建筑场地、地基、基础.ppt

工程结构抗震设计 盐城工学院 尹红宇 2010年3月15日 第3章 建筑场地、地基和基础（1 ） 3.1 建筑场地的选择 n场地即指建筑物所在地，场地土则是指场地范围内的 地基土，即场地表层土的简称。 n地震对建筑物的破坏作用是通过场地、地基和基础传 递给上部结构的；同时，场地与地基在地震时又支承 着上部结构，因此具有双重作用。 n研究工程在地震作用下的震害形态、破坏机理以及抗 震设计等问题，都离不开对场地土和地基的研究，而 研究场地和地基在地震作用下的反应及其对上部结构 影响，正是场地抗震评价的重要任务。 1、场地及场地土 场地抗震评价 n抗震设计规范中场地抗震评价，就是通 过对工程地质、地形地貌以及岩土工程 环境等场地条件的分析，研究场地条件 对基础和上部结构震害的影响，从而合 理地选择有利建筑场地以及地基或结构 抗震措施，避免和减轻地震对建筑物或 工程设施的破坏。 从破坏性质和工程对策角度，地震对结 构的破坏作用可分为两种类型： (1)场地、地基的破坏作用 (2)场地的震动作用。 2、场地地震破坏作用 （1）场地和地基的破坏作用 n场地和地基的破坏作用一般是指： n 造成建筑物和构筑物破坏的直接原因是由于场地 和地基稳定性引起的，也就是说地震时首先是场地和 地基破坏从而产生建筑物和构筑物破损并引起其他灾 害。 n场地和地基破坏作用大致有地面破裂、滑坡和坍塌， 地基失效等几种类型。 n场地和地基的破坏作用一般是通过场地选择和地基处 理来减轻地震灾害的。 （2）场地的地震动作用 n场地的地震动作用是指： n 由于强烈地面运动引起地面设施振动而产生的破 坏作用。 n场地的地震动作用引起的结构破坏和倒塌是造成大量 生命财产损失的最普遍和最主要的原因，也是其他地 震破坏作用如地基失效、滑坡等的外部条件。 n影响范围广大的场地的地震动作用是所有地震破坏作 用中最重要的。 n减轻场地地震动作用所产生的地震灾害的主要途径是 合理地进行抗震和减震设计和采取抗震和减震措施。 3、场地条件对建筑物震害影响的 主要因素 （1）、场地土的刚性大小（坚硬程度）； （2）、场地覆盖层厚度； （3）、场地土土层的组成 n深厚软弱土层上的长周期柔性建筑物的震害最 为严重 （1）场地土的刚性大小（坚硬程度）影响 n一般说来，在软弱地基上，柔性结构物较容易遭受破 坏，而刚性结构物表现较好；在坚硬地基上，柔性结 构物震害较轻，而刚性结构物有时(如土层浅薄)破坏 会加重。 n在软弱地基上，建筑物的破坏有时是结构破坏所造成 ，有时是由于沙土液化、软土震陷和地基不均匀沉降 等造成的地基失效所致。 n就地面建筑物总的破坏现象来说，在软弱地基上的比 坚硬地基上的要严重。 （2）场地覆盖层厚度的影响 n场地覆盖层厚度是指从地面至剪切波速大于 500ms土层或坚硬土顶面的距离。 n房屋的破坏率随着场地覆盖层厚度的增加而升 高，覆盖层厚度超出一定范围后破坏率变化不 大。 关于场地覆盖层厚度的定义： n震害一般随场地覆盖层厚度的增加而加重。从理论 上讲，当下层波速比上层波速大得多时，下层可以 当作基岩，这时从地表反射回来的地震波到达岩土 界面时将向上反射，只有很小一部分能量向下透射 ，这个分界面的埋深就是所谓覆盖层厚度或土层厚 度。但是实际地层的刚度往往是逐渐变化的，如果 要求岩土波速比很大时才能当做基岩，覆盖层厚度 势必定得很大，这对一般工程是难以行得通的。另 一方面，由于对建筑物破坏作用最大的主要是地震 波中的中短周期成分，而深层介质对这些成分的影 响并不很显著。 （3）、场地土土层组成的影响 n场地土土层的组成不同对震害的影响 也不同。 n如唐山地震时，天津某区地表下l0m 左右处有低剪切波速的淤泥质亚粘土 夹层，与地质条件大体相同的区域相 比，其震害就轻得多。 深厚软弱土层上长周期柔性建筑物的震害 研究分析表明，在岩层中传播的地震波具有多种频率 成分，地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，若其 中某一频率分量的周期与覆盖土层的自振周期(又称场 地的卓越周期或固有周期)相等或相近，由于共振作用 ，该分量的幅值将得到明显放大；而其它频率分量则 产生衰减或消失。 深厚软弱土层的自振周期较长，故地震波中的长周期 分量得到明显放大加强。尤其是经过表层土的滤波放 大作用，致使软弱地基的地面运动振幅大、周期长、 持续时间长，震害也重。若建筑物的自振周期与场地 的自振周期相等或接近时，由于共振现象，建筑物的 震害都有加重的趋势。 