结构抗震设计第02章课件

第二章场地、地基和基础1场地指建造工业与民用建筑物的建筑场地，如一个厂矿区、居民小区或自然村等。己有的震害资料表明，场地地质条件不同，地震时建筑物的破坏程度明显不同。因此，工程实际中要求对场地进行选择。尽可能地选择对建筑物抗震有利的场地，从而达到减轻地震灾害，减小工程投资的目的。2.1场地2有利地段：指稳定基岩、坚硬土或开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等。一般地段：不属于有利、不利和危险的地段不利地段：指软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）等。危险地段：指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及发震断裂带上可能发生地表错位的部位。2.1.1地段类别的划分3选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。42.1.2.1建筑场地的地震影响（1）将地震波传给结构滤波作用、放大作用

坚硬场地上的刚性建筑物震害较大

软弱场地上的柔性建筑物震害较大总的趋势：软弱地基上建筑物的破坏比坚硬地基上建筑物的破坏严重（2）地基失效可能引起上部结构的破坏2.1.2土类型和场地类别的划分5放大作用：表层越软β越大滤波作用：阻尼，高频剪切波在2层地基中的传播Vs/Vs0=1/4h=0.00Vs/Vs0=1/2h=0.00Vs/Vs0=1/2h=0.05场地的卓越周期HVSVS0β62.1.2.2场地土类型对浅层岩土分类时，一般应根据现场的实测波速值来确定，尤其是对于重要建筑物更应如此。而对于丁类建筑和丙类建筑中层数不超过10层，高度不超过24m的多层建筑，当无实测剪切波速时，也可参考地基承载力特征值等来划分土的类型。岩石：υs＞800m/s坚硬土或软质岩石：800m/s≥

υs＞500m/s中硬土：500m/s≥υs＞250m/s中软土：250m/s≥υs＞140m/s软弱土：υs≤140m/s789计算深度d0是取地面下20m，且不深于场地覆盖层厚度的范围。等效剪切波速成层土场地：土层等效剪切波速102.1.3建筑场地类别抗震规范按照表土的类型和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑场地分为Ⅰ～Ⅳ四种类别，其中I分为I

0与I

1两个亚类。112.1.4发震断裂带的震害和避让措施发震断裂带附近地表，在地震时可能产生新的错动地震震级愈高，影响愈大覆盖层厚度愈大，影响愈小平原、丘陵地区比山区小抗震规范规定：下列情况可不考虑1）抗震设防烈度＜8度2）非全新世纪活动断裂2）抗震设防烈度为8度、9度,覆盖层厚度分别大于60m，90m12132.1.5局部孤突地形的震害影响条状突出的山嘴高耸孤立的山丘非岩质的陡坡河岸和边坡边缘由宏观震害调查结果表明：位于局部孤立突出的地形，如孤立的小山包或山梁顶部的建筑，其震害一般均较平地上同类建筑为重。位于非岩质地形的建筑物又较岩质地基震害严重。通过强震观测和理论分析也证实了上述结论。所以房屋选址时应尽可能地避开上述地段。14烈度为9度烈度为8度烈度为7度1974年云南昭通地震，芦家湾某村坐落于山梁上，山梁长150m，顶部最宽15m，最窄5m，高60m。距震中18km。经分析突出端部的最大加速度为0.632g,鞍部为0.257g，大山根部为0.431g。15当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。其值应根据不利地段的具体情况确定，在1.1---1.6范围内采用。161）高突地形距离基准面的高度H愈大，高处的反应愈大；2）离陡坎和边坡顶部边缘的距离L1增大，反应相对减小；3）在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大；4）高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明显减小；5）边坡愈陡（H/L愈大），其顶部的放大效应相应加大。局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数可根据H、L、L1及土质决定，有研究成果。172.2天然地基和基础抗震验算2.2.1天然地基的抗震能力多数天然地基具有较好的抗震性能，根据地基静力承载力设计的地基能够满足抗震要求，抗震规范规定了以下建筑物可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算。（1）地基主要受力范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑；①一般单层厂房、单层空旷房屋；②砌体房屋；③不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋；④基础荷载与上述一般民用框架房屋相当的多层框架厂房。（2）抗震规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。182.2.2天然地基的抗震验算（1） 动强度>静强度（2） 可靠度指标降低－－调整后的地基抗震承载力（kPa）－－地基抗震承载力调整系数(1.0~1.5)－－深宽修正后的地基承载力特征值19岩土名称和性状ζa岩石，密实的碎石土，密实的砾、粗、中砂，fak≥300的粘性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、精、中砂，密实和中密的细、粉砂，150≤fak＜300的粘性土和粉土,坚硬黄土1.3稍密的细、粉砂，100≤fak＜150的粘性土和粉土，可塑黄土1.1淤泥，淤泥质土，松散的砂，杂填土，新近堆积黄土及流塑黄土1.0地基抗震承载力调整系数地基和基础的抗震验算，一般采用的是所谓的“拟静力法”，即假定地震作用如同静力作用，然后验算地基的承载力和稳定性。抗震规范规定，20基础底面的平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求：天然地基地震作用下的竖向承载力验算限制过大的偏心荷载：高宽比大于4的高层建筑，要求底面不出现零应力区；一般房屋零应力区不应超过基础面积的15％。212.3液化地基的判别与处理2.3.1土体液化现象饱和砂土和粉土在地震时容易发生液化现象。地震引起的振动使得饱和砂土或粉土趋于密实，导致孔隙水压力急剧增加。在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效应力减小，当有效应力完全消失时，砂土颗粒局部或全部处于悬浮状态。此时，土体抗剪强度等于零，形成有如“液体”的现象，即称为“液化”。22如某一深度处砂土层产生液化时，液化区的水头压力比上部高，迫使水向上涌向地表，使上层土体受到自下而上的动水力。若水头梯度达到或超过临界水头梯度，上层土体的有效应力也将等于零，构成“间接液化”。砂土液化的宏观标志是：冒水喷砂，地面下陷，建筑物产生巨大沉降和严重倾斜，甚至失稳。土层的液化还会引起其他一系列震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，路基被淘空，有的地段产生很多陷坑；河堤是裂缝和滑移；桥梁的破坏等。23砂土液化24影响地基液化的主要因素（一）（1）土层的地质年代地质年代越古老的饱和砂土越不容易液化。（2）土的组成和密实程度颗粒级配良好的土不容易液化；松砂比密砂容易液化；细砂比粗砂容易液化；粉土中粘性颗粒越少越容易液化。25影响地基液化的主要因素（二）（3）液化土层的埋深随着液化砂土层埋深增大，砂土层上的有效覆盖应力增大，就不容易产生液化。（4）地下水位深度随着地下水位的上升，液化的可能性就越高（5）地震烈度和持续时间地震烈度越高，越容易发生液化；

