《工程结构抗震设计》课件 第2章场地地基和基础抗震

2023年第2章场地、地基和基础抗震工程结构抗震设计工程地质条件对震害的影响概述1场地对震害的影响地基基础抗震验算23456地基液化对震害的影响桩基抗震设计2.1概述场地：工程群体的所在地，其在平面上大体相当于厂区、居民点、自然村或不小于1.0km2的区域范围。地震作用下，场地下的土层，双重作用。

地震波传播介质，将地震动传给结构物；结构物的地基，具有一定承载力和稳定性。建筑物的震害按照破坏性质可以分成两大类：

一类震害是由上部结构振动破坏引起的;

另一类建筑物的震害是由地基失效引起的。地面振动可使地基土丧失稳定，发生砂土液化或软土震陷，引起结构倾斜倒塌。地基失效是由于地基产生过大位移引起的结构破坏，属静力作用。

2.2.1局部地形条件的影响震害表明：局部孤突地形对地震有放大作用，震害加重。

1920年宁夏海原地震，位于渭河河谷的姚庄烈度为7度，相距2km的牛家庄，坐落在100m的黄土山梁上，烈度9度。

1975年辽宁海城地震高差58m的两个测点，加速度差1.84倍。1994年云南昭通地震，芦家湾山梁长150m，顶宽15m。一端高60m，一端高50m，中间呈鞍状，较高端部的最大加速度0.632g,（9度）鞍部为0.257g（7度），较低端部为0.431g（8度）。烈度9度烈度8度烈度7度2.2工程地质条件对震害的影响

震害调查表明，建筑物破坏与地形、地貌、断层等局部地质条件，以及土质、土厚等场地条件有关。

影响高突地形地震反应的因素和趋势：

1.高突地形距离基准面的高度愈大，地震反应愈大；

2.边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大；

3.高突地形顶面建筑物离陡坎和边坡顶部边缘的距离近，反应相对较大；

4.在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大。

现行《抗震规范》规定：对突出的山嘴、高耸的山丘、陡坡等不利地段，考虑高突地形放大系数，对设计地震动参数加以放大。局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数

λ——局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数;α

——局部突出地形地震动参数的增大幅度，见表2.2。ξ

——附加调整系数，见表2.1;L1/H＜2.52.5≤L1/H＜5L1/H≥5ξ1.00.60.3

表2.1附加调整系数ξ表2.2局部突出地形地震影响系数的增大系数α突出地形的高度H(m)非岩质地层H<55≤

H<1515≤H<25H≥25岩质地层H<2020≤

H<4040≤

H<60H≥

60

局部突出台地边缘侧向平均坡降（H/L

）H/L<0.300.10.20.30.3≤

H/L<0.60.10.20.30.40.6≤

H/L<1.00.20.30.40.5H/L≥

1.00.30.40.50.62.2.2局部地质构造的影响

断裂带分为：

发震断裂非发震断裂

（1）发震断裂：具有潜在地震活动的断裂，多与地震活动有关，地震时,发震断层可能出现很大的错动,建筑物严重破坏。（2）非发震断裂：与地震活动无关，建筑物震害未见加重。无需避让。

《抗震规范》规定：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：

1）抗震设防烈度小于8度；

2）非全新世（1.1万年）活动断裂；

3）抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪（250万年）基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m。

若不符合上述情况，发震断裂最小避让距离应满足规定。发震断裂最小避让距离(2010抗规)烈度建筑抗震设防类别甲乙丙丁8专门研究200m100m—9专门研究400m200m—2.2.3地下水位的影响

地下水位对建筑物的震害有明显影响（1）水位越浅，震害越严重地下水位深度在5m以内时，震害影响最明显（2）地下水位的影响程度与地基土的类型相关软弱土影响最大，粉砂、细砂、淤泥质土等；粘性土影响次之；坚硬土影响最小，碎石、角砾、卵砾石等

地下水位对震害的影响需要针对不同土质加以考虑，例如松软的砂土，地下水位高，会引起地基液化。2.3场地对震害的影响2.3.1场地条件对震害的影响场地条件对建筑物震害影响的主要因素：（1）场地土的土质（2）场地覆盖层的厚度1.不同土质上的震害分析

