高层建筑结构与抗震辅导材料三

1、高层建筑结构与抗震辅导材料三场地与地基学习目标1. 掌握建筑场地的选择，场地土类别的划分；2. 掌握天然地基的抗震验算；3. 了解地基土液化，地基抗震措施及处理。学习重点1. 建筑场地的选择，场地土类型的划分；2. 天然地基的抗震验算方法；3. 影响地基土液化的因素，液化等级及处理方法。一、 工程地质条件与场地1工程地质条件对地震破坏的影响地震的震害现象表明，在具有不同工程地质条件的建筑场地上，建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。同时还发现，大致相同的地层土质条件，对不同类型建筑物震害的影响也是不同的。有时，在建筑物的结构、施工等情况基本相同的条件下，由于地震的作用，其破坏程度会有12度的差

2、别，这也就是局部工程地质条件对工程抗震影响的结果。（1）局部地质构造的影响断裂带是地质构造上的薄弱环节，浅源地震往往与断裂活动有关，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。因此，对于各种危险地段选择建筑场地应予以避开。（2）局部地形的影响宏观现象、仪器观测和理论分析都说明，局部孤突地形对震害具有明显的影响，一般来说，局部地形高差大于3050m时，震害就开始出现明显的差异。因此，孤突的山梁、孤立的山包、高差较大的台地等，都是明显影响震害的地形。（3）地下水位的影响宏观震害现象表明，水位越浅，震害越重。在不同的地基中，地下水位的影响程度也有所差别，对柔软土层的影响最大

3、，粘性土次之，对卵砾石、碎石、角砾土则影响较小。尤其是当地下水深15m时，对震害的影响最为明显，当地下水位较深时，则影响不再显著。2场地场地即指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区，居民小区和2自然村或不小于1.0 km的平面面积。场地土则是指在场地范围内的地基土。一般认为，场地条件对建筑震害的影响主要因素是：场地土的刚性（即坚硬或密实程度）大小和场地覆盖层厚度。震害经验指出，土质愈软，覆盖层愈厚，建筑物震害愈严重，反之愈轻。场地土的刚性一般用土的剪切波速表示，因为剪切波速是土的重要动力参数，是最能反映场地土的动力特性的，因此，以剪切波速表示场地土的刚性广为各国抗震规范所采用

4、。 建筑场地类别： 抗震规范规定，建筑场地类别根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度分为4类，见表3-1。各类建筑场地的覆盖层厚度(m) 表3-1建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。 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，可取地面至该土层顶面的距离作为覆盖层厚度。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，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。表3-1中vs为岩石或坚硬土的剪切波速；vse为土层等效剪切波速，可根据实测

5、或按下式确定vse=d0(3-1) ndii=1vsi式中 d0-计算深度(m)，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；di-计算深度范围内第i土层的厚度(m)；n-计算深度范围内土层的分层数；vsi-计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s)，宜用现场实测数据。等效剪切波速vse是根据地震波通过计算深度范围内多层土层的时间等与该波通过计算深度范围内单一土层所需时间的条件求得的。 对丁类建筑以及层数不超过10层且高度不超过30m的丙类建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表3-2划分土的类型，再利用当地经验在表3-2的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。最后按式（3-1）确定场地计算深

6、度范围内土层剪切波速。土的类型划分和剪切波速范围 表3-2注：fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值，vs为岩土剪切波速。二、 地基基础的抗震验算在地震作用下，为保证建筑物的安全和正常使用，地基应同时满足承载力和变形的要求。但由于在地震作用下地基变形过程十分复杂，目前还没有条件进行这方面的定量的计算。因此，现行抗震规范规定，只要求对地基抗震承载力进行验算，至于地基变形，则通过对上部结构或地基基础采取一定的抗震措施来保证。1可不进行天然地基与基础抗震承载力验算的建筑历次震害调查表明，一般天然地基上的下列一些建筑很少因为地基失效而破坏。因此，抗震规范规定，建造在天然地基上的以下建筑，可不进

