建筑结构抗震设计地基基础抗震设计课件

５地基基础抗震设计地基基础包括基础结构、支承桩和作为建筑物持力层的地基土层。地基在地震作用下的稳定性对基础结构乃至上部结构的内力分布是比较敏感的，因此确保地震时地基基础始终能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震剪力以及倾覆力矩而不发生过大的沉降和不均匀沉降，是地基基础抗震设计的基本要求。1５．１地基基础抗震设计原则及要求在地震作用下，建筑物的破坏机理和过程是一个十分复杂的综合问题，进行精确的抗震设计是比较困难的。汶川地震震害尤其表明了这一点。２０世纪７０年代以来，人们在总结大地震灾害经验中提出了“概念设计”，即除必要的计算外，更重要的是概念设计，包括场地选择、合理的规划布局及结构体系、正确的材料使用及构造措施等。2１）选择对抗震有利的建筑场地在地震区选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况及场地工程地质、水文地

质的资料，对场地做出综合评价。应调查建筑场地范围内有无断裂通过，是否为活动断裂，并应评价其对建筑物产生的影响。必要时，还应对断裂带进行专门的勘察工作。应尽可能选择对抗震有利的地段，避开不利地段，不得在危险地段进行建设。34２）加强基础与上部结构的整体性加强基础与上部结构的连接，能增加建筑物的稳定性，减轻其振动。对钢筋混凝土结构、钢结构等整体性较好的结构，一般无需特殊的整体性措施。对砌体结构，可采取如下措施：①对一般砖混结构，不宜采用油毡防潮层，而应采用防水砂浆；②在内外墙下室内地坪标高处加一道连续闭合的基础梁。5３）加强地基基础的抗震性能出现因地基失效而导致上部结构破坏的地基，一般为液化地基、易震陷的软黏土地基或不均匀地基；大量的一般性地基是具有较好的抗震能力的。（１）合理加大基础的埋置深度加大基础埋深可增强地基土对建筑物的嵌固作用，从而减少建筑物的振幅。所以在条件许可时，基础应尽量埋深一些，若能结合建造地下室加深基础则更好。6（２）选择合理的基础类型不同基础类型，其抗震性能不同，通过对震害的大量调查，取得如下资料以供参考。①桩基础。一般的低承台桩基础，具有足够抗水平剪力的能力，抗震性能良好。②箱形基础、筏板基础和带地下室基础。③钢筋混凝土柱下独立基础。④砖石条形基础。砖石条形基础作为一种刚性基础，其抗震性能不及桩基、箱基和筏基等，但在一般条件下仍有足够的抗震能力。7地基是指建筑物基础下面受力层范围内的土层。对历史震害资料的统计分析表明：一般土层地基在地震时很少发生问题，地基破坏或沉降等原因造成的建筑震害在一般平原地区仅建筑破坏总数的一小部分，但在山区由于地基原因造成上部建筑物破坏的比例相对较高。一般造成上部建筑物破坏的主要是松软土地基和不均匀土地基，对砂土液化、软土震陷和不均匀土地基沉降等给上部结构带来的破坏是不能忽视的，因为地基一旦发生破坏，震后修复加固是很困难的，有时甚至是不可能的。５．２地基抗震验算8５．２．１天然地基的震害特点因地基失效造成的基础或上部结构震害，称为地基震害，包括滑坡、地裂、液化及震陷等。１）滑坡滑坡、山崩及泥石流是地震时常见的地基破坏现象，其原因主要是在地震加速度作用下产生附加惯性力，使边坡滑楔下滑力增大，同时抗滑的内摩擦力降低，这两个不利因素均可能造成边坡失稳。9图５．１汶川地震中的滑坡震害10２）地裂地震时还常常在地面产生裂缝，即地裂。根据产生的机理不同，地裂缝可分为构造性地

裂和非构造性地裂。构造性地裂起自地壳深部断层错动，裂缝一般延至地面，这种地裂往往出现于震中区。非构造性地裂则是与地震滑坡引起的地层相对错动有关，多发生在河谷地区、河漫滩、低级阶地前缘地带、古河道的河岸部分、滨海淤泥质土的坑边等。图５．２给出地震中的地裂现象。11图５．２地震中的地裂12３）液化饱和松散的砂土和粉土在地震的强烈振动下趋于密实，导致孔隙水压力迅速升高，有效应力减小，当土体完全丧失其抗剪强度时，土体呈现液体状态，这种现象称为液化。地基土发生液化的宏观标志是：地面喷砂冒水，地面下陷，建筑物产生不均匀沉降甚至倾斜失稳，地下轻型构筑物如水池、地下罐等则可能上浮。13图５．３地基土液化14４）震陷地震引起的地面沉陷称为震陷。此现象往往发生在软土、松散砂类土、不均匀地基及人工填土中。软土受振动后因触变而强度剧降，产生附加下沉；饱和散砂粪土振动液化后，造成地面巨大沉陷或不均匀沉降。对严重不均匀地基（如半挖半填地带，有古河道、暗藏沟坑的地带及明显软硬不匀的地层），往往会加剧震陷及不均匀沉降而发生较重的震害。15５．２．２地基抗震验算１）不需要进行天然地基基础抗震验算的建筑房屋震害调查统计资料表明，建造于一般土质天然地基上的房屋，遭遇地震时极少（不到