场地土由硬到软，房屋震害由轻到重，场地土软，柔性房屋、高层建筑破坏重。

震害现象：

1964年日本新潟地震，软土地基上木结构震害重于砖结构。

1985年墨西哥地震，软土上164栋高层倒塌或濒临倒塌。

力学观点：场地土软硬对地面运动有影响，地基土软，自振周期长（T＝4H/v），地面振幅大，振动持时长，震害重。场地土软硬对地基稳定变形有影响，软弱地基残余变形大，易产生不均匀沉降，地基液化。

2.不同土厚上的震害分析不同覆盖层厚度上的建筑物，其震害表现明显不同。

震害现象：

1967年委内瑞拉加拉加斯6.5级地震中，在冲积层厚度超过160m的地方，高层建筑破坏率很高；而建造在基岩和浅冲积层上的高层建筑，大多数无震害。

1976年唐山地震中也出现过类似的现象，即建筑物的震害随覆盖层厚度的变薄而减轻。

力学观点：场地土厚薄对地面运动有影响，地基土厚，土的自振周期长，与高层房屋共振，柔性结构震害重。场地土厚薄对地基变形有影响，地基土薄，持力层残余变形小，不均匀沉降小。结论：（1）软弱厚土上柔性结构易坏，刚性结构表现较好；（2）坚硬薄土上刚性结构有加重趋势，表现不一，柔性结构表现较好；（3）基岩上刚性结构和柔性结构普遍较轻；（4）坚硬地基结构破坏，软弱地基结构或地基破坏。总趋势：软弱厚土地基上建筑物破坏比坚硬薄土地基上建筑物破坏要重。

2.3.2场地土类型场地土：场地范围内浅层岩土，平面同场地，剖面地下20m。

场地土类型：按浅层岩土的软硬程度划分，取决于土的刚度，土的剪切刚度与剪切波速有关，按土的等效剪切波速划分。

土的等效剪切波速：（地下20m,不深于覆盖层，平均波速）式中：υse——土层等效剪切波速(m／s)；

d0——计算深度(m)，取覆盖层厚度和20m两者较小值；

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)；

υsi

——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。

《抗震规范》规定：取地面下20m深度，且不大于覆盖层厚度范围内土层平均性质，根据土的等效剪切波速分为5类。土的类型土层剪切波速范围(m/s)岩石υs＞800坚硬土800≥υs＞500中硬土500≥υse＞250中软土250≥υse＞150软弱土υse≤150

对丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过24m的多层建筑，无实测剪切波速，可根据岩土名称和性状划分。土的类型岩土名称和性状岩石坚硬、较硬且完整的岩石坚硬土破碎和较破碎的岩石或软和较软的岩石，密实的碎石土中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，

fak>150的黏性土和粉土，坚硬黄土中软土

稍密砾、粗、中砂，除松散外细、粉砂，fak≤150的黏性土和粉土，fak

＞130的填土，可塑新黄土软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的黏性土和粉土，fak≤130的填土，流塑黄土

注：fak地基承载力特征值(kPa)。土的类型划分和剪切波速范围划分土的类型岩土名称和性状土层剪切波速范围(m/s)岩石坚硬、较硬且完整的岩石υs＞800坚硬土破碎和较破碎的岩石或软和较软的岩石，密实的碎石土800≥υs＞500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak>150的黏性土和粉土，坚硬黄土500≥υse＞250中软土

稍密砾、粗、中砂，除松散外细、粉砂，fak≤150的黏性土和粉土，fak

＞130的填土，可塑新黄土250≥υse＞150软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的黏性土和粉土，fak≤130的填土，流塑黄土υse≤150

