天津某大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計講義二

第二章場地與地基2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響2.2場地2.3地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算2.4液化土地基2.5樁基的抗震驗(yàn)算2.6軟弱粘性土地基2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響多次地震的震害現(xiàn)象在同一個烈度區(qū)內(nèi)，由于局部土質(zhì)條件的不同，建筑物的破壞程度差異很大；即使大致相同的地層土質(zhì)條件，對不同類型建筑物震害的影響也是不相同的。有時，在建筑物的結(jié)構(gòu)、施工等情況基本相同的條件下，由于地震的作用，其破壞程度會有1-2度的差別，這也就是局部工程地質(zhì)條件對工程抗震影響的結(jié)果。局部地形的影響宏觀現(xiàn)象、儀器觀測和理論分析都說明，局部孤突地形對震害具有明顯的影響。一般來說，局部地形高差大于30~50m時，震害就開始出現(xiàn)明顯的差異。1920年寧夏海原地震時，甘谷縣處于渭河谷地的姚莊，烈度為7度；而與其相鄰2公里的牛家山莊，因位于與姚莊高差百米左右的突出的黃土山梁上，烈度高達(dá)9度。局部孤突基巖地形，亦對震害影響較大。1975年2月遼寧海城地震后，在大石橋盤龍山高差58m的兩個測點(diǎn)上收到的強(qiáng)余震加速度記錄表明，孤突地形上的地面最大加速度較坡腳下平均高1.84倍。孤突的山梁、孤立的山包、高差較大的臺地等，都是明顯影響震害的地形。2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響局部地質(zhì)構(gòu)造的影響局部地質(zhì)構(gòu)造主要指斷層而言。斷層是地質(zhì)構(gòu)造上的薄弱環(huán)節(jié)，多數(shù)的淺源地震均與斷層活動有關(guān)。一些具有潛在地震活動的發(fā)震斷層，地震時會出現(xiàn)很大的錯動。例如，1906年4月18日，美國舊金山大地震，圣安德烈靳斷層兩側(cè)相對移動達(dá)3~6m．這當(dāng)然是建筑物無法抵御的，亦不屬場地烈度問題所應(yīng)考慮的范圍。地震時，除發(fā)震斷層直接影響、控制震害的總趨勢外，一些與發(fā)震斷層有一定聯(lián)系的非發(fā)震斷層，例如與發(fā)震斷層屬同一構(gòu)造體系的斷層、或發(fā)震構(gòu)造內(nèi)相鄰的斷層、或雖不屬于同一構(gòu)造體系，但與發(fā)震斷層相交匯復(fù)合的斷層等，這些斷層參與孕震，或被觸動牽引而引起重新活動，都使鄰近的地帶震害加重。2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響局部地質(zhì)構(gòu)造的影響發(fā)震斷層附近地表，當(dāng)?shù)卣饡r很可能產(chǎn)生新的錯動，其上建筑物將會遭到嚴(yán)重破壞，故在選擇場地時應(yīng)使房屋或工程設(shè)施盡量遠(yuǎn)離斷層及破碎帶。對非發(fā)震斷層，近年來大量調(diào)查研究表明．?dāng)嗔褞幜叶葻o增高趨勢，故在選擇場地時，無需特意遠(yuǎn)離非發(fā)震斷層，但在具體進(jìn)行建筑布置時，也應(yīng)注意，不宜將建筑物橫跨在斷層上，以免可能由錯動或不均勻沉降帶來的危害。2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響地下水位的影響宏觀震害現(xiàn)象表明，水位越淺，震害越重，在不同的地基中，地下水位的影響程度也有所差別，對軟弱土層的影響最大，粘性土次之，對卵礫石，碎石．角礫土則影響較小。尤其是當(dāng)?shù)叵滤裆?~5m時，對震害的影響最為明顯，當(dāng)?shù)叵滤惠^深時．則影響不再顯著。地下水的影響往往和地基土的影響聯(lián)系在一起，震害多和地基失效有關(guān)。因此在進(jìn)行地下水震害影響分析時，尚需結(jié)合地基土的情況全面考慮。2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響有利、不利和危險地段的劃分地段類別地質(zhì)、地形、地貌有利地段穩(wěn)定基巖，堅(jiān)硬土，開闊、平坦、密實(shí)、均勻的中硬土等不利地段軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層(如故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基)等危險地段地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表位錯的部位2.1工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響2.2場地場地指建筑物所在地，在平面圖上大體相當(dāng)廠區(qū)、居民區(qū)或自然村的區(qū)域。