建筑结构抗震设计-地基与基础

建筑结构抗震设计-地基与基础第一页，共52页。第八章地基与基础关于地基基础设计，抗震规范有如下规定：1、避开危险地带（如断裂带等）；2、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；3、同一结构单元的基础不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；4、软弱地基上的基础应加强其整体性和刚性。第二页，共52页。§8.1建筑场地

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8.1.1场地土类型场地土：场地范围内的地基土分类指标：场地土的刚度土的刚度：研究表明，场地土质坚硬与否对地表地震效应影响明显。这种土质坚硬性能称之为“土的刚度”，一般用图的剪切波速表示。第三页，共52页。§8.1建筑场地

土的类型划分和剪切波速范围：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vs>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≥vs>500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak>150的粘性土和粉土，坚硬黄土500≥vs>250中软土稍密的的砾、粗、中砂,除松散外的细、粉砂,fak≤150的粘性土和粉土,fak>130的填土，可塑黄土250≥vs>150软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，fak≤130的填土，流塑黄土vs≤150fak

---由荷载试验等方法得到的地基土静承载力特征值第四页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.2场地覆盖层厚度场地覆盖层厚度的确定：（1）.一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面距离确定；（2）.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不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定；（3）.剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层；（4）.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。第五页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.3土层等效剪切坡速

土的等效剪切波速反应各层土的综合刚度，其值可根据地震波通过计算深度范围内各土层的总时间等于该波通过同一计算深度的单一折算土层所需的时间求的。

土层等效剪切波速Vse式中:

d0——计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；

n——计算深度范围内土层的分层数；Vsi——第i层土的剪切波速；

di——第i层土的厚度；

t

——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间。第六页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4建筑场地类别划分

建筑场地类别是场地条件的基本表征，场地条件对地震的影响已被多次大地震的震害现象、理论分析结果和强震观测资料所证实。研究表明以下两个场地条件是影响地表振动的主要因素：

1、场地土的刚度；

2、场地覆盖层厚度。

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。第七页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4建筑场地类别划分

我国根据上述两个影响因素将建筑场地划分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种类别，其中I类分为I0、I1两个亚类，如下表所示：表2各类建筑场地的覆盖层厚度（m）

注意：该表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土层时需要适当提高场地类型。岩石的剪切波速或土的等效剪切波速(m/s)场地类别I0I1ⅡⅢⅣns>8000800≥ns>5000500≥nse>250<5≥5250≥nse>150<33~50>50nse≤150<33~1515~80>80第八页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4土层等效剪切坡速例：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第九页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4土层等效剪切坡速例：已知某8层、高度为26买的丙类建筑的场地地质钻孔资料如下表所示，试确定该场地的类别。层底深度(m)土层厚度(m)土的名称地基土静承载力特征值/kPa2.502.50杂填土13010.007.50粉质粘土12022.5012.50中密的细砂140----基岩--第十页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4土层等效剪切坡速作业1：已知某建筑场地的钻孔地质资料如下表所示，试确定该场地类别。层底深度(m)土层厚度(m)土的名称剪切波速m/s2.002.00杂填土2205.003.00粉土3008.503.50中砂39015.707.20碎石土550第十一页，共52页。§8.1建筑场地

8.1.4土层等效剪切坡速作业2：已知某建筑场地的钻孔地质资料如下表所示，试确定该场地类别。层底深度(m)土层厚度(m)土的名称剪切波速m/s2.102.10黄土①13011.809.70

黄土②9027.015.20粉土38059.5037.5砾石夹砂530第十二页，共52页。§8.2地基承载力抗震验算

一般情况下，地基发生震害的情况很少。但高压缩性饱和软黏土和强度低的淤泥质土，在地震中会发生不同程度的震陷、倾斜。杂填土、回填土，在地震中也会发生震陷。还有较严重的是地基的液化。

抗震措施：对软弱土采用桩基和地基加固等。

在许多情况下，只要满足了静荷载作用下的地基承载力要求，就可不进行地基承载力抗震验算。第十三页，共52页。§8.2地基承载力抗震验算

8.2.1无需验算的场合（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。注意：软弱黏土层指7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于80、100和120kPa的土层。第十四页，共52页。§8.2地基承载力抗震验算

8.2.2验算方法1、地基承载力式中：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，根据土质不同，按表3采用；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。第十五页，共52页。§8.2地基承载力抗震验算

8.2.2验算方法1、地基承载力表3地基土抗震承载力调整系数第十六页，共52页。§8.2地基承载力抗震验算

8.2.2验算方法2、天然地基抗震承载力验算第十七页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.1液化现象及危害1、场地土的液化现象

