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CHAP2场地 地基和基础 本章要点 掌握 建筑地段选择的原则 场地类别的划分 天然地基及基础抗震验算的一般原则 液化的含义 抗液化的措施理解 场地的基本概念 液化的判别 可液化地基和软土地基的抗震措施了解 建筑地段的划分 场地引起的震害 液化的危害 2 场地场地是指工程群体所在地 在平面上大体相当于一个厂区 居民点或自然村的范围 同一类场地应具有相近的反应谱特征 CHAP2场地 地基和基础 地基地基是指建筑物范围内的那部分场地 基础基础是指直接与地基接触并向其传递荷载的建筑物的下部承重结构 一 场地 有利地段 指坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土等地段 不利地段 一般指软弱土 液化土 条状突出的山嘴 高耸孤立的山丘 非岩质的陡坡 河岸和边坡边缘 平面分布上成因 岩性 状态明显不均匀的土层 如故河道 断层破碎带 暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基 等地段 危险地段 一般是指地震时可能发生滑坡 崩塌 地陷 地裂 泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位等地段 1 地段类别 建筑物选址时 宜选择有利的地段 避开不利地段 无法避开时应采取相应的抗震措施 不在危险地段建造建筑 我国规范把建筑场地划分为三种地段 从宏观上指导设计人员合理选择场地 达到减轻震害 减小工程投资的目的 汶川大地震发生后 彭州一栋新建教学楼基础被整体抬高近3米 楼体依然屹立原地不倒 最牛教学楼 地震引起大坝破坏 台中石岗 发震断裂带上震害及其避让 乙丙类工业与民用建筑8 9度以上应避开发震断裂带200 400m 甲类专门研究 图2 2地理位置的放大作用 图2 3软土地基上房屋的震害 右图中实线A表示地基土为第三系风化基岩 虚线B表示地基土为较坚硬的粘土 地段的影响 图2 1房屋震害指数与局部地形的关系曲线 2 场地土的类型和场地类别的划分 1 影响建筑物震害的场地因素 大量震害表明 不同场地上的建筑物的震害是不一样的 其主要影响因素是场地土的刚性 即坚硬或密实程度 一般用土的剪切波速表示 大小和场地覆盖层的厚度 地面至剪切波速大于500m s的土层或坚硬土顶面的距离 软弱地基 对长周期成分放大 对短周期滤波 柔性结构易破坏 坚硬地基 对短周期成分放大 对长周期滤波 柔性结构表现较好 刚性结构表现不一 B 场地覆盖层的厚度 A 场地土的刚度 图2 4同一地震下湖泊基床 1 3 和基岩4 6 加速度对比 1 3 为覆盖层较厚的基床 4 6 为基岩 可以看出 由于老湖泊基床沉积层使得这些峰值加速度增大了5倍 场地对地震的影响 1967年委内瑞拉加拉加斯6 4级地震时 同一地区不同覆盖层厚度土层上的震害有明显差异 特别是9至12层房屋在厚的冲积土层上房屋破坏率要高得多 图2 5房屋破坏率与覆盖土层厚度的关系 土质愈软 覆盖层愈厚 建筑物震害愈严重 反之愈轻 表11985年墨西哥地震市区不同场地土的地震动参数 2 场地土类型和覆盖层厚度 场地土是指场地范围内的地基土 平面上大致相当于一个厂区或自然村的大小 深度一般为地面下15米 场地土的类型一般根据土层剪切波速按下表划分 表中 Vs为土层剪切波速 Vse为土层等效剪切波速 岩石 Vse 800m s 土层等效剪切波速 土层等效剪切波速 确定原则 剪切波从地面至计算深度各层土中传播时间相等 有 故 式中d为计算深度 其值取地面下20米且不深于场地覆盖层厚度 覆盖层厚度是指地面至坚硬土顶面的距离 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 且该层以下下卧岩土剪切波速不小于400m s时可按该层土顶面到地面距离作为场地覆盖层厚度 土层等效剪切波速的测定 对丙 丁类建筑 当无实测剪切波速资料时 亦可根据岩土状态按下表划分土的类型 并按下列原则确定场地土类型 当为多层土时 场地土类型可根据地面下20米且不深于场地覆盖层厚度范围内土层类型和厚度加权平均综合评定 