北航结构抗震第二章

第二章场地与地基2.1场地划分与场地区划2.2地基抗震验算2.3场地土的液化与抗液化措施主要内容地震破坏作用场地的震动作用和场地、地基的破坏作用。

场地的地震动作用是指由于强烈地面运动引起地面设施振动而产生的破坏作用。

措施：合理的进行抗震和减震设计和采取减震措施。§2.1场地划分与场地区划场地和地基的破坏作用一般是指造成建筑破坏的直接原因是由于场地和地基稳定性引起的。§2.1场地划分与场地区划场地：建筑物所在地，其范围大体相当于厂区、居民点和自然村的范围地震类型、结构类型、下卧层的构成、覆盖层厚度2.1.1场地及其地震效应

房屋倒塌率随土层厚度的增加而加大；比较而言，软弱场地上的建筑物震害一般重于坚硬场地影响建筑物震害的因素:1967年委内瑞拉加拉加斯地震地震波通过覆盖土层传向地表与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大

地震动的卓越周期：在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期

另一些频率波群将被衰减甚至被完全过滤掉

因此，地表地震动的卓越周期与场地的固有周期接近时

建筑物的振动会加大，相应地，震害也会加重多层土的地震效应主要取决于三个基本因素：覆盖土层厚度土层剪切波速岩土阻抗比影响地震动的频谱特性——

影响共振放大效应2.1.2场地土剪切波速场地土是指场地范围内深度在20m左右的地基土。一般用剪切波速来反映场地土的软硬土的类型划分和剪切波速范围10层和高度30m以下的丙类建筑及丁类建筑适用于：---由荷载试验等方法得到的地基土静承载力特征值淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，填土，流塑黄土软弱土稍密的的砾、粗、中砂,除松散外的细、粉砂,可塑黄土,

的粘性土和粉土,的填土中软土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土，坚硬黄土中硬土稳定岩石，密实的碎石土坚硬土或岩石土层剪切波速范围(m/s)

岩土名称和性状土的类型土层等效剪切波速式中——计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；

——计算深度范围内土层的分层数；

——第i层土的剪切波速；

——第i层土的厚度。计算：2.1.3覆盖层厚度＊原意：从地表面至地下基岩面的距离

＊工程上的判定：

当下部土层的剪切波速达到上部土层剪切波速的2.5倍，且下部土层中没有剪切波速小于400m/s的岩土层时，该下部土层就可以近似看作基岩

＊我国建筑抗震设计规范：地下基岩或剪切波速大于500m/s的坚硬土层至地表面的距离，称为“覆盖层厚度”2.1.4场地的类别场地类别确定根据：土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度适用于：剪切波速随深度递增的一般情况当计算深度以下有明显的软弱土夹层时应适当提高场地类别

15~80

3~15

3~500

Ⅳ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅰ等效剪切波速（m/s）场地类型2.1.5发震断裂的影响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。例题[2-1]已知某建筑场地的钻孔地质资料如下表2-3所示，试确定该场地的类别因为地表下7.5m以下土层的=520m/s>500m/s,故覆盖层厚度为7.5m(1)确定覆盖层厚度[解](2)计算等效剪切波速，有：

查表得，位于250～500m/s之间，且故属于Ⅱ类场地>5m,

15~80

3~15

3~500

Ⅳ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅰ等效剪切波速（m/s）场地类型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。层底深度(m)土层厚度(m)土的名称剪切波速m/s9.59.5砂17037.828.3淤泥质粘土13043.65.8砂24060.116.5淤泥质粘土200632.9细砂31069.56.5砾混粗砂520解：(1)确定覆盖层厚度(2)确定等效剪切波速(3)确定建筑场地类别属于Ⅲ类场地例题[2-2]

15~80

3~15

3~500

Ⅳ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅰ等效剪切波速（m/s）场地类型2.1.6场地区划城区范围内的场地类别区域划分（又称场地小区划）设防地震动参数区划场地地面破坏潜势区划等场地设计地震动的区域划分给出的结果：场地区划的基本方法与过程：收集城区范围内的工程地质、水文地质、地震地质资料作出所考虑区域的控制剖面图按照钻孔地质资料统计，给出不同类别土的剪切波速随深度变化的经验关系计算控制点的浅层岩土（地表下20m）等效剪切波速，并决定各控制点覆盖层厚度根据等效剪切波速和覆盖层厚度对城区范围内的场地作出小区划分适当进行补充的工程地质勘探和剪切波速测试工作场地固有周期T的计算：

