场地、地基与基础

场地、地基与基础建筑抗震设计董立军土木0932009011352讲评：建筑抗震设计主要内容地基、场地与基础场地——是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，相似与居民区、厂区和自然村或不小于1.0km2的平面面积场地土——指场地范围内的地基土。地基——建筑基础下受力范围内的土层。一、场地与地震危害1、场地2、地震危害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：

场地、地基的破坏作用和场地的震动作用。★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。★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。地基震害的主要形式地裂缝。分为构造地裂缝和重力地裂缝沉降，隆起在动静剪应力下塑性流动，导致建筑物沉陷过大或不均匀砂沸，喷砂冒水。超净空隙压力寻找出路造成山体沿软弱夹层滑动影响建筑震害和地震动参数的场地因素很多，其中包括有局部地形、地质构造、地基土质、建筑物自身等，其中主要因素：

1、场地土的刚性（及土的坚硬程度及密实程度）

2、场地覆盖层厚度3、场地与地震危害多次震害调查发现，同一烈度区，不同场地上的建筑的震害不同，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”。为了合理地选择建筑场地和合理估计场地的动力放大效应以达到经济和安全的目的，必须对场地所在地段的抗震危险性及场地类别进行划分。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、疏松的断层破碎带、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、地箔、地裂、混石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位

1、建筑场地的选择选择建筑场地时，应按表4.1.1划分对建筑抗震有利、一般、不利和危险的地段。表4.1.1有利、一般、不利和危险地段的划分《中华人民共和国国家标准GB50011-2010:建筑抗震设计规范》2、建筑场地的类别4.1.2建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准。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坚硬土或软质岩石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≥υS＞250中软土稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤150的黏性土和粉土，fak＞130的填土，可塑新黄土250≥υS＞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υS≤150表4.1.3土的类型划分和剪切波速范围注：fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值(kPa)；υS为岩土剪切波速。土层的等效剪切波速----土层的等效剪切波速----计算深度（m)，取覆盖层厚度和20m二者的较小值----剪切波在地面至计算深度之间的传播时间----计算深度范围内第i土层的厚度(m)----计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s)----计算深度范围内土层的分层数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≥υS＞250＜5≥5250≥υS＞150＜33～50＞50υS≤150＜33～1515～50＞804.1.6建筑的场地类别，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表4.1.6划分为四类，其中I类分为I0、I1两个亚类。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于表4.1.6所列场地类别的分界线附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期。（注：表中υS系岩石的剪切波速。）

表4.1.6各类建筑场地的覆盖层厚度(m)二

地震时地面运动特性

地震地面运动的一般特征概括为：1.地面运动最大加速度：决定强震时作用于结构的地震力2.地面运动的周期：对结构地震反应起重要作用3.强震的持续时间：对建筑物的破坏程度有较大的影响地面运动的一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明，它是由一系列非周期性的加速度脉冲所组成。二

地震时地面运动特性场地条件对地震地面运动的影响土层放大作用

透射系数反射系数

波动阻抗比共振作用场地土层的固有周期与场地的地震效应土层的固有周期场地土层的固有周期的简化计算公式为单一土层时多层土时---覆盖层厚度---土的剪切波速---土层总数----i层厚度----i层剪切波速基础的设计的基本原则地基承载力变形地基基础的抗震设计●同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；●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；●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；●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1、天然地基和基础

地基在地震作用下的稳定性对基础及上部结构的内力分布是比较敏感的，因此确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。2天然地基的震害特点1.高压缩性饱和软粘土和承载力较低的淤泥质土在地震中产生不同程度的震陷，造成上部结构的倾斜或破坏；2.杂填土、回填土和冲填土等松软填土地基，土质松软且承载力较低，易产生沉陷，使结构开裂；3.沟、坑、古河道、坡地办挖半填等非匀质地基在地震中的不均匀沉降或地裂缝引起上部结构破坏。三、天然地基3、天然地基的抗震措施1.软弱粘性土地基：采用桩基，地基加固；2.杂填土地基：换土夯实；地基加固；3.不均匀地基：综合建筑体型、荷载、烈度、结构类型等采取合理的结构布局、地基抗震措施。地基加固处理方法换土垫层法重锤夯实法挤密桩法沉井预压法4、天然地基地震作用下的承载力验算（看课本）采用“拟静力法”

规范规定：基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式要求式中p----基础底面平均压力（kPa)pmax—基础底面边缘最大压力(kPa)faE---地基土抗震允许承载力

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；其它建筑，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%。5.地基土抗震承载力确定地基抗震承载力在静力设计承载力基础上调整。

调整的出发点：1）地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；2）多数土在有限次的动载下，强度较静载下较高。5.地基土抗震承载力确定（看课本）式中faE---调整后的地基抗震承载力设计值

---地基抗震承载力调整系数fa-----深宽修正后的地基承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范》GB50007采用1.0淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土1.1稍密的细、粉砂，的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土1.3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，

