Chapter3场地地基和基础.ppt

第三章 场地、地基和基础,工程地质条件对震害的影响 场 地 地基及基础的抗震验算 地基土的液化 地基抗液化措施及处理,3.1 工程地质条件对震害的影响,局部地形条件的影响 局部地形条件对地震时建筑物的破坏有较大影响,局部地质构造的影响断层危险 局部地质构造主要是指断层发震断层、非发震断层,工程地质条件对地震破坏影响很大烈度异常现象,地段选择 1.选择有利地段； 2.避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施； 3.不在危险地段建设。,水边地的地下水位较高，土质也较松软，容易在地震时产生土壤滑动或地层液化。,山坡地在地震时会产生土壤滑动,用另外的土石來填补地基，常有土壤密实度不足情形，导致建筑物在地震时产生倾斜、沉陷。,冲积地的土质松软，地震时容易塌陷，如果此处有地下水层，还容易发生液化。,临近悬崖， 容易滑落,谷地或低地，这里的建筑物容易在地震发生时，受土石崩塌破坏。,萨尔瓦多地震引发了一巨大的泥石流，数百户人家被埋在泥石里，1200多人遇难,地 裂,局部突出地形的影响,1994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。,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。,烈度为9度,烈度为8度,烈度为7度,1. 高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈大； 2. 离陡坎和边坡顶部边缘的距离大，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，其顶部的放大效应相应加大。,地下水位的影响 地震时，地下水位对建筑物危害程度的影响与水位深浅和地基土的类别有关。 水位浅破坏重 水位深度5m，无明显影响 对软弱土层（如粉砂、细砂、淤泥质土） 地下水影响最大 对粘性土地下水影响稍差 对碎石、角砾 地下水影响较小,3.2 场 地,基本概念 场 地 是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1平方公里的平面面积。（GB50011-2010第2.1.8条） 场地土 场地范围内的地基土。 土,同一烈度区内，场地土质条件不同，震害不同 软弱地基与坚硬地基相比： 自振周期长、振幅大、振动持续时间长、土不稳定、易液化 土结相互作用更明显，增大结构周期，改变振型 场地土层的组成不同，对震害影响也不同,图3-1 房屋破坏率与土层厚度关系,建筑物震害除与地震类型、结构类型等有关外，还与其下卧层的构成、覆盖层厚度密切相关。,一般而言，房屋倒塌率随土层厚度的增加而加大，软弱场地上建筑物震害一般重于坚硬场地。 岩层中的地震波具有多种频率成分。其中，在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期，称为地震动的卓越周期。 由于土层的过滤特性与选择放大作用，地表地震动的卓越周期很大程度上取决于场地的固有周期。 当建筑物固有周期与地震动的卓越周期接近时，建筑物振动会加大，震害加重。 多层土的地震效应主要取决于三个基本因素：覆盖土层厚度、土层剪切波速、岩土阻抗比。其中，岩土阻抗比主要影响共振放大效应，其他两者则主要影响地震动的频谱特性。,场地类别,考虑到地震作用下不同场地条件对结构振动响应的影响，建筑抗震设计规范将场地划分为IIV四种类别。 场地类别反映了地震情况下场地的动力效应。 决定场地类别的主要因素是覆盖层厚度和土层等效剪切波速,3.2.1 覆盖层厚度,覆盖层厚度是指地表面至地下基岩面的距离。所谓基岩界面是地震波传播途径中的一个强烈的折射与反射面，此界面以下的岩层振动刚度要比上部土层的相应值大很多。 工程中，当下部土层剪切波速达到上部土层剪切波速2.5倍，且下部土层中没有剪切波速小于400m/s的岩土层时，该下部土层可视作基岩。 深部土层的剪切波速往往难以取得。,关于场地覆盖层厚度： 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。 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。 剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体应视同周围土层。 土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层扣除。 覆盖土层厚度越大，震害越严重。,3.2.2 土层等效剪切波速,场地土的刚性一般用土的剪切波速表示，剪切波速是土的重要动力参数，反映了场地的动力性能。,土层的平均剪切波速计算公式：,se土层等效剪切波速(m/s)； d0计算深度（m），取覆盖层厚度和20m二者的较小值； t 剪切波在地面至计算深度之间的传播时间; di 计算深度范围内第i 土层的厚度(m); si 计算深度范围内第i 土层的剪切波速(m/s); n 计算深度范围内土层的分层数。,对于不超过10层和高度不超过24m的丙类建筑及丁类建筑，当无实测剪切波速时，可以根据岩土名称和性状，按GB50011-2010表4.1.3划分土的类型，再利用当地经验在该表的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。,GB50011-2010表4.1.3 土的类型划分和剪切波速范围,注：fak地基承载力特征值(kPa)；vs为岩土剪切波速。,场地类别 建筑的场地类别，根据土层的平均剪切波速和场地覆盖层厚度划分为四类，其中的I类又分为I0为I1亚类。,GB50011-2010 表4.1.6 各类建筑场地的覆盖层厚度（m）,例：已知某建筑场地的钻孔土层资料如表所示，试确定该建筑场地的类别。