（剪切波重复反射理论）

式中

——计算深度范围内土层的分层数；

——第i层土的剪切波速；

——第

i

层土的厚度。场地等效剪切波速等值线场地固有周期等值线场地区划工作深入的场地区划还可以做出场地等效剪切波速等值线和场地固有周期等值线。§2.2地基抗震验算地基：建筑物基础下面受力层范围内的土层。

松软土地基和不均匀地基：2.2.1地基抗震设计原则

处理方法：饱和的淤泥和淤泥质土冲填土和杂填土不均匀地基土不能不加处理地直接用作建筑物的天然地基在地震区地基处理措施：置换、加密、强夯等消除土的动力不稳定性

桩基等深基础避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响上部结构的处理措施地基基础抗震设计1)同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；2)同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基；3)地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性；4)根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶段上的工作状态。地基基础抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力的。地基基础抗震设计的一般要求一般土地基：建造于一般土质天然地基上的房屋遭遇地震时极少有因地基强度不足或较大沉陷导致的上部结构破坏可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的地基：(1)砌体房屋(2)地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：

1)一般的单层厂房和单层空旷房屋；

2)不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋；

3)基础荷载与2)项相当的多层框架厂房。(3)规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。地裂危害的防治软弱场地土上的建筑物，当基本烈度为7度以上时中软场地土上的建筑物，当基本烈度为9度时砖结构房屋——在承重砖墙的基础内设置现浇钢筋混凝土圈梁

防地裂措施:单层钢筋混凝土柱厂房——沿外墙一圈设置现浇整体基础墙梁或有现浇接头的装配整体式基础墙梁应采取防地裂措施的情况2.2.2地基土抗震承载力天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力按下式计算：

——调整后的地基土抗震承载力；——地基土抗震调整系数，按下表采用；——深宽修正后的地基土静承载力特征值，按现行《建筑地基基础设计规范》采用岩土名称和性状岩石，密实的碎石土，密实的砾，粗、中砂，≥300kpa的粘性土和粉土

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≤<300kpa的粘性土和粉土，坚硬黄土

1.3稍密的细、粉砂，100kpa≤<150kpa的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土，可塑黄土

1.1淤泥、淤泥质土，松散的砂、填土，新近堆积黄土及流塑黄土

1.02.2.3地基抗震验算

步骤：1.根据静力设计的要求确定基础尺寸对地基进行强度和沉降量的核算2.地基抗震强度验算：（荷载组合；基础底面的压力取为直线分布）基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值§2.3地基土液化及其防治2.3.1地基土液化及其危害

处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，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。液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。砂土液化机理地震饱和砂土、粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移颗粒结构趋于压密颗粒间孔隙水来不及排泄而受到挤压孔隙水压力急剧增加孔隙水压力=土颗粒所受到的总的正压应力土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失砂土液化的危害使土体的抗震强度丧失，引起地基不均匀沉陷,引发建筑物的破坏甚至倒塌

土颗粒处于悬浮状态形成液化现象唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂量0.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。彰化县社头乡三幢三层楼透天住宅，中间一幢有地下室，前后二幢皆无，液化使前后两幢相对下沉40～70cm南投埔里镇民富一街路面因土壤液化而导致开裂及下陷砂土液化的危害(图)图发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。南投市公所社会科办公大楼前之大草坪产生土壤液化情形砂土液化的危害(图)液化喷沙现象图发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。液化使建筑物产生下列震害：

1.地面开裂下沉使建筑物产生过渡下沉或整体倾斜；

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形变化处开裂；

3.室内地坪上鼓、开裂，设备基础上浮或下沉。影响场地土液化的主要因素：

1.土层的地质年代；

2.土层的土粒的组成和密实程度；

3.砂土层埋置深度和地下水位深度；

4.地震烈度和地震持续时间。

1、液化判别和处理的一般原则：

1)对存在饱和砂土和粉土（不含黄土）的地基，除6度外，应进行液化判别。对6度区一般情况下可不进行判别和处理，但对液化敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理。

2)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。2.3.2液化的判别及危害程度估计液化的判别两大步骤：1.初步判别；2.标准贯入试验判别＊初步判别以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件(1)地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及以前时，7、8度可判为不液化；(2)当粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率在烈度为7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；(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。du---上覆非液化土层厚度(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时采用2m；dw---地下水位深度(m)