3 建筑场地类别 建筑场地的类别按场地土的类型和场地覆盖层厚度划分为四类 详见下表 岩石地基Vs 800 场地类别为I0 场地覆盖层厚度 例题 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 解 1 确定地面下20m表层土的场地土类型 查表 属于中软土 2 确定覆盖层厚度 3 查表确定建筑场地类别属于 类场地 二 天然地基和基础抗震验算 1 天然地基的抗震能力 建造在天然地基上的以下建筑 多数按地基静力承载力设计的地基能满足抗震要求 规范规定可以不进行地基抗震承载力验算的建筑 1 地基主要受力层范围内不存在软弱性土层的砌体房屋 一般单层厂房 单层空旷房屋和多层民用框架房屋 不超过8层高度在24m以下 及与其基础荷载相当的多层框架厂房 2 7度和8度时 高度不超过100m的烟囱 3 规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑 软弱粘性土层主要是指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 二 天然地基和基础抗震验算 2 天然地基的抗震验算 由于在地震作用下地基变形过程复杂 目前还没有条件进行这方面的定量计算 因此规范目前只要求进行承载能力验算 对于地基变形 则通过对上部结构或地基 基础采取一定的抗震构造措施来保证 在地震作用下 为了保证建筑物的安全和正常运用 对地基而言 与静力计算一样 理应同时进行承载能力和变形验算 汶川地震基础的破坏 相邻车间地面沉降差达到30cm左右 7 8 9 安县某厂房采用不同基础导致地基的破坏 7 8 9 问题 沉降2 2米 且左右两部分存在明显的沉降差 左侧建筑物于1969年加固 墨西哥某宫殿 1 地基土抗震承载力 在地震作用下 建筑物地基土的抗震承载力与地基静承载力是有差别的 一般来说有地震作用时地基土的抗震承载力要比地基土静承载力要大 即动强度一般较静强度高 另外 从结构安全角度出发 因地震作用是偶遇的 其安全度可以小一些 故在确定地基抗震承载力时 其取值可以比地基静承载力大一些 我国和世界上绝大多数国家的抗震规范在验算地基土的抗震强度时 对于地基土抗震承载力的取值大多采取在地基土静承载力的基础上乘以提高系数的方法 xa 地基抗震承载力调整系数 见书中表2 3 1 地基土抗震承载力 地基抗震承载力调整系数 2 抗震验算 在对地震区的建筑物进行地基抗震强度验算时 作用于建筑物上的各类荷载与地震作用组合后 在地基底面所产生的压力可认为呈直线分布 其平均压力和边缘最大压力符合下列要求 式中 P 基础底面地震组合的平均压力设计值 Pmax 基础边缘地震组合的最大压力设计值 一般建筑 基础底面与地基土之间零应力区面积 不应超过基础面积的15 高宽比大于4的高层 不出现0应力区 六 地震引起的地面运动特性 地震动的主要特征可通过三个基本要素来描述 即 地震动幅值 频谱和持时 1 地震动幅值 地震动时地面运动的加速度 速度或位移的最大值 六 地震引起的地面运动特性 1 地震动幅值 场地土特征周期Tg Tg 4H VsH 为基岩以上土层厚度 Vs 为剪切波速 定义 当地震波的某个谐波分量 恰为该波穿过表层土所需时间的H Vs倍时 这个波的分量将倍放大最多 土层振动最强烈 也即发生了共振 故称为卓越周期或特征周期 结构自振周期和场地土特征周期接近时 建筑物震害将加重 故一般建筑物自振周期应避开场地土特征周期 2 地震动频谱特征 六 地震引起的地面运动特性 是指地震动对不同自振周期结构的反应特征 通常用反应谱 功率谱和傅立叶谱来表示 震级 震中距或场地条件对频谱影响较大 软土 震级大 震中距远 地震动记录的长周期分量显著 硬土地基记录包含各种频谱成分 一般短周期分量显著 3 地震动持时特性 地震持续的时间长短 强烈地震的持时对结构的破坏有重大影响 1 液化现象 三 液化地基的判别和处理 何为液化 视频 饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高在瞬间砂土呈液态 1 液化现象 三 液化地基的判别和处理 三 液化地基的判别和处理 1 液化现象 在地下水位以下的饱和砂土或粉土在地震作用下 