場地土指在場地范圍內(nèi)的地基土。2.2場地多次地震的震害表明，即使在同一烈度區(qū)內(nèi)，由于場地上質(zhì)條件的不同，建筑物的破壞程度也有很大差異。表現(xiàn)在對地面運(yùn)動的影響上，一般規(guī)律是：軟弱地基與堅(jiān)硬地基相比，在同一地震和同一震中距離時，軟弱地基的地面自振周期長、振幅大，振動持續(xù)時間長，震害也重；表現(xiàn)在對地基穩(wěn)定和變化的影響上，軟弱地基在振動的情況下容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)和不均勻沉降，甚至?xí)l(fā)生液化、滑動、開裂等嚴(yán)重現(xiàn)象，而堅(jiān)硬地基則沒有這種危險；表現(xiàn)在改變建筑物的動力特性上，因?yàn)榈鼗蜕喜拷Y(jié)構(gòu)是不可分割的整體，所以，地基土質(zhì)勢必影響結(jié)構(gòu)的整體性能。軟弱地基對建筑物有增長周期，改變振型和增大阻尼的作用。2.2場地此外，場地土土層的組成不同對震害的影響也是不同的。如唐山地震時，天津某區(qū)地表下10m左右存在低剪切波速的淤泥質(zhì)亞粘土夾層．使得與地質(zhì)條件大體相同的區(qū)域相比，其震害輕得多。國外研究也指出，在厚的軟弱上層上建造的高層建筑，其地震反應(yīng)比在硬土上的大3~4倍，震害調(diào)查還說明，震害一般隨覆蓋土層厚度的增加而加重。如唐山地震中，市區(qū)西南部基巖深度達(dá)500~800m，房屋倒塌率近100％；而市區(qū)東北部大城山一帶，則因覆蓋土層較薄，該地區(qū)多數(shù)廠房如唐鋼、建筑陶瓷廠等雖然也位于極震區(qū)，但房屋倒塌率僅50％。又如1923年日本關(guān)東大地震中，房屋的破壞率明顯隨沖積層厚度的加大而提高。2.2場地綜上所述，場地條件對建筑物震害影響的主要因素是場地土的剛性（即堅(jiān)硬或密實(shí)程度）大小土的剛性一般用上的剪切波速表示，因?yàn)榧羟胁ㄋ偈亲钅芊从硤龅赝羷恿π阅艿膮?shù)。場地覆蓋層厚度則定義為從地面至堅(jiān)硬場地土頂面的距離。建筑場地類別建筑的場地類別，應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分為四類。2.2場地等效剪切波速（m/s）場地的覆蓋層厚度d0vd0v=0（0，3）[3，5）[5，15]（15，50]（50，80]d0v＞80vs＞500Ⅰ500≥vse＞250ⅠⅡ250≥vse＞140ⅠⅡⅢvse≤140ⅠⅡⅢⅣ建筑場地類別

035155080場地覆蓋層厚度（m）ⅠⅠⅡⅡⅢⅡⅢⅣ場地土類型500250140等效剪切波速速m/s2.2場地建筑場地類別建筑場地覆蓋層厚度的確定，應(yīng)符合下列要求：1）一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。2）當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可按地面至該土層頂面的距離確定。3）剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層。4）土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。2.2場地建筑場地類別等效剪切波速vs為巖石或堅(jiān)硬土的剪切波速，vse為土層的等效剪切波速，按下列公式計算

2.2場地d0——計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；t——剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間；di——計算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；vsi——計算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）n——計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。建筑場地類別對丁類建筑及層數(shù)不超過10層且高度不超過30m的丙類建筑，當(dāng)無實(shí)測剪切波速時，可根據(jù)巖土名稱和性狀，按下表劃分土的類型，再利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)在剪切波速范圍內(nèi)估計各土層的剪切波速，最后計算確定深度范圍內(nèi)土層的等效剪切波速。