第八章 地基基础抗震

基础工程第8章

地基基础抗震内容提要

地震的成因特征地震区场地特征地基基础抗震设计概述地震成因地震是地球内部构造运动的产物，是一种自然现象，是地壳内部或外部因素作用下产生强烈震动的地质现象。全世界每年大约发生500多次地震，绝大多数地震都很小，小地震约占一年中地震总数的99%，剩下的1%才是人们感觉到的，而现在造成严重破坏的大地震，全世界平均每年大约发生18次。地震按其成因可分为：构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震。全球地壳由六大块组成，即欧亚大陆、太平洋、美洲大陆、非洲大陆、印澳与南极板块。各大板块内还可以划分为极小的板块。由于地壳的缓慢变形，各板块之间发生顶撞、插入等突变、形成地壳振动，即构造地震，多发生在各板块的边缘或沿海的岛屿。我国的台湾岛和日本都位于大板块的交接处，所以是多地震区域。地震波及其特征地震引起的震动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。它包含在地球内部传播的体波和只限于在地球表面传播的面波，是一种弹性波。体波包括纵波与横波两种，纵波是由震源向外传播的胀缩波，质点的震动方向与波的前进方向一致，从而使得介质不断的压缩和疏松，也称为压缩波或疏密波。在空气里纵波就是声波。其特点表现为周期较短，振幅较小。横波是由震源向外传播的剪切波，介质质点的震动方向与波的前进方向相垂直，也称剪切波。其周期较长，振幅较大。还应指出，横波只能在固体里传播，而纵波在固体和液体里都能传播。