7、行天然地基和基础抗震承载力验算： 砌体房屋。 地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层，且高度在25m以下的一般民用框架房屋及与其基础载荷相当的多层框架厂房。这里的地基主要受力层是指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度），单独基础底面下深度为1b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下的民用建筑除外）。 7度、类场地，柱高分别不超过10m，且结构单元两端均有山墙的钢筋混凝土柱和砖柱单跨及等高多跨厂房（锯齿形厂房除外）。 6度时的建筑（建造在类场地上的较高的高层建筑除外。这里较高的高层建筑是指，高度大于40m的钢筋混凝土框架、高度大于60m的其他钢筋混凝土

8、民用房屋及高层钢结构房屋。）。软弱粘性土层指7度、8度和9度时，地基静承载力特征值分别小于80、100和120kPa的土层。2天然地基抗震承载力验算（1） 验算方法验算天然地基在地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础地面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求pfaE (3-2) pmax1.2faE (3-3) 式中 p -地震作用效应标准组合的基础底面平均压力；pmax-地震作用效应标准组合的基础底面边缘最大压力；faE -调整后地基土抗震承载力。抗震规范同时规定，高宽比大于4的建筑，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域面积不应超过基

9、底面积的15%。根据后一规定，对基础底面为矩形基础，其受压宽度与基础宽度之比则应大于85%，即b'0.85b (3-4)式中 b'-矩形基础底面受压宽度（图3-2）；b-矩形基础底面宽度。（2） 地基土抗震承载力在地震作用下，建筑物地基土的抗震承载力与地基静承载力是有差别的。这是因为在静压力作用下，地基土将产生弹性变形及永久变形（即残余变形）。弹性变形可在短时间内完成，而永久变形则需要较长的时间才能完成，因此，在静载长期作用下，地基中将产生较大的变形。而地震作用时间很短，只能使土层产生弹性变形而来不及发生永久变形。所以，由地震作用产生的地基变形较静载产生的地基变形要小得多。而地

10、基承载力是根据地基允许变形值确定的，若地基允许变形值一定，因为静载产生的变形大，故所需的静载压力就小，而地震作用产生的变形小，故所需的地震作用产生的压力就应该大。因此从地基变形角度来说，地震作用时地基土的抗震承载力应比地基土的静承载力大，即动强度一般高于静强度，故在确定地基土抗震承载力时，其取值可以比地基静承载力大一些。对于地基土抗震承载力的取值我国规范采取在地基土静承载力的基础上乘以提高系数的方法。在进行天然地基基础抗震验算时，地基土抗震承载力可按下式计算：faE=afa (3-5)式中 faE -调整后的地基土抗震承载力设计值；a -地基土抗震承载力调整系数，可按表3-3采用；fa -经深

11、宽度修正后，地基土静承载力特征值，按建筑地基基础设计规范（GB50007）（以下简称设计规范）采用。地震作用对软土的影响较大，土越软，在地震作用下的变形越大。如我国天津塘沽地区软土，其静承载力约为49kPa，唐山地震后，其动强度还略低于静强度，因此，在进行抗震强度验算时，软弱土的抗震承载力不能提高。三、地基土的液化1液化的概念在地下水位以下的饱和的松砂和粉土受到地震的振动作用，土颗粒间有压密的趋势，孔隙水压力增高以及孔隙水向外运动，这样，一方面可能引起地面上发生喷砂冒水现象，另一方面更多的水分来不及排除，使土颗粒处于悬浮状态，形成有如“液体”一样的现象，称为液化。由土力学原理可知，饱和砂土的地