１０％）因地基承载力不足或较大沉陷而引起上部结构破坏。鉴于这种情况，为简化地基基础抗震验算的工作量，《抗震规范》规定以下建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：16图５．４汶川地震中的震陷17①规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。②地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑：ａ．一般的单层厂房或单层空旷房屋；ｂ．砌体房屋；ｃ．不超过８层且高度在２４ｍ以下的一般民用框架和框架抗震墙房屋；ｄ．基础荷载与ｃ相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。18２）地基土抗震承载力除上述无需进行地基及基础抗震承载力验算的建筑外，其余建筑都需进行地基及基础的抗震承载力验算。对地基进行抗震验算，首先需要计算地基土的抗震承载力。震害调查表明，在坚硬或中硬场地土上，甚至在中软或软弱场地土上，未做抗震设防的建筑的地基和基础，当经历中等强度地震甚至强烈地震时，很少发生地基及基础震害，即使发生破坏，其破坏程度也较上部结构破坏小得多。1920３）地基土抗震验算需要进行地基及基础抗震验算的建筑物，一般先根据静力设计的要求确定基础尺寸，并对地基进行强度和沉降量的核算，然后进行地基抗震强度验算。21图５．５地基基础抗震验算22５．３．１液化土地基地震时，饱和松散的砂土或粉土（饱和指土的孔隙中充满了水，一般地下水位以下的土才

可能成为饱和土，不含黄土）的颗粒在强烈振动下发生相对位移，微小颗粒趋于压密，颗粒间

孔隙水来不及排泄，受到挤压使孔隙水压力急剧增加，当孔隙水压力上升到与土颗粒所受到的总的正压力接近或相等时，土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失，土颗粒普遍形同“液体”一样处于悬浮状态。５．３不良地基抗震设计及其防治23①地面开裂下沉使建筑物产生过度下沉或整体倾斜；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型变化处开裂；③室内地坪上鼓、开裂，设备基础上浮或下沉。24图５．６地基土液化造成的震害25１）影响场地土液化的因素震害调查和室内试验表明，影响场地土液化的因素主要有下列６个方面：（１）土层的地质年代，地貌单元地质年代的新老意味着土层沉积时间的长短，较老的沉积土层，经过长期的固结作用和不断的压密及沉积间断时期的水化学作用，土层除密度增大外，还往往具有一定的胶结与紧密作用。26（２）砂土的类型、密实程度，粉土中的黏粒含量细砂和粗砂比较，由于细砂的渗透性较差，地震时易于产生孔隙水的超压作用，故细砂较

粗砂更易于液化。密实程度较小的松砂，由于天然孔隙比ｅ一般较大，构成土层液化的水头

梯度临界值一般较小，故易于液化；而密实程度大的砂土不易液化。粉土是黏性土和砂类土之间的过渡性土壤，黏粒含量越高，土的性质越接近于黏性土，土体颗粒之间由于摩擦而产生的正应力越大，越不容易液化。27（３）土层的埋置深度一般来说，地震剪应力随深度的加大不如土的自重应力随深度的增长来得快，所以浅土层液化的可能性比深土层要大。土层埋深越大，土层上的有效覆盖应力越大，土层就越不容易液化，当砂土层上面覆盖着较厚的黏土层，即使砂土层液化，也不致发生冒水喷砂现象，从而避免地基产生严重的不均匀沉陷。28（４）地下水位深度土层的完全饱和是发生液化的必要条件，地下水位越深，使饱和砂土层上的有效覆盖应力加大，则土层就越不容易液化。一般来说，地下水位低于地表下１０ｍ的地区，不具备发生液化的条件。（５）历史地震情况试验表明：砂样预先经受振动的历史可能因先期振动的强度不同而使它变得对液化更加敏感或比较不敏感。29（６）地震强度和地震持续时间对于可能液化的土层，从外部条件而言，液化现象通常出现在烈度为７度以上的地震中。已有资料表明，能使土层发生液化的振动持续时间一般都在１５ｓ以上。地震烈度越高和地震持续时间越长，饱和砂土越易液化。30２）液化的判别《抗震规范》规定，地面下２０ｍ深度范围内存在饱和砂土和饱和粉土时，当抗震设防烈度为６度时，一般可不进行液化判别和地基处理，但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按７度的要

求进行判别和处理；当抗震设防烈度为７～９度时，应进行液化判别，应根据建筑物的抗震设

防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。31（１）初步判别初步判别地基土液化的指标有地质年代、抗震设防烈度、粉土的黏粒含量、非液化土层厚