在厚的软弱土层上建造的高层建筑，其地震反应比在 硬土上的反应大34倍。 地段类类 别别 地质质、地形、地貌 有利地段稳稳定基岩，坚坚硬土，开阔阔、平坦、密实实、均匀的中硬土等 不利地段软软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸耸孤立的山丘，非 岩质质的陡坡，河岸和边边坡的边缘边缘 ，平面分布上成因、岩性 、状态态明显显不均匀的土层层（如故河道、疏松的断破裂带带、 暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等 危险险地段地震时时可能发发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发发 震断裂带带上可能发发生地表错错位的部位 建筑地段的选择 工程地质条件对地震破坏的影响很大。 常有地震烈度异常现象，即 “重灾区里有轻灾，轻灾区里有重灾” 产生的原因是局部地区的工程地质条件不同。 地段划分地段划分 水边地的地下 水位较高，土质也 较松软，容易在地 震时产生土壤滑动 或地层液化。 用另外的土石 來填补地基，常有 土壤密实度不足情 形，导致建筑物在 地震时产生倾斜、 沉陷。 山坡地在地震 时会产生土壤滑动 冲积地的土质松 软，地震时容易塌 陷，如果此处有地 下水层，还容易发 生液化。 临近悬 崖，容 易滑落 谷地或低地，这里的 建筑物容易在地震发生时 ，受土石崩塌破坏。 地震引发了一巨大的泥石流，数 百户人家被埋在泥石里地裂 断裂带是地质上的薄弱环节，浅源地震多与 断裂活动有关。 发震断裂带附近地表，在地震时可能产生新 的错动，使建筑物遭受较大的破坏，属于地 震危险地段。 建设时应避开。 发震断裂带上可能发生地表错位的地段主要 在高烈度区,全新世以来经常活动的断裂面上 。 发震断裂的影响 地质年代表（附） 相对对年代 绝对绝对 年龄龄 （万年） 生物 宙 代 纪纪世 显显 生 宙 新 生 代 第 四 纪纪 全新世（统统）Q4 1.1 12.8 73 250 6500 22500 57000 250000 400000 460000 更 新 世 晚更新世（统统）Q3 中更新世（统统）Q2 早更新世（统统）Q1 第三纪纪（系） 中生代（界） 古生代（界） 隐隐 生 宙 元古代（界） 太古代（界） 地球天文时时期 与地下断裂构造直接相关的地裂 与发震断裂间接相关的受应力场控制所产生的地裂 抗震规范提出场地内存在发震断裂时，应 对断裂的工程影响进行评价，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； 抗震设防烈为8度和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。 对不符合上述规定的情况，应避开主断裂带。 其避让距离不宜小于下表对发震断裂最小避让 距离的规定。 发震断裂的最小避让距离(m) 烈度 建筑抗震设防类别 甲乙丙丁 8 专门研 究 300m200m 9 专门研 究 500m300m 局部地形的影响 1.高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈大； 2.离陡坎和边坡顶部边缘的距离大，反应相对减小； 3.在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大； 4.高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明 显减小; 5.边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。 地段选择原则 1.选择有利地段； 2.避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措 施； 3.不在危险地段建设。 3.2 建筑场地的类别划分 建筑场地的地震影响： n在软弱地基上，柔性结构最容易遭到破坏，刚性 结构表现较好；建筑物的破坏有时是由于结构破 坏，有时是由于地基破坏所产生。 n在坚硬地基上，柔性结构表现较好，刚性结构表 现不一；建筑物的破坏通常是由于地基破坏所产 生。 n就地面建筑物总的破坏现象来说，在软弱地基上 的破坏比坚硬地基上的破坏要严重。 