2场地、地基与基础《建筑抗震知识》

建筑抗震知识 2场地 地基与基础 本章的重要概念 有利地段 不利地段 危险地段 发震断裂带的影响 地形的影响 场地固有周期计算方法 场地滤波效应 场地类别判定方法 地基抗震承载力验算方法 场地土液化产生的震害 影响液化的主要因素 场地土液化的判别方法 液化指数 抗液化措施 鞍山烈士山小学向上小学同一套图纸烈士山解放路 类 类破坏严重基本完好说明问题 场地条件不同 震害不同 坚硬场地 不一定对所有的建筑物都有利 第二章场地 地基和基础 2 1 1场地地段划分发震断裂带的影响浅源地震 地表裂开 地面建筑物多遭破坏 活动断层附近是地裂缝的密集区 是危险地段 设计时应避开 只有9度及9度以上高烈度区 设计时才考虑 8度及8度以下不考虑 4 1 8当需要在条状突出的山嘴 高耸孤立的山丘 非岩石的陡坡 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 其地震影响系数最大值应乘以增大系数 其值可根据不利地段的具体情况确定 但不宜大于1 6 2 1场地 2 1 1场地地段划分3 3 1选择建筑场地时 应根据工程需要 掌握地震活动情况 工程地质和地震地质的有关资料 对抗震有利 不利和危险地段作出综合评价 对不利地段 应提出避开要求 当无法避开时应采取有效措施 不应在危险地段建造甲 乙 丙类建筑 3 3 2建筑场地为I类时 甲 乙类建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施 丙类建筑应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施 但抗震设防烈度为6度时仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施 2 1场地 2 1 1场地地段划分3 3 3建筑场地为 类时 对设计基本地震加速度为0 15g和0 30g的地区 除本规范另有规定外 宜分别按抗震设防烈度8度 0 20g 和9度 0 40g 时各类建筑的要求采取抗震构造措施 2 1场地 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 2 1 1场地地段划分3 3 4地基和基础设计应符合下列要求 同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基 地基为软弱粘性土 液化土 新近填土或严重不均匀土时 应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响 并采取相应的措施 2 1场地 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 2 1 1场地地段划分 2 1场地 表4 1 1有利 不利 和危险地段的划分 局部地形的影响王前信著 工程抗震三字经 地震出版社 1997 孤突地灾趋重凹陷处待研中一 建筑物场地的地震影响 软弱地基 柔性结构易破坏 刚性较大的结构破坏较轻 坚硬地基 刚性结构易破坏 而柔性结构破坏较轻 软弱夹层地基 唐山地震时 几栋砖房没倒 只开裂 钻孔发现地基有一软弱夹层 起到隔震作用 但还不能得出结论 有待于进一步研究 amax比平地大 放大或缩小尚不清楚 二 场地土层的固有周期与场地的地震效应1 场地土层的固有周期场地土的固有周期是场地的最重要的特性 如何求场地的自振周期 用剪切质点系模型土柱 MiKi ihi 1m a t 基岩 其中 层土的密度 层土的厚度 层土的剪切模量 其中的第一周期 T1 叫场地的基本周期 实际计算时用实用方法 如雅克比法 迭代法等 土层具有非线性特性 计算时土层的刚度应做适当调整 对于单一的均匀土层 自振周期对于多层土 基本周期的近似算法 土层vs H 基岩 vsihi 基岩 土层越软 自振周期越长 土层越硬 自振周期越短 计算结果表明 如果土层中含有硬夹层 基本周期减小 且越靠近底层 减少越明显 如果土层中含有软夹层 基本周期增大 且越靠近底层 增大越明显 2 场地的地震效应场地自振周期Ta t 由许多频率成分组成有些成分与T接近被放大了 与T相差较大的成分 被削弱 即 滤波效应 基岩a t 地表a t t 2 1 2场地土类型的划分4 1 2建筑场地的类别划分 应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 规定 先确定场地土层的等效剪切波速 再根据场地覆盖层厚度 将场地划分为 类 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 2 1 2场地土类型的划分土层的等效剪切波速Vse 