土的類型巖土名稱和性狀土層剪切波速范圍(m/s)堅(jiān)硬土或巖石穩(wěn)定巖石，密實(shí)的碎石土vs>500中硬土中密、稍密的碎石土，密實(shí)、中密的礫、粗、中砂，fak>200kPa的粘性土和粉土，堅(jiān)硬黃土500≥vs>250中軟土稍密的礫、粗、中砂，除松散外的細(xì)、粉砂，fak≤200kPa的粘性土和粉土，fak>13kPa0的填土，可塑黃土250≥vs>140軟弱土淤泥和淤泥質(zhì)土，松散的砂，新近沉積的粘性土和粉土，fak≤130kPa的填土，流塑黃土vs≤1402.2場地2.2.2建筑場地評價建筑場地范圍內(nèi)存在發(fā)震斷裂時，應(yīng)對斷裂的工程影響進(jìn)行評價，對符合下列規(guī)定之一的情況，可忽略發(fā)震斷裂錯動對地面建筑的影響。（1）抗震設(shè)防烈度小于8度；（2）非全新世活動斷裂；（3）抗震設(shè)防烈度為8度和9度時，前第四記基巖隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60m和90m。對不符合上述規(guī)定的情況，應(yīng)避開主斷裂帶。其避讓距離不宜小于規(guī)范對發(fā)震斷裂最小避讓距離的規(guī)定。2.2場地2.2.2建筑場地評價當(dāng)需要在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣等不利地段建造丙類及丙類以上建筑時，除保證其在地震作用下的穩(wěn)定性外，尚應(yīng)估計不利地段對設(shè)計地震動參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。其值可根據(jù)不利地段的具體情況確定，但不宜大于1.6。場地巖土工程勘察，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要劃分對建筑有利、不利和危險的地段，提供建筑的場地類別和巖土地震穩(wěn)定性（如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等）評價，對需要采用時程分析法補(bǔ)充計算的建筑，尚應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求提供土層剖面、場地覆蓋層厚度和有關(guān)的動力參數(shù)。2.2場地2.3地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算在地震作用下，為了保證建筑物的安全和正常使用，對地基而言．與靜力計算一樣．亦應(yīng)同時滿足地基變形和地基承載力的要求。但是，由于在地震作用下地基變形過程十分復(fù)雜．目前還沒有條件進(jìn)行這方面的定量計算。因此，《抗震規(guī)范》規(guī)定，只要求對地基抗震承載力進(jìn)行驗(yàn)算，至于地基變形條件，則通過對上部結(jié)構(gòu)或地基基礎(chǔ)采取一定的抗震措施來保證?？刹贿M(jìn)行地基及基礎(chǔ)抗震承載力驗(yàn)算的范圍

歷次震害調(diào)查表明，一般天然地基上的下列一些建筑很少因?yàn)榈鼗Ф茐??！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定，建造在天然地基上的以下建筑，可不進(jìn)行地基及基礎(chǔ)抗震承載力驗(yàn)算：（1）砌體房屋。（2）地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層的下列建筑：1）一般的單層廠房和單層空曠房屋；2）不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋；3）基礎(chǔ)荷載與2）項(xiàng)相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。軟弱粘性土層指7度、8度和9度時，地基承載力特征值分別小于80、100和120kPa的土層。2.3地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算可不三進(jìn)行三地基三及基三礎(chǔ)抗三震承三載力三驗(yàn)算三的范三圍歷次三震害三調(diào)查三表明三，一三般天三然地三基上三的下三列一三些建三筑很三少因三為地三基失三效而三破壞三?！犊谷鹨?guī)三范》三規(guī)定三，建三造在三天然三地基三上的三以下三建筑三，可三不進(jìn)三行地三基及三基礎(chǔ)三抗震三承載三力驗(yàn)三算：（3三）7三度Ⅰ三、Ⅱ三類場三地，三柱高三不超三過1三0m三且結(jié)三構(gòu)單三元兩三端均三有山三墻的三單跨三及等三高多三跨廠三房（三鋸齒三形廠三房除三外）三，但三必須三按《三抗震三規(guī)范三》的三規(guī)定三采取三相應(yīng)三的抗三震構(gòu)三造措三施。（4三）7三度Ⅰ三、Ⅱ三類場三地，三柱頂三標(biāo)高三不超三過4三.5三m，三且結(jié)三構(gòu)單三元兩三端均三有山三墻的三單跨三及等三高多三跨磚三柱廠三房，三但必三須按三《抗三震規(guī)三范》三的規(guī)三定采三取相三應(yīng)的三抗震三構(gòu)造三措施三。（5三）6三度時三的建三筑（三高層三建筑三除外三）2.