注：fak地基承载力特征值(kPa)；υs为岩土剪切波速。2.3.3场地覆盖层厚度：绝对的：从地面到基岩顶的距离，日本大于500m/s，美国大于820m/s，当基岩。相对的：相邻两土层波速比大于某一值，如2或2.5，当基岩。《抗震规范》，场地覆盖层厚度的确定：1.从地面至坚硬场地土顶的距离，坚硬场地土包括基岩和其他剪切波速大于500m/s的坚硬土；2.剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，不得作为基岩，应视同周围土层；3.土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。4.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，且其下卧土层的剪切波速不小于400m/s时，取地

面至该土层顶面的距离。2.3.4场地类别划分

场地类别：既考虑浅层岩土刚度——场地土类别；又考虑深层土的影响——覆盖层厚度。根据土层剪切波速和场地覆盖层厚度按地震作用效应划分。各类建筑场地的覆盖层厚度(m)岩石的剪切波速或土的等效剪切波速(m/s)场地类别Ⅰ0Ⅰ1ⅡⅢⅣυs＞8000800≥υs＞5000500≥υse＞250＜5≥5250≥υse＞150＜33～50＞50υse≤150＜33～1515～50＞802.3.5场地选择选择场地时，应对拟建场地作出评价。《建筑抗震规范》把建筑场地划分为建筑物抗震有利、不利、一般和危险地段。在选择建筑场地时：

选择抗震有利的地段；慎用抗震一般的地段；

避开抗震不利的地段；不得在抗震危险地段建造工程。地段类别地质、地形、地貌有利地段稳定基岩，坚硬土，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软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，陡坡，陡坎，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（含故河道、断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黄土，地表存在结构性裂缝等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、混石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位2.4地基基础抗震验算2.4.1地基不验算的范围

震害表明：只有少数房屋是由地基失效而导致上部结构破坏；大量的一般性建筑，地基具有良好的抗震性能，导致房屋破坏在平原大多是可液化地基、震陷软土地基；在山区液化层和不均匀地基。

《抗震规范》规定：非软弱粘性土层上的下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：（1）砌体房屋；（2）一般的单层厂房；单层空旷房屋；(原因)（3）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结构；（4）基础荷载与民用相当的多层框架厂房和抗震墙结构。

2.4.2天然地基在地震作用下的抗震验算地基极限承载力：土体处于极限平衡状态，如果超载，地基急剧变形，土体发生剪切破坏。地基容许承载力：不发生长期不稳定变形，过大差异沉降，具有一定安全储备的承载力。1.地基土抗震承载力：地基静承载力静载长期作用：塑性残余变形大，产生相同的变形，承受的荷载小。动载短期作用：弹性变形小，来不及塑性变形，产生相同的变形，承受的荷载大

。地基抗震承载力从控制地基变形的角度，确定地基承载力：从控制地基变形的角度：

地基动载承载力大于静承载力；从地基土试验结果：低周反复荷载作用下，地基土的动强度一般大于静强度，提高的幅度随土质变化，

①土质越好提高幅度越大；

②粘性土提高幅度大于无粘性土；

③软土由于絮状结构受扰，动强度略低于静强度。从结构安全性的角度：地震偶遇作用，安全度可低些，地基土抗震承载力取值可高些。

基于以上三因素，大多数国家，采用地基承载力调整系数，将地基承载力予以提高。《抗震规范》规定，地基土抗震承载力按下式计算：式中：faE——调整后的地基抗震承载力；

ζa——地基抗震承载力调整系数，应按下表采用；

fa——深宽修正后的地基承载力特征值。

岩土名称和性状ζa岩石，密实碎石土，密实的砾、粗、中砂，fak≥300的黏性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂，150kPa≤，fak＜300kPa的黏性土和粉土，坚硬黄土1.3稍密的细、粉砂，lOOkPa≤fak＜150kPa的黏性土和粉土，可塑黄土1.1淤泥，凇泥质土，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

考虑地震作用的荷载组合，求出基础基底反力。认为基底反力呈直线分布，满足下列要求：2.地震作用天然地基的抗震验算地基Pmax基底压力分布bb’NMV式中：p——地震作用效应组合的基础底面平均压力；

Pmax——地震作用效应组合基础边缘最大压力。(2.5)(2.6)

《抗震规范》规定：

对于高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其他建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。

