土力学第九章

郑州大学土木工程学院土力学授课者刘忠玉第九章地震区地基第一节概述一、地震的类型1．人工触发地震人工触发地震指人类工程活动引起的地震，如大型水库的修建、大规模人工爆炸、地下核爆炸试验、各种机械振动等造成的地震。2．天然地震（1）构造地震：是由地下深处岩层错动、破裂所造成的地震。（2）火山地震：是由火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震。（3）陷落地震：是由地层陷落引起的地震。二、地震的分布1．地震的分布很广（1）环太平洋地震活动带。环太平洋带西部边缘包括日本、马里亚纳群岛、台湾、菲律宾、印尼，直至新西兰。它的东部边缘是南、北美洲的西海岸，包括美国、墨西哥、秘鲁、智利等国。该带所发生地震数量占地震总数的75%~80%以上。（2）地中海—中亚地震活动带。地中海—中亚带大致呈东西走向，与山脉延伸方向一致，从亚速尔群岛经过地中海、喜马拉雅地区，至我国的云南、四川西部和缅甸等地，与环太平洋带相接。这一带地震能量约占15％～20％。2．我国是多地震的国家中国位于上述世界两大地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。这五个地区是：①台湾省及其附近海域；②西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；④华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山–燕山一带、山东中部和渤海湾；⑤东南沿海的广东、福建等地。1976年唐山大地震中倒塌的厂房

2008年5月12日汶川地震2010年4月10日玉树地震三、有关地震的几个概念四、地震的震级、烈度（一）地震震级震级标准，最先是由美国地震学家里克特提出来的，所以又称“里氏震级”。一次5级地震释放的能量相当于二万吨黄色炸药（TNT）爆炸时所释放的能量。震级相差1.0级，能量相差30倍。一次地震只有一个震级。

（二）地震烈度地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称烈度。它是根据地震造成的地面破坏、建筑物破坏和人的感觉、反应等宏观现象来综合评定的。当然，也可通过仪器的微观记录进行有关计算得出绝对的烈度。基本烈度、建筑场地烈度和设计烈度

（1）基本烈度。一个地区今后一定时期（100年）内，一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度，称为基本烈度，它依据于当地的地质、地形条件和历史地震情况和长期地震预报。基本烈度一般是靠近震中烈度大，远离震中烈度小。（2）建筑场地烈度。建筑场地烈度也称小区域烈度，它是指建筑场地内因地质条件、地形地貌条件和水文地质条件的不同而引起基本烈度的降低和提高的烈度。一般来说，建筑场地烈度比基本烈度提高或降低半度至一度。3）设计烈度。各类不同的建筑抗震设计所采用的烈度称为设计烈度。它是根据建筑物的重要性等级、抗震性以及工程的经济性等条件对基本烈度的调整。设计烈度一般采用国家批准的基本烈度。但在遇到不良地质条件或有特殊重要意义的建筑物时，经主管部门批准，可对基本烈度加以调整作为设计烈度。五、建筑场地类别与震害1．场地土的类型《建筑抗震设计规范》（GB50011）规定，对于丁类建筑及层数不超过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，按下表划分土的类型，再利用当地经验在该表的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。土的类型岩土名称和性状土层剪切波速范围（m/s）坚硬土或岩石稳定岩石，密实的碎石土vs.>500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak>200kPa的粘性土和粉土，坚硬黄土500≥vs>250中软土稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤200kPa的粘性土和粉土，fak>130的填土，可塑黄土250≥vs>140软弱土淤泥与淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，fak≤130kPa的填土，、流塑黄土vs≤140建筑场地的类别划分