地震动持续时间越长，越容易发生液化。262.3.2地基土的液化判别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。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。27二阶段液化判别原则：

初步判别根据地震烈度、地质年代、粘粒含量、地下水位与非液化土覆盖层厚度等地基液化的影响因素进行初步判断

标准贯入试验判别试验工作量较大28《抗震规范》，对饱和的砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响。（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前，7度和8度时可判为不液化。（2）粉土的粘粒含量（粒径小于0.005mm颗粒）的百分率，7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。用于液化判别的粘粒含量系采用六偏磷酸钠作分散剂测定，采用其他方法时应按有关规定换算初步判别29（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：du——上覆非液化土层厚度（m）dw——地下水位深度（m）db——基础埋置深度（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)不考虑液化影响区须进一步判别区砂土7度8度9度1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区粉土7度9度8度地下水位深度、上覆非液化土层厚度与土液化的关系上面判别式（db=2)亦可用下图表示，db＞2时，在du

、dw中减去（db-2)后再查图确定。31标准贯入试验判别规范规定：当饱和砂土、粉土的初判认为需要进一步液化判别时（即初判时，四个条件有一项及以上不符时又需要进一步判别时）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；但对规范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。32标准贯入锤击数临界值在地面下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：

—饱和土标准贯入点深度（m)式中：

—液化判别标准贯入锤击数临界值；

—地下水位（m)33—地下水位（m)—液化判别标准贯入锤击数基准值，按下表采用。—粘粒含量百分率，当小于3或是砂土时，应采用3。—调整系数，设计地震第一组取0.8，第二组取0.95，第三组取1.05。34标准贯入试验钻孔至试验土层上15cm处，用63.5kg的穿心锤，落距为76cm，打击土层，贯入器打入土中15cm后，开始记录每打入10cm的锤击数，累计打入30cm的锤击数记作N63.5，为标准贯入锤击数。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35液化指数前面判别式给出的结果，只能判定是否液化，不给出液化危害的程度。因此也就无法做出满意的工程判断。为了设计出经济合理的建筑，有必要对液化的危害程度做出定量分析。采用液化指数，能定量反映了土层液化的可能性大小和液化危害的轻重程度。液化强度比：液化指数：3637权函数值