12、震液化破坏，关键在于饱和砂土孔隙水压力变化。 饱和砂土的抗剪强度是f=(-u)tg (3-6)式中 -剪切面上有效法向压应力（粒间压应力）； -剪切面上总的法向压应力； u -剪切面上孔隙水压力； -土的内摩擦角。地震时，由于场地土作强烈振动，孔隙水压力u急剧增高，直至与总的法向压应力相等，即有效法向压应力=-u=0时，沙土颗粒便呈悬浮状态。土体抗剪强度f=0， 从而使场地土失去承载能力。2影响砂土液化的因素（1） 沙土的组成一般来说，细砂比粗砂容易液化，级配均匀的比级配良好的容易液化，细砂比粗砂容易液化的主要原因是粗砂较细砂的透水性好，即使粗砂有液化现象发生，但因孔隙水超压作用时间短，其液化

13、进行的时间也短。（2） 相对密度松砂比密砂容易液化，1964年日本的新泻地震表明，相对密度Dr为50%的地方普遍看到液化现象，而相对密度Dr70%的地方就没有液化。在粉土中，由于它是粘性土与无粘性土之间的过渡性土壤，因而其粘性颗粒的含量多少就决定了这类土壤的性质，从而也就影响液化的难易程度。粘性颗粒少的比多的容易液化，即粘性土壤颗粒含量超过表3-4所列指标时，即不会发生液化。（3） 土层的埋深用应力控制式的动三轴进行试验及研究结果表明，侧限压力越大，越不容易液化。测限压力大小实际上反映了土层的埋深。所以砂土层埋深越大，即有效覆盖压力越大，砂层就越不容易液化。地震时，液化砂土层的深度一般是在10

14、m以内。（4） 地下水位地下水位浅的比地下水位深的容易发生液化。对于砂类土液化区内，一般地下水位深度4m，容易液化，超过此深度后，就没有液化发生。对粉土的液化，在7度、8度、9度区内，地下水位分别小于1.5m、2.5m、6.0m，容易液化，超过此值后，则未发生液化现象。（5） 地震烈度大小和地震持续时间多次震害调查表明：地震烈度高，地面运动强度大，就容易发生液化。一般56度地区很少看到有液化现象。日本新泻在过去100年中发生25次地震，其中只有三次发生过液化现象，这三次地面加速度都大于0.13g。地面运动强度是砂土液化的重要原因。实验结果还说明，如地面运动时间长，即使地震烈度低，也可能出现液化

15、。3液化的判别当建筑物地基有饱和砂土或饱和粉土时，应经过勘查试验确定在地震时是否液化。 基本烈度为6度时，一般情况下可不进行判别和处理，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，79度时，乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别和处理。存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。液化判别可分二步进行；第一步，初步判别。饱和的砂土或粉土当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或不考虑液化影响：地质年代为第四季更新世（Q3）及其以前时，可判为不液化土；粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率c（%）在7度、8度、9度分别

16、不小于10、13和16时，应判为不液化土；采用天然基础的建筑，当覆盖在非液化土层上的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：dud0+db-2 (3-7) dwd0+db-3 (3-8) du+dw1.5d0+2db-4.5 (3-9)式中 dw-地下水位深度（m），按建筑使用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-上覆非液化土层厚度（m），计算时宜将淤泥和淤泥土层扣除；，不超过2m时应采用2m；d0-液化土特征深度（m）。 db-基础埋置深度（m）第二步，标准贯入试验判别。凡初判为可能液化或需考虑液化影响时，应采用标准贯入试验进一步确定其是否液化。当有成熟经

17、验时，也可采用其他辨别方法。标准贯入试验设备，主要是由标准贯入器、触探杆和重63.5公斤的穿心锤三部分组成。操作时先用钻具钻至试验土层标高以上15cm，然后在锤的落距为76cm的条件下，每打入砂层30cm的锤击数计作N63.5。当饱和砂土或饱和粉土实测标准贯入锤击数（未经杆长修正）N63.5值小于按式（3-10）确定的临界值Ncr时，则应判别为可液化土，否则为不液化土。Ncr=N00.9+0.1(ds-dw)3c (3-10)式中 Ncr-液化判别标准贯入锤击数临界值；N0 -液化判别标准贯入锤击数基准值，按表3-7采用；ds -饱和土标准贯入点深度（m）；dw -室外地面到地下水位的距离（m