（1）确定场地土层覆盖层厚度。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，且其下卧层土的剪切波速均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。另外，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，应视同刚体，其厚度应从覆盖层中扣除。（2）按下式计算土层的等效剪切波速vse式中d0——计算深度，m，取覆盖层厚度和20m二者的较小值；t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间，s；di——计算深度范围内第i土层的厚度，m；vsi——计算深度范围内第i土层剪切波速，m/s；n——计算深度范围内土层的分层数。（3）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6–5划分为四类。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于该表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设计特征周期。等效剪切波速(m/s)场地类别ⅠⅡⅢⅣvse>5000500≥vse>250<5≥5250≥vse>140<33~50≥50vse≤140<33~15>15~80>802．各类场地土的震害坚硬场地土、稳定岩石和I类场地是抗震最理想的地基，震害轻微；中硬场地土和Ⅱ类场地，为较好的抗震地基，震害较小；软弱场地土和Ⅳ类场地，震害最严重。六、地震效应地震发生时，地面会出现各种震害和破坏现象，也称地震效应，即地震的破坏作用。地震区对场地的地震效应主要有：地震力效应、地震破裂效应、地震液化效应和地震激发地质灾害的效应等。第二节土的动力性质一、土的动应力应变性能

土的动力参数主要是阻尼比和动剪切模量。动剪切模量是动剪切力与动剪切应变的比值，常根据土在在弹性界限内应力与动应力之比即动弹性模量换算而得。阻尼是指阻碍物体的相对运动、并把运动能量转化为热能或其他可以耗散能量的一种作用。

阻尼比为阻尼与临界阻尼（在临界阻尼下即开始进入非振动状态）之比。土的动弹性模量可以通过现场波动试验，或用室内动力三轴试验等加以测定。

二、土的动强度

加荷时间效应：冲击荷载、振动荷载与静荷载的加荷时间不同，加荷时间的长短也就是加荷速度或者相应的应变速度的快慢。速度不同，土的反应也不一样。振次效应：周期性的循环荷载，随着其循环的次数不同，土的强度反应也不同。振次愈少，动强度愈高，随着动荷载的反复作用，土变软弱。当压实土在动应力反复作用100次时，其动强度几乎等于静强度。若动荷载继续反复作用，则动强度将会低于静强度。

粘性土的动强度

在地震荷载作用下（相当于10次至15次的循环荷载），饱和粘性土的强度可增可减，其变动范围约为静强度的90～110％，而非饱和压实土的强度则为静强度的100～90％。一般来说，地震作用下的粘性土的强度变化不大。但软粘土在地震作用下变形较大，其强度也会有一定的降低。因此，建在软土地基上的建筑物，将产生震陷，尤其是土层内部夹有软土的不均匀地基，由于软土强度下降，变形率剧增，造成地基严重的不均匀沉陷，致使上部建筑物破坏。三、土体液化的预测及判别

液化：振动时，粒间有效压力趋近于零。影响砂土液化的主要因素：土的类型、级配和密实度；周围压力和地下水位；地震烈度大小；地面振动的历时

砂土液化可能性的判别

1．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：①地质年代为第四世纪晚更新世（Q3）及其以前时，可判为不液化土；②粉土的粘粒含量百分率，7度、8度和9度烈度区分别不小于10，13和16时，可判为不液化土；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；dw——地下水位深度（m）；宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；db——基础埋置深度（m）；不超过2m时取2m；d0——液化土特征深度（m）；可按表9.5取值。液化液化土特征深度d0

饱和土类别7度8度9度粉土678砂土7892．标准贯入试验判别法

地下15m深度范围内

地下15~20m深度范围内

标准贯入锤击数基准值N0

设计地震分组7度8度9度第一组6（8）10（13）16第二、三组8（10）9（15）18（四）地基的液化等级

1．液化指数

n——15m深度范围内，每一个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni、Ncri——分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值；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、下两标准贯入试验点深度差的一半；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(m–1)。若判别深度为15m，当土层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用零值，5m~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。2．地基的液化等级

液化等级液化指数对建筑的危害情况地面喷水冒砂情况轻微0~5危害性小，一般不至引起明显的震害地面无喷水冒砂，或仅在洼地、河边有零星的喷水冒砂点0~6中等5~15危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可能达到20mm喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等5~16严重>15危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不容许的倾斜一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显>16注：上、下分别为判别深度为15m、20m时的液化指数