，宜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；d0---液化土特征深度(m)，按右表采用。9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别上面判别式（db=2)亦可用下图表示：db>2时，在du、dw中减去（db-2)后再查图确定。砂土1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区7度8度9度du(m)1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区粉土7度9度8度du(m)查液化土特征深度表例2.3图示为某场地地基剖面图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：9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别需要进一步判定是否考虑液化影响。dw=6mdu=5.5mdb=2mdu=5.5m,dw=6m例2.3图示为某场地地基剖面图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：按土层液化判别图确定du=5.5mdw=6mdw=6mdu=5.5mdb=2m砂土1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区7度8度9度du(m)需要进一步判定是否考虑液化影响。例2.4图示为某场地地基剖面图上覆非液化土层厚度du=5.5m

其下为沙土，地下水位深度为dw=6m.基础埋深db=2.5m,

该场地为8度区。确定是否考虑液化影响。dw=6mdu=5.5mdb=2m查液化土特征深度表解：9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别需要进一步判定是否考虑液化影响。du=5.5m,dw=6m例2.4图示为某场地地基剖面图上覆非液化土层厚度du=5.5m

其下为沙土，地下水位深度为dw=6m.基础埋深db=2.5m,

该场地为8度区。确定是否考虑液化影响。解：按土层液化判别图确定需要进一步判别是否考虑液化影响。dw=6mdu=5.5mdb=2m砂土1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区7度8度9度du(m)采用标准贯入试验判别钻孔至试验土层上15cm处,用63.5公斤穿心锤，落距为76cm，打击土层，打入30cm所用的锤击数记作N63.5，称为标贯击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定是否会液化。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---贯入器靴细判--标准贯入试验判别初判条件均不能满足时，地基土存在液化可能采用标准贯入试验进一步判别其是否液化

——适用于一般情况

——适用于桩基或深基础规范规定当饱和可液化土的标贯击数N63.5的值小于Ncr值时，判为液化，否则判为不液化。N63.5＜Ncr时，应判为液化土，否则为不液化土括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15和0.3g的地区12(15)---

8（10)第二、三组1610(13)

6（8）

第一组987设计地震分组烈度式中，——液化判别标准贯入锤击数下限值；——液化判别标准锤击数基准值，按下表采用；——饱和土标准贯入点深度（m）；——土体粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，取32.3.3液化地基的评价地基液化指数

——15m（20m）深度范围内标准贯入试验点的总数、——为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当＞时，应取

——i点所代表的土层厚度（m）

——第i层土层单位土层厚度的层位影响权函数值（单位为m-1）。若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用零值，5~15m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时应采用10，等于20m时应采用零值，5~20m时应按线性内插法取值。采用土层柱状液化等级判定。液化等级与相应的震害液化等级

地面喷水冒砂情况

对建筑物的危害情况轻微地面无喷水冒砂，或仅在洼地、诃边有零星的喷水冒砂点危害性小，一般不致引起明显的震害中等喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm严重一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不允许的倾斜判别深度20m时的液化指标判别深度15m时的液化指标

严重

中等

轻微

液化等级由液化指数，按下表确定液化等级2.3.4液化地基的抗震措施地基和上部结构处理，或其它经济的措施可不采取措施可不采取措施丁类全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对地基和上部结构处理基础和上部结构处理，或更高要求的措施基础和上部结构处理，亦可不采取措施丙类全部消除液化沉陷全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对地基和上部结构处理部分消除液化沉陷，或对地基和上部结构处理乙类严重中等轻微地基的液化等级建筑类别当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施抗液化措施是对液化地基的综合处理，总要求是：使处理后土层的标准贯人锤击数实测值大于相应的临界值。＊全部消除地基液化沉陷(1)桩基——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，对碎石土、砾，粗、中粗，坚硬粘性土不应小于0.5m，其他非岩石不宜小于1.5m；具体要求：可采用桩基、深基础、土层加密法、挖除全部液化土层等措施(2)深基础——基础底面埋人液化深度以下稳定土层中的深度不应小于0.5m；(3)加密方法（如振动加密、强夯等）——应处理至液化深度下界，且处理后土层标准贯人锤击数实测值应大于相应下限值；(4)全部挖除液化土层(5)在采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