限制地震作用下过大的基础偏心荷载

b′——矩形基础底面受压宽度；

b——矩形基础底面宽度。

Pmax基底压力分布bb’NMV(2.7)2.5地基液化2.5.1砂土液化机理及影响液化的因素1.砂土液化机理饱和松软的砂土和粉土，在周期地震作用下，孔隙水压力逐步上升，抵消有效正应力，使土颗粒处于悬浮状态，土体完全失去抗剪强度，而显示出近于液体的特性。这种现象称为液化。(2.8)S——砂土抗剪强度；σ

——剪切面上总正应力；

μ——空隙水压力；φ

——内摩擦角。

液化后：孔隙水逐渐排出，孔隙水压逐渐降低，土颗粒重

新堆积，达到新的稳定。砂土抗剪强度：

唐山地震时，液化地区喷砂冒水，厂房沉降可达1m。天津地区海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口出现。

2011新西兰基督城遭遇地震砂土液化，车辆轮胎下陷。

砂土液化：饱和砂土在地震作用下丧失抗剪承载力所致。

1966年6月16日，日本新澙7.1级地震出现普遍的砂土液化，造成公寓楼地震后缓慢倾斜，几乎平卧地面，而无结构损坏。1999年台湾集集7.6级地震，台中港砂土液化造成房屋倾斜。

影响场地土液化的因素：

(1)土层的地质年代地质年代的新老表示土层沉积时间的长短。老的沉积土，经过长时间的固结作用，密实程度增大，水化学反应，起到胶结作用。第四纪晚更新世Q3以前土层不发生液化。

(2)土的组成土的颗粒细的比粗的容易液化；粗颗粒孔隙水压易消散。粉土是过渡性土壤，粉土中粘粒含量多，土的粘聚力增大，不易液化。此外，颗粒均匀的砂土较颗粒级配良好的砂土容易液化。

(3)土层的相对密度相对密实程度较小的松砂，容易液化。如1964年的新潟地震中，相对密度小于50％的砂土，普遍发生液化，而相当密度大于70％的土层，则没有发生液化。

(4)土层的埋深砂土层埋深越大，其上有效覆盖层压力就越大，则土的侧限压力也越大，就越不容易液化。现场调查资料表明，土层液化深度很少超过20m，多数浅于15m，更多的浅于10m。

(5)地下水位的深度地下水位越深，越不容易液化。对于砂土，一般地下水位大于4m时无液化；对于粉土来说，7、8、9度时，地下水位分别大于1.5m、2.5m和6.0m时无液化。

(6)地震烈度地震烈度越高，越容易发生液化，液化主要发生在7度及以上地区，而6度以下的地区，很少看到液化现象；

(7)地震持续时间

地震持续时间越长，越容易发生液化，大震级远震中距的地震更容易液化。2.5.2液化的判别

当拟建场地有饱和砂土或粉土时，需经勘察确定土层是否液化，以便采取相应的抗液化措施。

6度区液化对房屋造成的危害较轻，可不进行判别和处理,7度及以上地区的判别分两步进行，即初步判别和标准贯入试验判别。凡经过初步判别定为不液化或不考虑液化影响的场地土，就可不进行标准贯入试验判别。

1.初步判别根据影响液化的因素，符合下列条件之一，不考虑液化：(1)地质年代为第四纪晚更新世Q3及其以前，良好固结，7、8度时可判为不液化，9度考虑。(2)粉土的粘粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量7度、8度和9度分别不小于10%、13%、和16%时，可判为不液化土。

(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。DwDudb饱和土类别7度8度9度粉土678砂土789液化土特征深度d0(m)式中：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；

d0——液化土特征深度(m)，可按下表采用。查液化土特征深度表例1某场地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：按判别式确定需要考虑液化影响。dw=6mdu=5.5mdb=2m饱和土类别7度8度9度粉土678砂土789液化土特征深度(m)2.标准贯入试验判别

初步判别不符合上述条件之一，应采用标准贯入试验判别法进一步判别其是否液化。标贯设备由标准贯入器、触探杆和重63.5kg的穿心锤等部分组成。操作时钻孔至孔底的土中，用穿心锤落距为76cm，先打入15cm，到试验土层，再打入30cm，所用锤击数记作：

N63.5=

?