地震波及其特征纵波比横波的传播速度要快，在仪器观测到的记录图上，纵波要先于横波到达。一般也把纵波叫P波（即初波），把横波叫S波（即次波）。体波在地球内部的传播速度随深度的增加而增大。由于地球的层状结构，因此体波通过分层介质，在界面上将产生折射和反射；当一个P波入射到一个界面时，不但产生折射和反射的P波而且还发生折射和反射的S波，S波也是如此，此外，由震源发出的震动首先通过岩层传到基岩表面，然后再经基岩以上的地层传到地表面，在此过程中由于重复反射，地表面的震动常常得到放大。地震的震级和烈度1．震级地震强度通常用震级和烈度来反映。地震震级是地震固有的属性，表示地震本身能量大小的尺度，用符号M表示，其数值是根据地震仪记录的地震波图确定的。目前，国际上比较通用的是里氏震级，原始定义是在1935年由里克特（C.F.Richter）给出震级表示一次地震释放能量的多少，也是表示地震强度大小的指标，所以一次地震只有一个震级。 烈度地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。一次同样大小的地震，若震源深度、离震中的距离和土质条件的因素不同，则对地面和建筑物的破坏也不相同。这时，若仅用地震震级来表示地震动的强度，还不足以区别地面和建筑物破坏轻重的程度。虽然一次地震只有一个震级，但距离震中不同的地方，地震的影响是不一样的，及地震烈度不同。一般来说，离震中越近，地震影响越大，地震烈度越高；离震中越远，地震烈度越低。震中区的烈度称为震中烈度，用I0表示。地震区场地特性1．地震震害地震发生时及发生后，将引起人们有震动的感觉、自然和人工环境的变化，通常称之为地震后的宏观现象，常可概括为四类：人们的感觉、人工结构物的损坏、物体的反应和自然状态的变化。研究这些现象不仅可以理解地震作用本质，更主要的是防止或减少地震所产生的破坏与人民生命财产的损失。所以人工结构物的损坏，应该说是最值得研究的宏观现象。通过它的研究不仅能定性地理解地震现象，而且可以总结经验教训，为制定和改进抗震设计规范以及制定抗震防灾对策措施提供依据。地震所带来的破坏活动主要表现在：1）地基震害地基的主要破坏有：地基液化、震陷、山体崩裂、滑坡、地裂等现象。在地下水位较高地区，地震时的强烈震动会使饱和粉细砂、细砂和粉土层液化，地下水夹着砂子往往经裂隙或其他通道蹦出地面，形成喷砂冒水现象。产生液化的原因是由于地层短暂时间里，孔隙水压力骤然上升来不及消散，有效应力降至零，土体呈现出近乎液体的状态，强度完全丧失，即所谓液化。地基液化能使建筑物产生大量的沉降、不均匀沉降及倾斜，埋在液化土层中的管道及地下罐等则会上浮。地震使地面产生巨大的附加沉降称为震陷，多发生在松砂和软粘土中，震陷不仅使建筑物产生过大沉降，而且产生较大的差异沉降和倾斜，影响建筑物的安全使用。地震时出现的地裂缝的数量、长短和深浅等与地震强度、受力特征有关，如唐山地震时，地面出现一条长10km、水平错动1.25m、垂直错动0.6m的大地裂，错动带宽约2.5m，致使在该断裂段内的房屋、道路、地下管道等遭到及其严重的破坏，民用建筑几乎全部倒塌。强烈的地震往往造成地面错动、山体崩塌和滑坡泥石流等，严重时还会堵塞河流，形成地震堰塞湖而使山河改观。地震区场地特性2）建筑物的典型震害多层砖房的典型震害为外墙外闪、倾倒，纵横墙墙面出现X裂缝，纵横墙开裂和屋顶塌落等。多高层钢筋混凝土房屋的典型震害为梁柱节点破坏，柱子上混凝土保护层脱落，钢筋外崩，呈灯笼状，在箍筋数量不足时这种情况更加常见。钢筋混凝土墙的破坏形态与砖墙差不多，但其裂缝比较分散且宽度较窄。场地因素建筑场地的地形条件、地质构造、地下水位等对地震灾害的程度有显著的影响。我国多次地震灾害调查表明，局部地形条件对地震时建筑物的破坏有较大的影响。一般当局部地形高差大于30-50m时，震害就会有明显的差异，位于高处的建筑物震害加重。1920年宁夏海原发生8.5级地震时，处于渭河谷地姚庄的烈度为7度，而2km外的牛家山庄因位于高出百米的黄土梁上，其烈度则达9度。综上所述，孤立突出的山梁、山包、条状山嘴、高差较大的台地、陡坡等，均对建筑物的抗震不利。断层是地质构造的薄弱环节，可将其分为发震断层和非发震断层，前者为具有潜在地震活动的断层，后者在地震作用下不会产生新的错动。地震时，发震断层附件地表可能发生新的错动，若在其上修建建筑物必招致严重破坏。因此在具体进行场地布置时，不宜将建筑物横跨在断层上，以免可能发生的错动和不均匀沉降带来危害。地震对建筑物的危害程度与地下水位有明显关系，水位越浅震害越重。地下水位深度在5m以内时，对震害影响最明显，当地下水位较深时影响较小。对于不同类别的地基土，地下水位的影响程度也有差别。例如软弱土层（粉砂、细砂、淤泥质土等）影响程度最大，对粘性土影响次之，对碎石、角砾等影响较小。场地类别和场地选择场地选择工程地质条件不同，建筑物在地震中的破坏程度也明显不同。合理选择建筑场地将会大大减轻地震灾害。影响建筑震害的地震动参数的场地因素很多，其中包括局部地形、地质构造、地基土质等，影响的方式也各不相同。一般认为，对抗震有利的地段系指地震时地面无残余变形的坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土范围或地区；而不利地段为可能产生明显的地基变形或失效的某一范围或地区；危险地段指可能发生严重的地面残余变形的某一范围或地区。抗震规范中将场地划分为有利、不利和危险地段的具体标准如表8-5所示。地基基础抗震设计基本原则抗震设计应贯彻“预防为主”的方针，并力争做到“小震不坏，中震可修、大震不倒”的设防要求。当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可受损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。为了提高建筑物的抗震能力，在建筑规划上应合理布局，上部结构设计应遵循“简、匀、轻、牢”的原则，同时地基基础设计应符合下列要求。尽量选择有利地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段；避开不利地段，如软弱场地土、易液化场地土等，如无法避开时宜采用适当的抗震措施；而不得在危险地段进行建设。

地基基础抗震设计基础在整个建筑物中一般是刚性比较大的部分，又因处于建筑物的最低部位，周围还有土层的限制，因而振幅较小，故基础本身受到的震害总是较轻的。加强基础的防震性能目的主要是减轻上部结构的震害。加大基础埋深可以增加基础侧面土体对振动的抑制作用，从而减少建筑物的振幅，有条件时可建造地下室，地下室内易设置内横墙，并应切实做好基槽的回填夯实工作。唐山地震后，凡有地下室的房