的粘性土和粉土1.5岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土

岩土名称和性状地基土抗震承载力调整系数四、液化土地基1.地震液化：

对于饱和松砂、细砂，在振动荷载下(剪切力)土有由松变密的趋势。这个过程中，由于水来不及排走，颗粒在一段时间内处于悬浮状态。有效应力变为零，抗剪强度丧失——液化液化机理：饱和土震动密实——孔隙水压力骤然上升——土颗粒间有效应力减少（土抗剪强度降低）液化条件：饱和；松散；细砂或粉土多发土层：饱和粉、细砂及塑性指数小于7的粉土中，因此类土既缺乏粘聚力又排水不畅。

注意：

•粘土有粘聚力c,不易液化

•密砂,不液化

•埋深15m以下，一般不液化3、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（参考课本）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。2.饱和砂土和粉土的振动液化液化的宏观标志地表裂缝中喷水冒砂地基失效与过大沉降液化侧向扩展与流滑、液化引起的土体坍塌与永久变形地基液化可能性判断方法2)抗液化剪应力法这一方法是由美国学者西特(H.B.Seed)等人提出的地基液化可能性评定方法。它的基本出发点是把地震作用看成是一种由基岩垂直向上传播的水平剪切波，剪切波在土层内引起地震剪应力。另一方面，对地基土进行振动液化试验，测出引起液化所需的震动剪应力，称为抗液化剪应力。当作用于地基土上的地震剪应力大于土的抗液化剪应力时，土即发生液化;反之，则不液化。因此这一方法的关键在于计算地震剪应力和测定土的抗液化剪应力。等效地震剪应力——距离地表深为h等效地震应力

——土的容重水下取饱和重度h——距地表的深度g——重力加速度——地震是地面的最大加速度——校正系数等效地震剪应力校正系数抗液化剪应力理论上讲，>地基土液化。反之不液化。但由于饱和松散砂土和粉土的原状土难以取得或模拟，故由概念明确，却难以操作。——土的液化剪应力——浮重度——校正系数——动剪应力——周围应力

——动剪应力比——深度——相对密度％抗液化剪应力不同震级的纯砂抗液化剪应力曲线7.5震级的粉砂抗液化剪应力曲线抗液化剪应力3)动力反应分析法原理：将土看作是粘弹性体，通过振动叠加法，求得动剪应力的时程曲线，并与实验室中的等幅值周期动力试验结果对比，将不规则的动应力时程曲线等价为均匀周期应力和振次。假定某种材料在某一应力循环下发生破坏，循环次数与施加的能量大小有关。4)概率统计法

日本谷本喜一基于35个地震事例提出。该法具有地区性，在临界液化灵敏性指标的确定上需修正。判据

场地液化判别结论的可信性：判别成功率78.5%，误判率21.5%

四、桩基的抗震验算桩基的抗震特点比天然地基有更好的抗震性能

水平受力桩震害大于竖向受力桩有液化侧向扩展的震害严重桩身震害的类型：桩头破坏：非液化的桩周土中，桩头部位因剪、压、拉、弯的作用而损坏桩周土为饱和软黏土或液化土时，动荷载下土的承载力减低或液化，桩过度沉降或倾斜液化土的侧向扩展使桩受过大的水平推力和位移，桩身弯曲破坏土坡的滑移使桩身的侧向力增大，桩身受弯和水平位移而破坏桩长不足，未能穿透液化土层而使桩基失效（课本内容）2、桩基不需要进行验算3、底承台桩的抗震验算（1）非液化土中的桩基（2）液化土中的桩基4、其他规定四、桩基的抗震验算五、软弱粘性土地基软土地基的震陷定义：地震时地面的巨大沉陷称为震陷或震沉。

产生原因松砂经震动后趋于密实而沉缩；饱和砂土经振动液化后，涌向四周洞穴或从地表缝中逸出而引起地面变形；淤泥质粘土经震动后，结构受扰动而强度显著降低，产生附加沉降。软弱黏土抗震措施采用桩基地基加固处理改进基础和上部结构设计五、软弱粘性土地基

l.结构隔震的概念与原理（１）结构隔震的概念房屋基础隔震：在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置（或系统）形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输，以减少建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌。基础抗震新技术隔震系统一般由隔震器、阻尼器等所构成，它具有竖向刚度大、水平刚度小，能提供较大阻尼的特点。（２）结构隔震的原理基础隔震的原理就是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减少，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态，从而建筑物不产生破坏或倒塌。

2.隔震结构的特点①提高了地震时结构的安全性；②上部结构设计更加灵活，抗震措施简单明了；③防止内部物品的振动、移动、翻倒，减少了次生灾害；④防止非结构构件的损坏；⑤抑制了振动时的不舒适感，提高了安全感和居住性；⑥可以保持机械、仪表、器具的功能；⑦震后无需修复，具有明显的社会和经济效益；⑧经合理设计，可以降低工程造价。1结构耗能减震原理与耗能减震结构特点结构耗能减震：在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输人结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。