n不同覆盖层厚度上的建筑物，其震害表现明显不 同 场地条件划分 （1）土层剪切波速（m/s）和等效剪切波速（ m/s） （2）土层等效剪切波速的计算 （3）场地土的类型划分 （4）场地覆盖层厚度的确定 （5）场地类别划分 （1）土层剪切波速（m/s）和 等效剪切波速（m/s） n场地土对建筑物震害的影响，主要取决于土 的坚硬程度(刚性)，因为剪切波速是最能反 映场地土动力性能的重要动力参数，所以土 的刚性一般用土的剪切波速vs来表示。 n地表土层的组成通常较为复杂，只有单一性 质场地土的情况是很少见的，所以一般分层 场地土的剪切波速按土层等效剪切波速vse来 表示。 （2）土层等效剪切波速的计算 nVse-土层等效剪切波速（ m/s） nd0-场地土计算深度，取地面 下20m和场地覆盖层厚度两者的 较小值； nt-剪切波在地表与计算深度 之间传播的时间（s）； ndi-场地土计算深度范围内， 第i层土的厚度(m)； nn-计算深度范围内土层的分 层数目； nvsi-计算深度范围内，第i层土 的剪切波速（m/s ）； （3）场地土的类型划分 n注： f ak 为地基土静承载力标准值(kPa) 土的 类类型 土层层剪切 波速（m/s） 岩土名称和性状 坚坚硬 土 vs500稳稳定岩石，密实实的碎石土 中硬 土 500 vs 250中密、稍密的碎石土，密实实、中密的砾砾、粗、中 砂，f ak 200的粘性土和粉土，坚坚硬黄土 中软软 土 250 vs 140稍密的砾砾、粗、中砂，除松散外的细细、粉砂， f ak 200的粘性土和粉土， f ak 130的填土 ，可塑黄 土 软软弱 土 vs 140淤泥和淤泥质质土，松散的砂，新近沉积积的粘性土 和粉土， f ak 5000m 500 vs 2505m5m 250 vs 1403m350m50m vs 1403m315m1580m80m 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。 层层底深度 (m) 土层层厚度 (m) 土的名称剪切波速m/s 9.59.5 砂 170 37.828.3 淤泥质质粘土 130 43.65.8 砂 240 60.116.5 淤泥质质粘土 200 632.9 细细砂 310 69.56.5 砾砾混粗砂 520 解： （1）确定地面下20m表层土 的场地土类型 （2）确定覆盖层厚度 （3）确定建筑场地类别 属于中软土 属于类场地 建造在I类场地上的建筑抗震构造 措施的调整 (1)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的要求降低一度 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)建筑场地为、类时，对设计基本地震加速度 为015g和030g的地区，除抗震规范另有规 定外，宜分别按抗震设防烈度8度(020g)和9度(0 40g)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。 对地基和基础设计的要求 n(1)同一结构单元的基础不宜设置在性质截 然不同的地基上； n(2)同一结构单元不宜部分采用天然地基部 分采用桩基； n(3)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，并采取相应措 施。 一、天然地基的震害特点 由于地基一旦发生破坏，震后修复加固很难，有时甚 至不可能加固修复。 高压缩性饱和软粘土和强度较低的淤泥质土，在地 震中产生不同程度的震陷，从而造成或加剧了上部结 构的倾斜或破坏。 杂填土、回填土和冲填土等松软填土地基，由于多 为旧水坑、洼地等，土质稀散且强度较低，地震中易 产生沉陷，使结构开裂。 沟、坑、故河道，坡地中半挖半填等非均质地基， 在地基中的不均匀沉陷或地裂缝上会引起上部结构破 坏。 3.3 天然地基基础的抗震验算 二、天然地基的抗震措施 1、软弱粘性土地基 特点：压缩性较大，抗剪强度小，承载能力低。 震害特点：使建筑物产生较大的附加沉降和不均匀沉降。 处理措施：桩基；地基加固处理；以及类似减轻液化影响的 基础处理措施和上部结构的处理措施。 2、杂填土地基（一般是人类任意堆填而成) 特点：组成物质杂乱，结构疏散，厚薄不一，均匀性很差， 强度低，压缩性高。 震害特点：不均匀沉降导致上部结构开裂。 处理：当杂填土的上层较薄时，可全部挖除（换土）；杂填 土较厚时，采用地基加固的方法（如挤密桩等）。 3、不均匀地基 一般位于旧故河道边，暗藏沟坑边缘，半挖半填的地带，以 及土质明显不均匀的其他地段。 震害特点：易引起地基失效，加剧上部结构的破坏。处理措 施：地基加固处理 4、地基加固处理方法 A、换土垫层法 换土厚度3