18、）；c -粘粒含量百分率，当c3时，取等于3。注：括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。从式（310）可以看出，公式主要考虑了砂层所处的深度、地下水位深度、饱和土的粘粒含量，及地震烈度等影响，这些都是影响砂土液化的主要因素。4液化的等级以上仅对是否可能出现液化进行了判别，在工程中必须对液化危害性作出定量的评价。实际上，在同一地震强度下，液化层的厚度越大，埋藏越浅，土密度越低，则其液化所造成的危害越大。反之，则危害程度就小。一般是用确定地基的液化等级来进一步做液化危害分析。凡经判定为可液化的土层，应按式（3-11）来确定地基的液化指数IlE，并按表3-8确定地基的液化等

19、级。式中 IlE-液化指数； IlENi = 1-diwi (3-11) Ncrii=1nn -15m深范围内每一个钻孔标准贯入试验点总数；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应取临界值的数值；di-i点所代表的土层厚度（m），可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入点深度差的一半，但上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度；wi-i土层考虑单位土层厚度的层位影响权函数值（m），若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时应取10，等于15m时应取0，515m时应按线性内插法取值；若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时应取10，等于2

20、0m时应取0，520m时应按线性内插法取值。当液化指数IlE较小(0IlE5)，地面无喷水冒砂，或仅洼地、河边有零星的喷冒点，此时，液化危害性小，场地上的建筑一般没有明显的沉降或不均匀沉降。当液化指数增大到515时，液化危害增大，喷冒频频出现，从轻微到严重均有，多数属中等喷冒，液化常导致建筑物产生明显的不均匀沉降或裂缝，在土层和结构条件的不利组合下，液化不均匀沉降可达0.2m，绝对沉降可达0.5m，特别是那些直接用液化土作地基持力层的建筑和农村简易房屋，受害普遍较重。-1当液化指数lE15时，液化危害较严重，场地喷冒严重，涌砂量大，地面变形明显，覆盖面广，建筑物的不均匀沉降值常达到2030cm

21、，高重心结构可能产生不允许的倾斜，严重影响使用，修复工作难度增大。5可液化地基的处理地震时，饱和砂土、饱和粉土的液化将引起地基的不均匀沉降，导致建筑物破坏，倾斜场地或具体土层液化也往往带来大体积土体滑动而造成严重后果。因而，为保障建筑物安全，应根据材料、施工机具、场地环境等因素综合考虑选择恰当的抗液化措施。（1） 一般情况下，除丁类建筑外，应避免用未经加固处理的可液化土层作为天然地基的持力层。（2） 对液化地基，应根据不同的地基液化等级，结合具体等级与具体情况，按表3-7选择恰当的抗液化措施。（3）全部消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求：采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不

22、包括桩尖部分）应按计算确定，对碎石、砾、粗、中砂、坚硬粘性土和密实粉土不应小于0.5m ，其他非岩石土不宜小于1.5m；采用深基础时，基础底面埋入液化深度以下稳定土层中的深度应不小于0.5m；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，桩间土的标准贯入锤击数N63.5应大于计算的临界值。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。要求部分消除地基液化沉陷时，处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5

23、，对独立基础与条形基础，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。另外，抗震规范对桩基是否需要抗震验算专门作了详细的规定。四、软弱粘性土地基和不均匀地基的处理1软弱粘性土地基的处理当建筑物地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层（7度、8度和9度；其它地基静承载能力标准值分别小于80、100和120kPa）时，由于其容许承载能力低，压缩性大，房屋的沉降和不均匀沉降大，如设计不周，就会使房屋大量下沉，造成上部结构开裂，地震时会加剧房屋的破坏，故应首先做好静力条件下的地基基础设计，并结合具体情况，综合考虑适当的抗震措施，这些措施为：（1） 必要时采用桩基或其它人工地基，其它人工地基如：换土垫层，垫层材料可以为砂、碎石、灰土、矿渣等。也可采用化学加固法，即在粘