土层等效剪切波速d0 计算深度 m 取覆盖层厚度和20m二者的较小值t 剪切波在地表至计算深度之间的传播时间di 计算深度范围内第i层土的厚度 m Vsi 计算深度范围内第i层土的剪切波速n 计算深度范围内土层的分层数 2 1 3 1等效剪切波速根据等效剪切波速场地土类型分4类坚硬场地土中硬场地土中软场地土软弱场地土 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 2 1 3场地类别划分 2 1 3 2场地覆盖层厚度震害调查表明 场地覆盖层厚度不同 地表上的建筑物破坏程度不同 我国的抗震规范对场地覆盖层的定义如下 一般情况下 应按地面至剪切波速大于500m s的土层顶面距离确定 当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速的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 应视为刚性 其厚度应从覆盖土层中扣除 场地类别 抗震规范规定 根据场地土层的等效剪切波速和场地覆盖层厚度 将建筑场地划分为 类 见下表4 1 6 4 1 6各类建筑场地的覆盖层厚度 m 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 4 1 7场地内存在发震断裂时 应对断裂的工程影响进行评价 并应符合下列要求 对符合下列规定之一的情况 可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响 抗震设防烈度小于8度 非全新世活动断裂 抗震设防烈度为8度或9度时 前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m 对不符合本条1款规定的情况 应避开主断裂带 其避让距离不宜小于表4 1 7对发震断裂最小避让距离的规定 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 表4 1 7发震断裂的最小避让距离 m 2 1 4主断裂带避让距离 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 4 1 8当需要在条状突出的山嘴 高耸孤立的山丘 非岩石的陡坡 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 其地震影响系数最大值应乘以增大系数 其值可根据不利地段的具体情况确定 但不宜大于1 6 2 1 4主断裂带避让距离 2 3天然地基的震害特点及其抗震措施天然地基 不需要处理而直接利用的地基 震害调查表明 天然地基的震害较轻 说明天然地基有较大的安全储备 尽管震害较轻 但一旦发生破坏 难以修复 所以还是不能忽视 一 天然地基的震害 饱和软粘土 淤泥质土 强度低 高压缩性 地震时易导致建筑物倾斜 沉陷 造成房屋不能使用 松软填土地基土质较松 强度低 地震时导致结构开裂 海城地震时 就有这方面的震害现象 不均匀地基引起不均匀沉降 导致结构破坏 二 天然地基的抗震措施 软弱粘性土地基压缩性大 抗震强度小 承载力低 易发生剪切破坏 设计时合理选择地基容许承载力 保证有足够的安全储备 如果觉得危险 可采用桩基 杂填土地基土质结构松散 均匀性很差 强度低 压缩性高 浸水湿陷性 最好全部挖除 再用好土分层碾压 二 天然地基的抗震措施 不均匀地基尽量避开 无法避开 结构布局应合理 地基加固处理方法对于各种软弱地基 常用的方法是换土垫层法 它造价低 施工方便 建筑的荷载不太大时 可采用将基底下的软弱土挖除 回填强度高 压缩性低材料 中粗沙 碎石 卵石 石屑 矿渣 对于杂填土等松软地基 还可采用重锤夯实法 但当地下水位至地表小于0 8米或夯实深度内有饱和软土层时不宜采用此法 对于松散土 杂填土 可液化土 后面要讲 荷载影响较深时 可采用挤密桩法 硬壳 中粗砂 桩管 挤密作用 1 桩管打入土层振密作用 2 振捣置换作用 3 灌砂 拔管排水作用 加速软粘土固结 深层加固方法 砂井预压法 适用于大型建筑物的地基处理 粉土淤泥质粘土使土的空隙体积减小 更密实 硬壳 中粗砂 桩管 使粘土地基的孔隙水排出 强度更高 粉土 淤泥质土 还有一些地基处理方法 原排水 2 2地基基础抗震验算2 2 1可不进行天然地基及基础抗震承载力验算的建筑 验算范围 5 1 1各类建筑结构的地震作用 应符合下列规定 一般情况下 应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算 各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担 有斜交抗侧力构件的结构 