标准贯入锤击数锤击数越大，土的密实程度越高，也就越不容易液化。用N63.5与临界贯入锤击数Ncr比较来确定是否会液化。φ51φ35贯入器贯入器身出水孔贯入器头触探杆锤垫穿心锤标准贯入试验示意图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--贯入器靴标准贯入试验：

标准贯入试验适用于砂土、粉土和一般粘土，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，先打入15cm，到试验土层，再打入30cm，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示，N63.5也称为标贯击数。标准贯入试验

（1）液化判别标准贯入锤击数基准值N0，应按表2.9采用；（2）考虑设计地震分组调整系数β；设计地震第一组取

0.80，第二组取0.95，第三组取1.05；

（3）在ds=3m，dw=2m

时得到，非此深度要修正；

（4）粉土根据黏粒含量ρc进行调整，小于3或为砂土取3。2.9液化判别标准贯入锤击数基准值No（2.12）

液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：烈度7度8度9度设计基本地震加速度(g)0.100.150.200.300.40液化判别标准贯入锤击数基准值710121619

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：式中：Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值；

No——液化判别标准贯入锤击数基准值，按表2.9采用；

ds——饱和土标准贯入点深度(m)；

dw——地下水位(m)；

ρc——黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，采用3；

β——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。当标准贯入锤击数N63.5小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr时，即N63.5<N

cr应判为液化土，否则即为不液化土。

标贯法判别回答了“是”与“否”的问题，未反映液化程度。（2.12）

液化程度通过液化指数划分，取相对贯入锤击数的比值，土是多层介质，第i层土相对贯入锤击数的比值

：Ni为标贯法实测值，

Ncri为临界值，

Ni越小，土质越差。

该值越大，越易液化，反映程度。土是多层介质，明显影响20m，浅层影响大；深层影响小，引入层位函数Wi

。2.5.3液化地基危害程度评价

取至地下20m，考虑层位影响,液化指数IlE:式中：IlE

——液化指数；

n——在判别深度范围内每一钻孔标贯试验点总数；Ni、Ncri

——分别为i点标准贯人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；

di——i

点所代表的土层厚度(m)，取该标贯点相邻上、下两标准贯人试验点深度差一半；

ω

i

——i

土层单位土层厚度的层位影响权函数值。(2.14)液化等级

液化指数ILE地面喷水冒砂情况对建筑物的危害情况轻微0<6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，一般没有明显的沉降或不均匀沉降中等6～18喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数液化等级属中等危害性较大，可能造不均匀沉陷和开裂，不均匀沉陷可达200mm严重>18一般喷水冒砂都很严重，涌砂量大，地面变形明显，覆盖面广危害性大，不均匀沉陷达200～300mm，结构可能产生较大倾斜，严重影响使用

表2.10液化等级和相应震害情况表2.12抗液化措施表建筑抗震设防类别地基的液化等级轻微中等严重乙类部分消除液化沉陷，或对基础和上部结构处理全部消除液化沉陷，或部分消除液化且对基础和上部结构处理全部消除液化沉陷丙类基础和上部结构处理，亦可不采取措施基础和上部结构处理理，或更高要求的措施全部消除液化沉陷，或部分消除液化且对基础和上部结构处理丁类可不采取措施可不采取措施基础和上部结构处理，或其他措施2.5.4地基抗液化措施

根据建筑物抗震设防类别和地基液化等级，结合具体情况综合确定。当液化土层较平坦且均匀时，宜按下表选用措施：

1.全部消除地基液化沉陷

（1）采用桩基：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0.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。

（2）采用深基础：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0.5m。

（3）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，处理后标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。

（4）采用换土法：用非液化土替换全部液化土层。采用加密法或换土法处理时，基础边缘外的处理宽度，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。2.部分消除液化地基沉陷（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；大面积筏基和箱基的中心区域，处理后液化指数不大于4；对独立基础和条形基础，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，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。（4）增加上覆