土颗粒之间有变密 将孔隙水挤出的趋势 因孔隙水来不及排出 孔隙水压力u急剧增高 直至与总的法向压应力 重力 相等 即有效应力 u 0 土体抗剪强度等于0 砂土颗粒便成悬浮状态 形成如同液体一样 从而使场地土失去承载能力而逐渐下沉 这种现象就称为土的液化 液化后 孔隙水逐渐排出 孔隙水压力逐渐减小 土粒逐渐沉落并重新堆积排列 压力重新由空隙传给土粒承受 砂土或粉土即又达到一个新的稳定状态 液化宏观标志 地面喷水冒砂 地基不均匀沉陷 地裂滑坡 从而造成建筑物巨大沉降或严重倾斜及失稳 日本阪神地震引起的路面塌陷 由于液化引起的河道港口破坏 阪神地震中新干线的倾覆 加州沃森维尔附近的野外涌沙 液化震害 都江堰市液化引起的房屋倾斜和倒塌 中国地质科学院 绵竹市一小学喷出的砂土体积 5m3地基沉降达 20 30cm 工力所 袁晓铭研究员 36 63 都江堰市液化引起的房屋倾斜和倒塌 中国地质科学院 绵竹市一小学喷出的砂土体积 5m3地基沉降达 20 30cm 工力所 袁晓铭研究员 37 63 绵竹市 由地基土液化引起的房屋裂缝液化范围 3km 1km 工力所 袁晓铭研究员 38 63 液化震害引起地面喷水冒砂淹没农田 淤塞渠道 淘空路基 沿河岸出现裂缝 滑移 造成桥梁破坏 地基不均匀沉降 地裂滑坡等等 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 液化机理 液化对建筑物的影响 振前砂土结构 振中颗粒悬浮有效应力为零 振后砂土变密实 2 影响因素 1 地质年代 地质年代愈久的土层抗液化能力愈强 2 土的组成和密实程度 一般而言 级配良好 粘粒含量较多的粉土 粗砂 密砂等不易液化 调查表明 在我国和国外的历次大地震中 尚未发现地质年代属于第四纪晚更新世 Q3 及其以前的饱和土层发生液化 粉土是粘性土与砂类土之间的过度性土壤 其粘性颗粒 粒径小于0 005mm的颗粒 含量决定了这种土的性质 如果粘粒含量多 其力学性质就接近粘土 一般不会液化 相反粘粒含量少 则其力学特性将接近砂土 地震时就可能液化 4 地下水位 地下水位上升 液化可能性增大 日本新潟在过去300年中曾发生过25次地震 其中有3次发生过液化现象 这3次地面运动加速度都大于0 13g 而1964年地震的地面加速度达0 16g 液化现象普遍发生 多次震害调查表明 一般5 6度地区很少看到液化现象 5 地震烈度和地震持续时间 烈度越高 时间越长 越易液化 砂土 粉土 饱和度 振动是产生液化的必要条件 3 地基土液化判别 1 两阶段判别 初步判别和标准贯入试验判别 经初步判别有液化可能性时 进一步采用标准贯入试验判别 6度时 一般不考虑液化影响 2 初步判别 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不考虑液化影响 地质年代为第四纪晚更新世 Q3 及其以前时 地震烈度为7 8度时可判为不液化土 b 粉土的粘粒 粒径小于0 005mm的颗粒 含量百分率 在7度 8度和9度分别不小于10 13 和16时 海城 唐山实地液化调查 应判为不液化土 震害调查 海城 75年2月 9度唐山 76年7月 11度 砂土 地下水位dw大于6m 覆盖层du超7m粉土 地下水位dw7度大于5 0m8度大于6 0m9度大于7 0m覆盖层du大于6 0m 不液化条件 据上述调查 再留一定的安全度 则有 2 初步判别 C 采用天然地基的建筑 当其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 do db 2dw do db 3du dw 1 5do 2db 4 5式中 dw 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 du 上覆非液化土层厚度 m 计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除 db 基础埋置深度 m 不超过2m时应采用2m do 液化土特征深度 m 按表2 4 表2 10液化土特征深度d0 m 针对不考虑土层液化的覆盖层厚度条件 针对不考虑土层液化的地下水位深度条件 