Wi的值沿深度由大到小变化，反映了液化土层离地表越近，危害程度越大的规律。38液化等级按液化场地的液化指数大小，将场地划分为轻微、中等和严重三个液化等级。液化指数严重中等轻微液化等级39液化等级和对建筑物的相应危害程度液化等级地面喷水冒砂情况对建筑物的危害情况轻微地面无喷水冒砂，或仅在洼地、河边有零星的喷水冒砂点危害性小，一般不致引起明显的震害中等喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm严重一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不允许的倾斜401964年日本新泻地震，因砂土液化造成一幢四层公寓大楼连同基础倾斜了80°411、地基抗液化措施选择原则地基抗液化措施应根据建筑物的重要性和地基的液化等级，并结合当地的施工条件、施工方法和施工工艺等具体情况予以确定。对于液化土层较为平坦且均匀的情况，可参照表2.8选择地基抗液化措施。表中所列举措施分别为：（1）——全部消除地基液化沉降的措施，如采用桩基、加大基础埋置深度、深层加固至液化层下界，挖除全部液化土层等。（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层等；处理后地基的液化指数应不大于5；（3）——基础和上部结构处理，一般指减小不均匀沉降或使建筑物较好适应不均匀沉降的措施。（4）——可不采取措施。2.3.3地基抗液化措施42抗震设防类别地基的液化等级Ⅰ（轻微）Ⅱ（中等）Ⅲ（严重）甲类专门研究专门研究专门研究乙类（2）或（3）（1）或（2）+（3）（1）丙类（3）或（4）（3）或（2）（1）或（2）+（3）丁类（4）（4）（3）或更经济的措施表2.8地基抗液化措施选择原则431、全部消除地基液化沉陷的措施应符合：1）采用桩基时，桩端深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应小于1.5m；2）采用深基础时，基础底面埋入液化深度以下稳定土层不小于0.5m；443）采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界；振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数的实测值应大于相应的临界值；4）用非液化土替换全部液化土层，或增加上覆非液化土层的厚度；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。452、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；对独立基础与条形基础，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）采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于规范规定的液化判别标准贯入锤击数临界值；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。4）采取减小液化震陷的其他方法，如增加上覆非液化土层的厚度和改善周边的排水条件等。464、减轻液化影响的基础和上部结构处理措施（1）选择合适的基础埋置深度；（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、基础系梁等；（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型式等；（5）管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等，以防止管道的损坏。471、换土垫层法2、重锤夯实法3、强夯法4、振动水冲法5、深层挤密法6、砂井预压法2.4地基基础的抗震加固482.5桩基抗震2.5.1桩基的抗震验算桩基础的抗震性能普遍优于其他类型的基础。针对承受竖向荷载为主的低承台桩基，同时地面以下无液化土层，且桩承台周围无淤泥、淤泥质土和地基承载力特征值不大于100kPa的填土的情况，《抗震规范》规定了可不进行桩基抗震承载力验算的范围：49（1）砌体房屋；（2）《抗震规范》规定可不进行上部结构抗震验算的建筑；（3）设防烈度为7度和8度时的下列建筑；①一般单层厂房、单层空旷房屋；②不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋；③基础荷载与上述一般民用框架房屋相当的多层框架厂房。50对于不满足上述各条件和建筑物的桩基础，一般应进行抗震验算。与天然地基抗震验算相同，桩基抗震验算时也应该考虑地震作用下承载能力提高的有利因素。然而地震作用下桩基承载能力提高的幅度有多大，不仅与地基土的性质有关，而且还与桩基类型、沉桩工艺、桩顶与承台的连接嵌固情况以及承台四周的回填情况等多种因素有关。合理地确定桩基承载力提高系数要比天然地基更加困难。作为一种近似，同时为了方便使用，《抗震规范》规定：单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%。51当考虑桩基承受水平地震荷载效应的验算时，涉及到桩和承台（包括地下室）分担比问题。目前有以下三种处理方法：（1）由桩承担全部地震水平力；（2）由地下室外的土抗力承担全部水平力；（3）由桩、土共同分担水平力（分担比由经验公式或用有限元法等计算）。522.5.2液化地基上低承台桩基的验算采用桩基是消除和减轻地基液化危害的有效措施之一。然而，液化地层中的桩基承载力的计算与非液化化地层有很大的不同，需要考虑地层液化后对桩支承作用减小的因素。液化地基上桩基的验算，一般应分两种工况进行。也就是要分析桩基在地震期间和地震之后两种情况下的工作状态。53工况1，即地震期间在地震期间，桩基不但要承受原有的竖向荷载，而且还要承受地震作用产生的新增荷载。然而土层的液化又使得承载力大大降低，《抗震规范》规定了液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力影响折减系数（见表2.9）。地震期间液化土层中低承台桩基的具体计算是：（1）考虑地震荷载下地基承载力的提高，先将静力荷载下的单桩竖向承载力提高25%；（2）地震时液化土层的桩周摩阻力乘以表2.9中的系数，由桩承担上部建筑传来的竖向荷载和全部地震力，来验算桩基的竖向承载力和桩身的强度。