有效覆盖压力也越都大，就越不容易液化； (4)地震烈度和持续时间：地震烈度越高，持续时间越长，饱和砂土越易液化。,二. 液化判别与危害程度估计,1、液化判别和处理的一般原则：,1）对存在饱和砂土和粉土（不含黄土）的地基， 除6度外，应进行液化判别。对6度区一般情况 下可不进行判别和处理，但对液化敏感的乙类 建筑可按7度的要求进行判别和处理。79度时， 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判 别和处理！,2）存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类 别、地基的液化等级结合具体情况采取相应的措 施。,2、液化判别和危害性估计方法,对一般工程项目，砂土或粉土液化判别及危害程度估计可按以下步骤进行：,1）初判,以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件。,（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8 度可判为不液化；,（2）当粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分 率在7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；,（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条 件之一时，可不考虑液化影响。,地下水位深度（m），按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用,液化土特征深度，按右表采用,上覆非液化土层厚度（m），计算时应注意将淤泥和淤泥质土层扣除, 基础埋置深度（m），小于2m时应采用2m,上面判别式（db=2) 亦可用右图表示：,db2时，在du 、 dw中减去（db-2) 后再查图确定。,例1图示为某场地地基剖面图上覆非液化 土层厚度du=5.5m其下为砂土，地下水位 深度为dw=6.5m.基础埋深db=1.5m, 该场地为8度区。确定是否考虑液。,解：该场地为8度区，土的类型为砂土，查液化土特征深度2-7表知。d0=8m,du=5.5m,dw=6.5m,db=1.5m2m,取db=2m.,所以不需要考虑液化影响。,2） 细判,采用标准贯入试验判别,钻孔至试验土层上15cm处,用63.5公斤穿心锤，落距为76cm，打击土层，打入30cm所用的锤击数记作N63.5，称为标贯击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定是否会液化。,1-穿心锤 2-锤垫 3-触探杆 4-贯入器头 5-出水孔 6-贯入器身 7-贯入器靴,标准贯入试验设备,Ncr液化判别标准贯入锤击数临界值,N0液化判别标准贯入锤击数基准值，应按表2-8采用,ds饱和土标准贯入点深度(m)；,粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。,当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下20m范围内土的液化；但对本规范第4.2.1条规定可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑，可只判别地面下15m范围内土的液化。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。在地面下20m 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：,调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。,液化判别标准贯入锤击数基准值,从上式可以看出，在确定临界值Ncr时主要考虑了土层所处的深度、地下水 位的深度、饱和土的粘粒含量及地震烈度等影响场地土液化的主要因素， 其中乘项 具有3点物理意义：,使公式同时适用于饱和砂土和粉土的判别； 常数3表示 是砂土与粉土的分界线，当取 时，则上述公式退化到所砂土液化的判别式； 随着土中粘粒含量的增加，土层的相应标准贯入锤击数临界值Ncr将减小，土层越不容易液化，这就反映了粉土的液化趋势。,3. 液化场地危害程度的确定,同一烈度下，液化层的厚度愈厚，地下水位愈高，实测标准贯入锤击数与临界标准贯入锤击数相差愈大，液化愈严重，带来的危害也愈大液化指数,IlE液化指数； n在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数； Ni,Nci分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应 取临界值的数值； dii点所代表的土层厚度(m)，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标 准贯入试验点深度差的一半，但上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度； Wii土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m-1).若判别深度为15m， 当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用零值，5-15m时应按 线性内插法取值；若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等 于20m时应采用零值，5-20m时应按线性内插法取值。,根据液化指数的大小，将液化程度划分为3个等级，见表2-9。不同液化等级可能造成 的震害情况见表2-10。,表2-9液化等级,表2-10不同液化等级可能造成的震害,三、抗液化措施及选择,当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施,1、全部消除地基液化沉陷的措施应符合：,1）采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度(不包括桩尖 部分)，应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.8m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。,注：甲类建筑的地基抗液化措施应进行专门研究，但不宜低于乙类的相应要求。,2）采用深基础时，基础底面埋入深度以下稳定土层中的深度，不应小于0.5m；,3）采用加密法（如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值不宜大于相应的临界值m；,4）挖除全部液化土层；,5）采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。,振冲技术亦称为振冲法，依其加固松软土的途径、手段不同，可分为振冲挤密法和 振冲置换法或称振冲碎石桩法。振冲法是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机带动 偏心块，使振冲器产生高频振动，同时开动高压水泵，使高压水由喷嘴射出，在振 冲作用下，将振冲器逐渐沉入土中的设计深度。清孔后即从地面向孔内逐段填入碎 石。每一填石段为3050cm，不停地投石振冲，经振挤密实达到设计要求后方 提升振冲器，再填筑另一桩段。如此重复填料和振密，直到地面，由此在地基中构 成大直径的桩土共同工作的复合地基。建筑物及其承担的荷载即由地基中的碎石桩 和振密了的土体共同承担，因此，复合地基的承载力较原松软地基大为提高，而沉 降与不均匀沉降将显著地减小。,用沉管灌注桩施工设备，将管中的砂石料从管底部带有活瓣管靴的钢管沉入地下预定 深度，然后引入压缩空气，边振边提或提提停停，将管中的砂石料从管底端活门压出 并不断补充，直至形成挤密砂桩体，也可由冲击式沉管灌注桩设备施工，或不引入压 缩空气。,2、部分消除地基液化沉陷的措施应符合：,1）处理深度应使处理后的地基液化指数减少，其值不宜大于 5；大面积筏基、箱基的中心区域，处理后的液化指数可比上述规定降低1；对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。,2）处理深度范围内，应挖除其液化土层或采用加密法加固，使处理后土层的标准贯入锤击数实测值不小于相应的临界值。,3）基础边缘以外的处理宽度与全部清除地基液化沉陷时的要求相同。,注：中心区域指位于基础外边界以内沿长宽方向距外边界大于相应方向1/4长度 的区域。,1)选择合适的基础埋置深度；,5)管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。,3.减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综合考虑采用下列措施：,2)调整基础底面积，减少基础偏心；,3)加强基础的整体性和刚性，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土十字形基础，加设基础圈梁、基础梁系等；,4)减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等；,柔性接头，顾名思义是具有柔性作用的连接器，但是现实中大多是指钢质柔性接头 即卡箍式柔性接头和橡胶质柔性接头两大类。钢质柔性接头是用于可焊接管道之间 起补偿连接作用的连接器橡胶柔性接头又叫橡胶接头，橡胶软接头，可曲挠橡胶接 头等。是用于金属管道之间起挠性连接作用的中空橡胶制品，柔性接头按连接方式 分松套法兰式、固定法兰式和螺纹式3种；按结构可分为单球体、双球体、异径体、 弯球体及风压盘管等5种。,2.4 桩基的抗震验算,1、可不进行桩基验算的条件 承受竖向荷载为主的低承台桩基，当地面下无液化土层，且桩承 台周围无淤泥、淤泥质土和地基承载力特值不大于100kPa的填土 时，下列建筑可不进行桩基抗震承载力验算： 1）砌体房屋和可不进行上部结构抗震验算的建筑 2）7度和8度时的一般的单层厂房和单层空旷房屋；不超过8层且 高度在24m以下的一般民用框架房屋；与其基础荷