针对不考虑土层液化时的覆盖层厚度与地下水位深度之和所应满足的条件 2 初步判别 不考虑液化区 进一步考虑液化区 位于主要压缩层内 查液化土特征深度表 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 故需要考虑液化影响 例 4 标准贯入试验判别 标准贯入试验设备 由标准贯入器 触探杆和重63 5kg的穿心锤三部分组成 操作时 用钻具钻至试验土层标高以上15cm 先将贯入器打至标高位置 然后在锤的落距为76cm的条件下 打入土层30cm 记录锤击数为N63 5 凡初步判为可能液化 应采用标准贯入试验进一步确定其是否液化 4 标准贯入试验判别 静力触探试验判别 4 标准贯入试验判别 判断范围 地面下20m深度范围内 其临界锤击数 No 液化判别标准贯入锤击数基准值 按表2 5采用 ds 饱和土标准贯入点深度 m dw 地下水位深度 m rc 饱和土的粘粒含量百分率 当rc 3或为砂土时 取rc 3 b 调整系数 设计地震第一组0 8 第二组0 95 第三1 05 当N63 5小于标准贯入锤击数时 可判为液化土 N63 5 Ncr 砂土 粉土 临界值Ncr主要考虑土层所处的深度 地下水位深度 饱和土的粘粒含量及地震烈度等影响土层液化的主要因素 引入物理意义 使公式同时适用于饱和砂土和粉土的判别 常数3表示 c 3是砂土与粉土的分界线 当 c 3时取 c 3 则上述公式退回到砂土液化的判别公式 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将减小 土层越不易液化 这就反映了粉土的液化趋势 表2 11标准贯入锤击数基准值N0 4 标准贯入试验判别 5 液化指数和液化等级 在判别为可液化或需要考虑液化影响后 应进一步做液化危害程度的定量分析 通常 根据液化指数来划分液化等级 液化指数 n 每个钻孔标准贯入试验点的总数 Ni Ncri 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 当只需判别15m范围以内的液化时 15m以下的实测值可按临界值采用 di 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 但上界不小于地下水位深度 下界不大于液化深度 i i点土层考虑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 当为5 20m时 应按线性内插法取值 确定di dsi和wi的示意图 液化指数 层越厚 埋越浅 危害性越大 di wi体现 Ni与Ncri相差越大 危害性越大 液化等级 根据液化指数 液化等级可分为轻微 中等 严重 表2 12液化等级 液化等级与相应的震害 1 全部消除地基液化沉陷措施 可采用桩基 深基础 土层加密法或挖除全部液化土层等措施 具体要求 P46 2 部分消除地基液化沉陷措施 一般包括加固和挖除部分液化土层等措施 处理深度可浅些 具体要求 P46 3 减轻液化影响的措施 a 选择合适的基础埋置深度 b 调整基础底面积 减小基础偏心 c 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 基础连系梁等 d 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 e 管道穿过建筑处应留足够尺寸或采用柔性接头等 三 地基抗液化措施 三 地基抗液化措施 4 地基抗液化措施选择原则 表2 7抗液化措施选择原则 四 地基的抗震加固 1 换土垫层法 3 强夯法 6 沙井预压法 7 地基加固处理方法的选择优选天然地基方案 其次加强上部结构 再次地基加固处理 2 重锤夯实法 5 深层挤密法 4 振动水冲法 液化变形灾害 液化本身不可怕 液化引起的变形大于某个允许值才是真正的灾害如在大操场上 上面没有构造物 也没有人活动时 液化无法造成灾害但如果有构造物 液化就会产生了变形 因此变形才是真正的灾害液化引起的变形是主要研究目标 因此控制液化的震害 实质上就是液化变形的发展 63 63 饱和砂土液化大变形控制措施 四 地基的抗震加固 振动水冲法 振动水冲法 填土增加盖重示意图