当相交角度大于15 时 应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用 质量和刚度分布明显不对称的结构 应计入双向水平地震作用下的扭转影响 其他情况 应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响 8 9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑 应计算竖向地震作用 砌体房屋 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 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2 相当的多层框架厂房 抗震规范规定的可以不进行上部结构验算的建筑 以上情况都可以不进行地基抗震验算 除此之外 要进行抗震验算 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 在震害调查中发现 只有少数结构物因地基破坏导致结构损坏 一般只限于液化地基 所以抗震规范建议 2 2地基基础抗震验算2 2 1可不进行天然地基及基础抗震承载力验算的建筑 验算范围 5 1 6结构抗震验算 应符合下列规定 6度时的建筑 建造于IV类场地上较高的高层建筑除外 以及生土房屋和木结构房屋等 应允许不进行截面抗震验算 但应符合有关的抗震措施要求 6度时建造于IV类场地上较高的高层建筑 7度和7度以上的建筑结构 生土房屋和木结构房屋等除外 应进行多遇地震作用下的截面抗震验算 注 采用隔震设计的建筑结构 其抗震验算应符合有关规定 2 2 2地基土抗震承载力的调整地震荷载的特点 动荷载 不规则的多次脉冲荷载 几十次 原有的静荷载的基础上 加上动荷载 注 8 9度时采用隔震设计的建筑结构 应按有关规定计算竖向地震作用 一般情况下 土层的动强度比静强度高 另外 由于地震的偶然性和短暂性 从经济 工程造价 上考虑 地基的可靠度可以降低一些 因此 在进行地基的抗震验算时 地基的承载力 在静力设计值的基础上乘大于1的调整系数 即 faE afa其中 fa 地基的承载力特征值faE 调整后的地基抗震承载力 a 地基抗震承载力调整系数 见表2 4 根据不同的土质 采用不同的值 FI 1 2 三 地基土抗震承载力验算 P 基底地震组合平均压力设计值Pmax 基底边缘地震组合的最大压力设计值 2 3液化土和软地地基1964年日本新泻地震 7 4级 有大量的房屋倾斜 破坏 人们开始研究砂土液化问题 1964年美国的阿拉斯加地震 7 9级 美国人也开始注意这个问题 1975年辽宁省海城地震 遇到了砂土液化的震害 1976年河北省唐山地震 又遇到了砂土液化的震害现象 一 场地土的液化现象场地土的液化 饱合砂土和粉尘 地震前由土和孔隙水共同承担压力 饱合土 地震时 土的颗粒被压密 孔隙水压力急剧增加 土颗粒承担的压力将减少 当法向压应力完全由孔隙水承担时 则土颗粒处于 悬浮 状态 场地土达到液化 此时地基处于液体状态 失去承载能力 增大减小土粒处于 悬浮 状态 用公式表示 共同承受 场地土液化产生的震害 1 建筑物下沉或倾斜 2 不均匀沉降导致上部结构破坏 3 室内地坪隆起 开裂 设备基础上浮或下沉 影响场地土液化的因素 1 土的组成细砂容易液化 粗砂不易液化 级配好的砂土不容易液化 级配不好易液化 粉土 介于砂土和粘土之间 中粘粒的含量越多 越不易液化 2 相对密度相对密度大 密实 不易液化 相对密度小 松散 易液化 3 砂土层埋置深度和地下水位深度砂土层越深 地下水位越深 则越不易液化 4 地震烈度和持续时间 高烈度 持时长越易液化 二 场地土液化的判别方法抗震规范规定 对于6度区 一般可不考虑场地土液化问题 但对于乙类建筑物 按7度考虑 7度 9度区乙类建筑按原烈度考虑 抗震规范规定 对于场地土的液化判别分二步进行 1 初步判别判别根据 土层地质年代 粉土中的粘粒含量 上覆非液化土层厚度 地下水位深度 首先判别是否需要考虑液化问题符合下列条件之一者可不考虑液化问题 1 地质年代为第四纪晚更新世 Q3 及其以前 7度和8度时 2 粉土中的粘粒含量7度大于10 粉土中的粘粒含量8度大于13 有专门的测定方法9度大于16 3 天然地基 上覆土层 非液化土 和地下水位深度符合下列条件之一者 可不考虑液化du do db 2dw do db 3du dw 1 5do 2db 4 5du 上覆非液化土层深度 m 计算时淤泥和淤泥质土层扣除 do 液化土特征深度 m 见表2 6 有具体规定 土的类别 烈度有关 db 基础埋置深度 m 小于2m时取2dw 地下水位深度 m 表2 6液化土特征深度 m 如果以上条件 1 2 3 均不满足 