度和地下水位深度等。符合下列条件之一时，饱和的砂土或粉土（不含黄土）可判别为不液化

或可不考虑液化影响：32①地质年代为第四纪晚更新世（Ｑ３）及其以前时，７度、８度时可判为不液化。此处所指的地质年代必须有建筑场地地基土的年代测试数据，不能利用小比例尺第四纪地质图。②粉土的黏粒（粒径小于０．００５ｍｍ的颗粒）含量百分率ρｃ（按质量计，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），７度、８度和９度分别不小于１０％、１３％和１６％时，可判为不液化土。33③浅埋天然地基，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合式（５．５）、式（５．６）、式（５．７）之一时，可不考虑液化影响。3435（２）标准贯入试验判别当饱和砂土和粉土按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；对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。36图５．７某标准贯入试验现场及标准贯入试验设备37①为判别液化而布置的勘探点不应少于３个，勘探孔深度应大于液化判别深度。在初勘阶段判别场地液化与否时，液化判别孔应适量增加，可考虑在控制性钻孔中做液化试验；②在需做判别的土层中，试验点的竖向间距宜为１．０～１．５ｍ，每层土的试验点数及黏粒试验数据不宜少于６个。383940３）液化地基的评价经过上述两步判别认为地基土确实存在液化趋势后，应对存在液化土层的地基探明各液化土层的深度和厚度，通过定量分析，评价液化土可能造成的危害程度，评价采用的方法是计算每个钻孔的液化指数，综合划分地基的液化等级。414243图５．８权函数Ｗｉ44４）液化地基的抗震措施我国学者在总结了国内外大量震害资料的基础上，经过长期研究，并经大量实践工作的校正，提出了较为系统而实用的液化防治措施。对于液化地基，要根据建筑物的重要性、地基液化等级，针对不同情况采取不同的措施。

当液化土层比较平坦、均匀时，可依据表５．１１选取适当的抗液化措施。4546（１）全部消除地基液化沉陷的措施全部消除地基液化沉陷的措施有采用深基础、地基加固处理、地基置换三类方法，具体要

求如下：①采用桩基础时，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，坚硬黏性土和密实粉土该长度不应小于０．８ｍ，对其他非岩石土不宜小于１．５ｍ。②采用其他深基础时，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。47③采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）加固时。④挖除全部液化土层，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。这种措施适用于液化土层较薄、埋藏较浅的情况，以及挖去可液化土层后分层回填砂石或灰土等非液化土，并逐层夯实。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。48（２）部分消除地基液化沉陷的措施部分消除地基液化沉陷的措施主要是对地基进行加固处理。具体要求如下：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。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液化判别时的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消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，如增厚上覆非液化土层的厚度和改善周边的排水条件等。49（３）减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施①选择合适的基础埋深，使天然地基的持力层有较大的刚度；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度，如采用箱基、筏基、钢筋混凝土交叉条形基础加设基础圈梁等；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

匀沉降敏感的结构形式等；⑤管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采用柔性接头。50５．３．２其他不良地基不良地基除上述液化土地基外，还有以下几种：１）软弱黏性土地基软弱黏性土的特点是压缩性较大，抗剪强度小，承载能力低。由这种类型土构成的持力层在地震时引起的附加荷载与经常承受的荷载相比相当可观，可能会使基础底面组合应力超过地基容许承载力，使地基发生剪切破坏。51２）杂填土地基杂填土地基一般是人类任意堆填而成的，由于其组成物质杂乱，堆填方法不同，结构疏松，厚薄不一，因此均匀性很差，承载力低、压缩性高，而且一般具有浸水湿陷性。３）不均匀地基不均匀地基一般位于有故河道、断层破碎带、暗埋的沟坑边缘、山坡坡角和半挖半填地带、土岩交界地段以及其他在成因、性质或状态上明显不均匀的地段。52５．４．１天然浅基础的抗震验算地震区的建筑物，首先根据静力设计的要求确定基础尺寸，并对地基进行强度和沉降量的核算；然后，根据需要进行进一步的地基抗震强度验算。基础的抗震验算，采用“拟静力法”进行，即假定地震作用如同静力作用，根据地基抗震验算所得的基础底面应力分布，按照基础类型，进行基础的抗弯、抗剪及抗冲击的验算。５．４基础抗震验算53５．４．２桩基的抗震验算１）可不进行桩基抗震验算的条件全部消除地基液化沉陷的有效措施之一是采用桩基，因此桩基的抗震设计是深基础抗震设计的重要内容。①砌体房屋和规范规定可不进行上部结构抗震验算的房屋。②７度和８度时的下列建筑：ａ．一般的单层厂房和单层空旷房屋；ｂ．不超过８层且高度在２４ｍ以下的一般民用框架房屋；ｃ．基础荷载与ｂ．项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