四、土体液化的防治措施

建筑抗震设防类别地基的液化等级轻微中等严重乙类部分消除液化沉陷，或对基础和上部结构处理全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理全部消除液化沉陷丙类基础和上部结构处理，亦可不采取措施基础和上部结构处理，或更高要求的措施全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理丁类可不采取措施可不采取措施基础和上部结构处理或其他经济的措施第三节地基基础抗震概念设计和抗震验算1．建筑抗震设防标准抗震设防是以现有的科学水平和经济条件为前提的，现行建筑抗震设防的基本原则是“三水准的设防目标”。（1）小震不坏。当建筑物遭受低于本区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。建筑物处于正常状态，从结构抗震分析角度，可视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析。（2）中震可修。当建筑物遭受相当本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需要修理仍可继续使用。结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复范围。（3）大震不倒。当建筑物遭受本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致于倒塌或发生危及生命的严重破坏。结构有较大非弹性变形，但应控制在规定范围内，以免倒塌。2．选择有利场地选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质条件和地震地质的有关资料，按下表划分对抗震有利、不利和危险地段。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施；不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。地段类型地质、地形、地貌有利地段稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，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（如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位3．地基抗液化、抗震陷、抗滑移措施对有可能发生液化的地基，消除或减少震害的地基处理方法主要有：采用桩基础或其他深基础，将桩端和深基础底面深入非软土层；挖除或加固处理软土层，挖除或处理范围应达到基础底下一定深度（基础宽度的1～2倍）和一定宽度（基础宽度的2～3倍）。在无条件采取地基处理措施时，可将软土地基的承载力折减后进行基础设计，折减系数一般可取0.8。对于可能发生震陷的地基，采取基础和上部结构的构造措施也是一种合适的对策。对于地基土性质变化明显，属于严重不均匀地基的情况，为避免地震时基础倾斜，首先应考虑避开，不然则应采取类似于震陷地基的处理措施。对于地基土偏硬的部分，有时可加设“褥垫”。对于可能在地震时产生滑动的地基土，应采取地基加固或抗滑桩等抗震措施。4．做好基础设计（1）适当加大基础埋深d。基础埋深d加大，可以增加地基土对建筑物的约束作用，从而减小建筑物的振幅，减轻震害。还可以提高地基的强度和稳定性，有利于减少建筑物的整体倾斜，防止滑移及倾覆。实践表明，地下结构物具有良好的抗震性能。（2）选择较好的基础类型。基础类型不同，产生的震害可能不同。地震区的软土地基上应该选择刚度大、整体性好的箱形基础或筏板基础。箱基与筏基能有效地调整与减轻震陷引起的不均匀沉降，从而减轻对上部结构的破坏。除箱基与筏基以外，桩基础的动力反应也不敏感，是一种良好的抗震基础形式。设计时注意桩基应穿过液化土层并插入非液化的坚实土层一定深度，以保持稳定。5．加强建筑物整体性在设计中加强基础与上部结构的整体性，对建筑物抗震十分有利。例如，砖混结构条形基础，在基础上面设置一道钢筋混凝土地梁，把内外墙的基础连成整体。必要时在楼房层之间设置钢筋混凝土圈梁，同时在建筑物的四周与内外墙交接处设置钢筋混凝土构造柱，并与地梁和各层之间的圈梁牢固连接，将上部结构与基础连成整体，这对抗震极为有利。二、抗震验算时土压力的计算

物部–冈部方法（水平地震）（水平和竖向地震）三、地基抗震强度验算

可不进行天然地基及基础的抗震验算的建筑：1）砌体房屋，多层内框架房屋，水塔；2）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和单层空旷房屋、不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋及与之基础荷载相当的多层框架厂房。这里，所谓软弱粘性土主要是指7、8和9度时，地基静承载力特征值分别小于80kPa、100kPa和120kPa的土层；3）可不进行上部结构抗震验算的建筑。对于承受竖向荷载为主的低承台，当基底下无可液化土层，且承台周围无淤泥、淤泥质土和地基静承载力特征值不大于100kPa的填土时，上列的第1）、3）条规定的建筑及7度和8度时的第2条规定的建筑，可不进行桩基抗震承载力验算。1．天然地基的抗震强度验算和加固处理

p——地震作用效应标准组合的基础底面平均压力（kPa）；pmax——地震作用效应标准组合的基底边缘处最大压力（kPa）；fa——深宽修正后的地基承载力特征值（kPa），应按现行国家标准《建筑地基基