三3三地三基基三礎(chǔ)的三抗震三驗(yàn)算天然三地基三基礎(chǔ)三抗震三驗(yàn)算驗(yàn)算三天然三地基三地震三作用三下的三豎向三承載三力時三，按三地震三作用三效應(yīng)三標(biāo)準(zhǔn)三組合三的基三礎(chǔ)底三面平三均壓三力和三邊緣三最大三壓力三應(yīng)符三合下三列各三式要三求：p—三—地震三作用三效應(yīng)三標(biāo)準(zhǔn)三組合三的基三礎(chǔ)底三面平三均壓三力；pma三x——地震三作用三效應(yīng)三標(biāo)準(zhǔn)三組合三的基三礎(chǔ)邊三緣的三最大三壓力三；aE——調(diào)整三后的三地基三抗震三承載三力。同時三，《三抗震三規(guī)范三》規(guī)三定，三高寬三比大三于4三的高三層建三筑，三在地三震作三用下三基礎(chǔ)三底面三不宜三出現(xiàn)三拉應(yīng)三力；三其他三建筑三，基三礎(chǔ)底三面與三地基三土之三間零三應(yīng)力三區(qū)面三積不三應(yīng)超三過基三礎(chǔ)底三面面三積的三15三％。2.三3三地三基基三礎(chǔ)的三抗震三驗(yàn)算天然三地基三抗震三承載三力在地三震作三用下三，建三筑物三地基三土的三抗震三承載三力與三地基三靜承三載力三是有三差別三的。這是三因?yàn)槿陟o三壓力三作用三下，三地基三土將三產(chǎn)生三彈性三變形三及永三久變?nèi)危ㄈ礆埲嘧內(nèi)危┤?。彈性三變形三可在三短時三間內(nèi)三完成三．而三永久三變形三則需三要較三長的三時間三才能三完成三。在靜三載長三期作三用下三，地三基中三將產(chǎn)三生較三大的三變形三。而三地震三作用三時間三很短三，只三能使三土層三產(chǎn)生三彈性三變形三而來三不及三發(fā)生三永久三變形三；所三以，三由地三震作三用產(chǎn)三生的三地基三變形三較靜三載產(chǎn)三生的三地基三變形三要小三得多三。而三地基三承載三力是三根據(jù)三地基三允許三變形三值確三定的三，若三地基三允許三變形三值一三定，三因?yàn)槿o載三產(chǎn)生三的變?nèi)未笕?，故三所需三的靜三載壓三力就三?。蝗厝鹱魅卯a(chǎn)三生的三變形三小。三故所三需的三地震三作用三產(chǎn)生三的壓三力就三應(yīng)該三大。2.三3三地三基基三礎(chǔ)的三抗震三驗(yàn)算天然三地基三抗震三承載三力從地三基變?nèi)谓侨葋砣f，三有地三震作三用時三地基三土的三抗震三承載三力應(yīng)三該比三地基三土的三靜承三載力三要大三，即三動強(qiáng)三度一三般較三靜強(qiáng)三度高三。另三外，三從結(jié)三構(gòu)安三全角三度出三發(fā)，三因地三震作三用是三偶遇三的，三其安三全度三可以三小一三些。三故在三確定三地基三上抗三震承三載力三時．三其取三值可三以比三地基三靜承三載力三大一三些。絕大三多數(shù)三國家三的抗三震現(xiàn)三范在三驗(yàn)算三地基三土的三抗震三強(qiáng)度三時，三對于三地基三土抗三震承三載力三的取三值大三多采三取在三地基三土靜三承載三力的三基礎(chǔ)三上乘三以提三高系三數(shù)的三方法三，我三國規(guī)三范也三是采三取這三樣的三方法三。2.三3三地三基基三礎(chǔ)的三抗震三驗(yàn)算天然三地基三抗震三承載三力在進(jìn)三行天三然地三基基三礎(chǔ)抗三震驗(yàn)三算時三。地三基土三抗震三承載三力可三按下三式計三算巖土名稱和性狀a巖石，密實(shí)的碎石土，密實(shí)的礫、粗、中砂，fak≥300kPa的粘性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的礫、粗、中砂，密實(shí)和中密的細(xì)、粉砂，150≤fak＜300kPa的粘性土和粉土，堅(jiān)硬黃土1.3稍密的細(xì)、粉砂，100≤fak＜150kPa的粘性土和粉土，新近沉積的粘性土和粉土，可塑黃土1.1淤泥，淤泥質(zhì)土，松散的砂，雜填土，新近堆積黃土及流塑黃土1.02.三3三地三基基三礎(chǔ)的三抗震三驗(yàn)算aE——三調(diào)整三后的三地基三抗震三承載三力；a——三地基三抗震三承載三力調(diào)三整系三數(shù)；a——三經(jīng)深三寬修三正后三的地三基承三載力三特征三值。2.三4三液三化地三基液化三的概三念飽和三的松三砂和三粉土三（不三含黃三土）三在地三震作三用下三，地三基承三載力三喪失三或減三弱，三甚至三噴砂三冒水三，現(xiàn)三象就三稱為三土的三液化三。液化三機(jī)理地震三時，三地下三水位三以下三的飽三和的三松砂三和粉三土在三地震三作用三下，三發(fā)生三相對三位移三，土三顆粒三之間三有變?nèi)艿娜厔萑蚩兹端齺聿蝗芭湃?，三使土三顆粒三處于三懸浮三狀態(tài)三，形三成如三液體三樣，三這種三現(xiàn)象三就稱三為土三的液三化。2.三4三液三化地三基土的三液化三示意三圖2.三4三液三化地三基液化三危害整體三下沉三；局部三下降三產(chǎn)生三整體三傾斜液化三影響三因素1三地質(zhì)三年代2三