,2. 确定覆盖层厚度 d063m 3. 确定建筑场地类别 查表，属于类场地,解： 1. 计算地面下土层的等效剪切波速,容易产生震害的天然地基：,1.高压缩性饱和软粘土和承载力较低的淤泥质土在地震中产生 不同程度的震陷，造成上部结构的倾斜或破坏； 2. 杂填土、回填土和冲填土等松软填土地基，土质松软且承载 力较低，易产生沉陷，使结构开裂； 3. 沟、坑、古河道、坡地半挖半填等非匀质地基在地震中的不 均匀沉降或地裂缝引起上部结构破坏。,3.3 地基及基础的抗震验算,地基是指建筑物基础下面受力层范围内的土层。 一般土层地基在地震时很少发生问题。造成上部建筑物破坏的主要是松软土地基和不均匀地基。因此应根据土质不同采用不同的处理方案。,相应的抗震措施,1. 软弱粘性土地基：采用桩基，地基加固 2. 杂填土地基：换土夯实；地基加固 3. 不均匀地基：综合建筑体型、荷载、烈度、结构类型等采取 合理的结构布局和地基抗震措施,地基加固处理方法 换土垫层法 重锤夯实法 挤密桩法 沉井预压法,特点: (1) 在静力条件下具有一定的承载能力 (2)在地震时会全部或部分丧失承载力，或产生不均匀沉陷 (3) 前两类震害不能用加宽基础，加强上部结构等措施克服，应采用地基处理，如置换、加密、强夯等，或采用桩基等深基础,下列建筑可不进行地基基础抗震承载力验算： 1.地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建 筑： 1)一般的单层厂房和单层空旷房屋； 2) 砌体房屋; 3) 不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋； 4) 基础荷载与3)项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房 屋。 2. 建筑抗震设计规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。 注: 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。,天然地基抗震承载力验算 地基抗震承载力,地基抗震承载 力静承载力,faE 调整后的地基抗震承载力设计值； s 地基抗震承载力调整系数，与土的性质有关； fa 宽深修正后的地基土静承载力特征值。,有限次动载作用下，多数 土的强度较静载下稍高,地震是偶然荷载, 安全度 适当减小,原因,在静承载力上乘以大于1的系数： faE=sfa,方法,验算公式 验算天然地基地震作用下竖向承载力，按地震作用效应标准组合的基础底面压力(可认为呈直线分布)应符合下列要求： 平均压力：p faE 边缘压力：pmax1.2faE p 地震作用效应标准组合的基础底面平均压力; pmax 地震作用效应标准组合的基础边缘的最大压力; 注：高宽比4的高层建筑，地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其它建筑: 基础底面零应力区面积15%总基础面积。,桩基础抗震承载力验算 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征值100kPa的填土时，下列建筑可不进行桩基抗震承载力验算： 1.建筑抗震设计规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑 和砌体结构房屋。 2. 7度和8度时的下列建筑： 1) 一般的单层厂房和单层空旷房屋； 2) 不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋； 3) 基础荷载与2)项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房 屋。,非液化土中低承台桩基的抗震验算要求 1. 单桩竖向和水平向抗震承载力设计值，可比静载时提高25%; 2. 当地下室埋深大于2m时，桩所承担的地震剪力按下式计算：,V0上部结构的底部水平地震剪力（kN）； V 桩承担的地震剪力（kN）； 0.9V0 时取0.9V0； H 建筑的地上部分高度； df 基础埋深。,存在液化土层的低承台桩基抗震验算要求 1. 不宜计入承台侧面土抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用； 2. 当桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土层或非软弱土层时，可按下列二种情况进行桩的抗震验算，并按不利情况设计： 1) 桩承受全部地震作用，桩承载力按非液化土层桩基取用，液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力均应乘以表4.4.3的折减系数。,表4.4.3 土层液化影响折减系数,2) 地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用，桩承载力仍按非液化土层桩基计算，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。,地基基础抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来共同保证其抗震能力的。 1）同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上； 2）同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基； 3）地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性； 4）根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶段上的工作状态。