则进一步判别 2 标准贯入实验判别现场实验 标准贯入设备 先讲一下判别公式液化土 N63 5 标准贯入实验锤击数实测值Ncr 标准贯入实验锤击数临界值ds 饱和砂土或粉土标准贯入点深度 m c 粘粒含量百分比 小于3或砂土 取3NO 标准贯入实验锤击数基准值表2 7标准贯入锤击数基准值 液化土 标准贯入实验 76cm 15cm ds 触探杆 锤垫 穿心锤 A N63 5 穿心锤重63 5kg贯入深度为30cm时 相应的锤击数N63 5NO 标准贯入实验锤击数基准值特定条件下 ds 3m dw 2m c 3 实测的锤击数 括号中是修正系数 液化层深度 地下水位深度 粘粒含量 三 液化场地的危害性分析与抗液化措施液化地基的主要危害是使建筑物产生不均匀沉降 喷砂 N63 5比Ncr小得越多 则液化越严重 对建筑物的危害越大 定义一个比值同一标高的液化土F值越大 土层液化越严重 这个公式只能判别一个土层的液化程度 对于一个场地 如何评价它的液化程度 用液化指数来评价 n 判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数 Ni Ncri 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 取Ni Ncri 点所代表的土层厚度 m 上界不能小于地下水位深度下界不大于非液化深度 Wi 权函数 层位影响 i di 15m 20m 以内 wi 10 5 15m 20m 求得液化指数后 可以判断场地土的液化程度抗震规范将场地土的液化程度划分为三个等级轻微液化喷砂可能性小震害很轻中等液化喷砂可能性大建筑物开裂严重液化喷砂严重建筑物倾斜 倾倒例题2 280钻孔资料见表2 9 确定场地的液化等级 解 1 计算Ncri 两层液化土层 2 计算Fi 3 计算di 4 计算权函数wi 5 计算液化指数 结论 严重液化 抗液化措施 根据建筑物的重要性 地基的液化程度 等级 可按表2 9中的规定采取措施 表2 9抗液化措施 表2 9根据建筑物的重要性 液化等级规定了相应的处理措施全部消除液化沉陷 计算确定 深基础 非液化土层 50cm 加密法 非液化土全部挖除 要求 桩尖应深入液化层下的稳定土层 深入长度由计算确定 还有具体规定 采用其它深基础时 基底埋入液化层以下稳定土层深度不小于50cm 处理深度应在液化土层以下 处理后 将液化土层全部挖除 部分消除地基液化沉陷要求 处理后场地液化指数小于4 判别深度15m 或5 判别深度20m 独立基础 条形基础 处理深度 液化土特征深度和基础宽度的较大值处理深度范围内 挖除液化土层或挤密 处理后 基础选择合理的埋深 减少基础偏心 加强基础的整体性 箱基 筏基 加圈梁 增大上部结构的整体刚度 合理设置沉陷缝 采取抗液化措施应注意的几个问题 前面讲的各种措施不适用于倾斜场地 轻微液化 一般不做特殊处理 甲 乙类建筑物除外 中等液化 尽量采用构造措施 不做土层处理 经济 易实施 液化层很深的场地 要求部分消除液化沉陷的措施时 处理深度不一定要达到液化下界 一般处理范围6 10米深 从经济上考虑 未经处理的液化层不能作为天然地基的持力层 基础和上部结构处理 2 6桩基抗震验算震害调查表明 桩基楚的抗震性能比天然地基好 抗震规范规定某些建筑物的桩基抗震承载力可不验算 并规定了低承台桩在非液化土及液化土层中的抗震验算原则 一 可不进行桩基抗震承载力验算的建筑低承台桩基 以竖向荷载为主 地下无液化土层 桩承台周围无淤泥 淤泥质土和地基承载力不大于100Kpa填土 下列建筑 1 砌体结构和可不进行上部结构抗震验算的建筑 2 7度和8度的下列建筑 一般的单层厂房和单层空旷房屋 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 项相当的多层框架厂房 二 桩基的抗震验算原则1 非液化土中低承台桩基的抗震验算验算桩基时 单桩的竖向和水平向的抗震承载力特征值 可比非抗震设计提高25 当承台周围的回填土夯实后 其干密度不小于 建筑地基基础设计规范 对填土的要求时 可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用 但不计入承台底面与地基土间的摩擦力 2 存在液化土层的低承台桩基抗震验算 对一般的浅基础 不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震的分担作用 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 可按以下两种情况进行桩的抗震验算 并取不利情况进行设计 第一种情况 桩承受全部地震作用 桩承载力仍按上述非液化土中低承台桩基抗震验算规定取用 另外 液化土