处于地下水位以下的饱和砂土与粉土，在地震时容易发生液化现象。砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实。这种趋于密实的作用使孔隙水压力急剧上升，在地震作用的短暂时间内，孔隙水压力来不及消散，使土颗粒处于悬浮状态。1964年美国Alaska地震和日本新澙地震中大量出现。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。第十八页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.1液化现象及危害1、场地土的液化现象第十九页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.1液化现象及危害1、场地土的液化现象南投埔里镇民富一街路面因土壤液化而导致开裂及下陷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发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震第二十页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.1液化现象及危害1、场地土的液化现象2011年新西兰基督城地震第二十一页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.1液化现象及危害2、液化导致地基失效的条件（1）砂土或粉土的密实度低；（2）地震动较剧烈；（3）土的微观结构的稳定性差；（4）下水位高；（5）高压水不易渗透；（6）上覆非液化土层较薄，或者有薄弱部位。第二十二页，共52页。§8.3液化土和软土基地

3、影响液化的因素地质年代的新老表示土层沉积时间的长短，地质年代越古老的土层，其固结度、密实度和结构性就越好，抵抗液化能力就越强；

一般来说，细沙较粗沙容易液化，颗粒均匀单一的较颗粒级配良好的容易液化。细沙容易液化的主要原因是其透水性差，地震时易产生孔隙水超压作用；松沙较密沙容易液化，对于粉土，其黏性颗粒含量决定了这类土壤的性质，黏性颗粒少的比多的容易液化；砂土层埋深越大，其上有效覆盖压力就越大，则土的侧限压力也就越大，就越不容易液化；地下水位浅时较地下水位深时容易液化。对于砂土，一般地下水位小于4m时易液化，超过此深度后几乎不发生液化；地震烈度越高和持续时间越长，越容易发生液化。一般液化主要发生在地震烈度为7度级以上地区，而烈度为6度及以下的地区，很少看到液化现象。（1）土层的地质年代：（2）土的组成：（3）土的密实程度：（4）土层的埋深：（5）地下水位深度：（6）地震烈度和持续时间：第二十三页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.2液化判断两大步骤：1.初步判别；2.标准贯入试验判别（再判）1.初步判断

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。第二十四页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.2液化判别---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；---基础埋置深度(m),不超过2m时应采用2m；---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；---液化土特征深度（m)，按右表采用。9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别上覆土越厚越不易液化地下水位越深越不易液化第二十五页，共52页。§8.3液化土和软土基地

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。1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区粉土砂土液化初判地下水和上覆非液化层界限图第二十六页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.2液化判断例：图示为某砂土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。dw=6mdu=5.5mdb=2m第二十七页，共52页。§8.3液化土和软土基地

8.3.2液化判断另解：按土层液化判别图确定

du=5.5m

dw=6m1234567891012345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区砂土7度8度9度需要考虑液化影响。第二十八页，共52页。§8.3液化土和软土基地标准贯入试验设备：

标准贯入试验设备如图所示。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。8.3.2液化判断2.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1---63.5kg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---贯入器靴第二十九页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.2液化判断2.标准贯入试验判别规范规定：

一般情况下，应判别地面下20m深度范围内土的液化。当饱和砂土或粉土的实测标准贯入锤击数N63.5小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr时，即N63.5<

Ncr时，判为液化，否则判为不液化。Ncr按下式计算：式中：---地下水位深度（m)---饱和土标准贯入试验点深度（m)---液化判别标准贯入锤击数基准值，按下表采用---粘粒含量百分率，当小于3或是砂土时，均应取3---调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组0.95，第三组1.05第三十页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.2液化判断2.标准贯入试验判别标准贯入锤击数基准值由以上分析可见，地基土液化判别的临界值Ncr的确定主要考虑了地下水位深度、土层所处位置、饱和土黏粒含量，以及地震烈度等影响土层液化的要素设计基本地震加速度（g）0.100.150.200.300.40液化判别标准贯入锤击数基准值710121619第三十一页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施1.液化指数式中：

---判别深度内每一个钻孔标准贯入试验点总数；---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取临界值的取值；---第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，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；---i层单位土层厚度的层位影响权函数值（m-1)。当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于20m时应取零值,5—20m时应按线性内插值法取值。（di和wi的取值参见下图）第三十二页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施1.液化指数第三十三页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施2.液化等级的判别由液化指数，按下表确定液化等级液化等级与相应的震害第三十四页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.2液化判断例：