,液化的概念 定义 地震时，饱和砂土或粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移，颗粒结构有压密的趋势，当其本身渗透能力较小，短时间内孔隙水排泄不走而受到挤压，孔隙水压力急剧增加，当孔隙水的压力增加到与剪切面上的法向压应力接近或相等时，砂土或粉土受到的有效压应力下降乃至丧失，土颗粒局部或全部处于悬浮状态。此时，土体的抗剪强度等于零，形成有如液体的现象。这种现象称为“液化”。,3.4 地基土的液化,土体液化模型,液化的概念 砂土液化现象 宏观表现：地表喷砂冒水,砂土液化是地下水位高的松散砂质沉积地基常见的震害现象。,唐山地震时，严重液化地区喷水高度达 8 米，厂房沉降达 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。,液化使建筑物产生下列震害： 1. 地面开裂下沉使建筑物产生过度下沉或整体倾斜。 2.不均a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。,建筑抗震设计规范GBJ500112010 对液化土的规定,4.3.2 地面下存在饱和砂土和饱和粉土时，除6度外，应进行液化判别；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。 （为强制性条文）,影响地基土液化的因素 地质年代 地质年代越久的土层，抵抗液化能力越强。 土层土粒的组成和密实程度 细砂比粗砂更容易液化，密实度小的土更容易液化 土层埋置深度和地下水位深度 埋深越大，地下水位越深，就越不容易液化 地震烈度和地震持续时间,地基土液化的判别 饱和土液化的判别一般分两步进行，即初步判别和标准贯入试验判别。,地质年代 地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及以前的土层，7、8度时可判为不液化。 （沉积时间长、具有胶结紧密结构、固结度和密实度好）,初步判别 经初步判别定为不液化或不考虑液化影响，则可不进行标准贯入试验判别,地质年代,土中粘粒含量 粘粒：粒径0.005mm，土的粘聚力增大 粉土内粘粒含量百分率超过某一限值（7度、8度和9度分 别不小于10、13和16）时，可判为不液化。,上覆非液化土层厚度和地下水位深度 上覆非液化土层厚度 地震时能抑制可液化土层喷水冒砂的厚度。 非液化层构成,堆积5年以上 地基承载力100kPa,天然地层 人工填土层,从第一层顶面算至地表,当覆盖层中夹有软土层时对抑制喷水冒砂作用很小，且其本身在地震中很可能发生软化现象，该土层应从覆盖层中扣除。,可不考虑液化影响的适用范围（满足条件之一即可）: 上覆非液化土层厚度条件：du d0+db-2 地下水位深度条件： dw d0+db-3 两者之和应满足条件: du +dw 1.5d0+2db-4.5 dw地下水位深度(m)，宜按设计基准期内年平均最高水位采用， 也可按近期内年最高水位采用； du 上覆盖非液化土层厚度(m)，计算时宜扣除淤泥和淤泥质土层； db 基础埋置深度(m)，不超过2m时应采用2m； d0 液化土特征深度(m)，见右表。,例 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=6m，基础埋深db=2m,该 场地为8度区。确定是否考 虑液化影响。,解：按判别式确定,查液化土特征深度表,因此，需要考虑液化影响。,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,对于初判不属于不考虑液化的情况，可采用标准贯入试验进一步细判。,当饱和液化土的标贯击数N63.5的值小于Ncr值时，判为液化，否则判为不液化。,标准贯入试验,-地下水位深度（m),-饱和土标准贯入试验点深度（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，均应取3,表4.3.4 液化判别标准贯入锤击数基准值N0,-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。,液化场地危害程度（液化指数液化等级震害情况）,-判别深度内每一个钻孔标准贯入试验点总数,-分别为第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取临界值,-i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，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；,-i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m-1)。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，520m 时应按线性内插法取值。,液化指数,液化地基等级的评价,根据液化指数，按GBJ50011-2010表4.3.5确定液化等级,液化等级与相应的震害,表4.3.5 液化等级与液化指数的对应关系,3.5 地基抗液化措施,根据建筑类别和地基液化等级查表选择处理措施,全部消除地基液化沉陷措施，应符合： 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。 采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度不应小于0.5m。,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不宜小于规范规定的液化判别标准贯入