某场地8度设防，设计基本地震加速度为0.20g，工程地质年代为第四纪全新世，设计地震分组为一组，拟在上面建造一丙类建筑，基础埋深2.0m。钻孔深度为20m，地下水位埋深1.0m，土层组成如下所述，各贯入点深度及锤击数实测值如下表所示。判别地基是否液化；若为液化土，求液化指数和液化等级。（1）细砂，饱和，松散，层厚2.1m。（2）粉质黏土，可塑至硬塑，层厚1.5m。（3）细砂，饱和，密实，层厚4.4m。（4）粉土，硬塑，层厚12m。编号12345深度/m1.44567实测N31581612标准贯入试验结果

第三十五页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.2液化判断例：

某一场地地层为第四纪全新世纪冲积层及新近沉积层，地下水位埋深2.8m，该地地震烈度为8度（第一组），设计基本地震加速度为0.20g，岩土工程勘察钻孔深度为15m。基础埋深1.5m。土层自上而下为5层.现进行标准贯入试验的结果如表所示。根据勘察结果，判别地基是否会液化？（1）粉细砂，稍湿，饱和，松散，层厚3.5m（2）细砂，饱和，松散，层厚3.7m（3）中粗砂，稍密~中密，层厚3.2m（4）质黏土，可塑~硬塑，层厚3m（5）粉土，硬塑编号12345深度/m2.33.34.35.86.8实测N62248标准贯入试验结果

第三十六页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施3.抗液化措施当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化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第三十七页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施（1）全部消除地基液化沉陷的措施应符合：

1）采用桩基时，桩端深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，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.5m，对其他非岩石尚不应小于1.5m；2）采用深基础时，基础底面埋入深度以下稳定土层中的深度，不应小于0.5m；第三十八页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施（1）全部消除地基液化沉陷的措施应符合：

3）采用加密法（如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值不宜大于相应的临界值m；

4）挖除全部液化土层；

5）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。第三十九页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施（2）部分消除地基液化沉陷的措施应符合：

1）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；对独立基础与条形基础，尚不应小于基础底面下液化特征深度和基础宽度的较大值；2）处理深度范围内，应挖除其液化土层或采用加密法加固，使处理后土层的标准贯入锤击数实测值不小于相应的临界值；

3）基础边缘以外的处理宽度与全部清除地基液化沉陷时的要求相同。第四十页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.3液化场地的危害性分析与抗液化措施（3）通过对基础和上部结构处理，减轻液化沉降的影响：

1）选择合适的基础埋置深度；2）调整基础底面积，减少基础偏心；

3）加强基础的整体性和刚性，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土十字形基础，加设基础圈梁、基础梁系等；

4)

减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等；

5)管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。第四十一页，共52页。§8.3液化土和软土基地8.3.4软土基地地基中软弱黏土层的震陷判别，可采用下列方法。饱第四十二页，共52页。§8.4对各类房屋基础的要求（1）框架单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础系梁：

1）一级框架和Ⅳ类场地的二级框架；2）各柱基础底面在重力荷载代表值作用下的压应力差别较大；

3）基础埋深较深，或各基础埋置深度差别较大；

4)

地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层、液化土层或严重不均匀土层；

5)桩基承台之间。第四十三页，共52页。§8.4对各类房屋基础的要求（2）框架-抗震墙结构、板柱-抗震墙结构中的抗震墙基础和部分框支抗震墙结构的落地抗震墙基础，应有良好的整体性和抗转动的能力；（3）底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震墙应设置条形基础、筏形基础等整体性好的基础。（4）同一结构单元的基础（或桩承台），宜采用同一类型的基础，底面宜埋置在同一标高上，否则应增设基础圈梁并应按1:2的台阶逐步放坡。第四十四页，共52页。§8.4对各类房屋基础的要求（5）钢结构房屋的地下室设置，应符合下列要求：1）设置地下室时，框架-支撑（抗震墙板）结构中竖向连续布置的支撑（抗震墙板）应延伸至基础；钢框架柱应至少延伸至地下一层，其竖向荷载应直接传至基础。2)超过50m的钢结构房屋应设置地下室。其基础埋置深度，应采用天然地基时不宜小于房屋总高度的1/15；当采用桩基时，桩承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20。第四十五页，共52页。§8.5桩基础8.5.1液化场地的危害性分析与抗液化措施

由于下述采用桩基的建筑在地震中极少发生地基失效，故《抗震规范》规定，对于承受竖向荷载为主的低承台桩基，当地面下无液化土层，且桩承台周围无淤泥、淤泥质土和地基土静承载力特征值不大于100kPa的填土时，下列建筑可不进行桩基抗震承载力验算：1、砌体房屋和可不进行上部结构抗震验算的建筑；2、7度和8度时，1）一般单层厂房、单层空旷房屋2）不超过8层且高度在高度24m以下的一般民用框架房屋及与其基础荷载相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房