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1、建筑结构抗震设计 2 场地、地基与基础,2.1 场地2.2 地震时地面运动特性2.3 天然地基与基础2.4 液化土地基2.5 桩基的抗震验算2.6 软弱黏性土地基,2.1 场地,场地即指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km2平面面积。场地土是指场地范围内的地基土。,场地：建造建筑物的地方（大）。地基：建筑物范围内（小）。基础：把上部结构荷载传给地基的建筑部件。,为什么研究场地？,一、什么是场地?,二、场地条件对建筑震害的影响,软弱地基:柔性结构易遭到破坏，刚性结构表现较好；坚硬地基:柔性结构表现较好，刚性结构表现不一，较好or较差。,在坚硬
2、的地基上，一般是结构破坏，在软弱地基上，有时是结构破坏所造成，有时是由于沙土液化、软土震陷和地基不均匀沉降等造成的地基失效所致。就地面建筑物总的破坏现象来说，在软弱地基上的比坚硬地基上的要严重。,解释:类共振现象 场地覆盖土层的自振周期（固有周期、卓越周期）。场地土将地震波中同周期的分量放大。当建筑物的自振周期与卓越周期相近时，结构的地震反应将增大。,1.场地土的刚性,土层等效剪切波速,地震波软弱地基 以长周期为主，放大。坚硬地基 以短周期为主，放大。当建筑的自振周期与卓越周期相近时，振动会放大，使破坏更大，相反则小。,场地（放大器，滤波器）,场地的地震效应,二、场地条件对建筑震害的影响,深厚
3、覆盖土层:建筑物的震害较重；浅层覆盖土层:建筑物的震害则相对要轻些。,解释:地震波进入表层土可能被放大 地震动被放大；柔性结构与之发生类共振；产生地基液化、软土震陷、地基不均匀沉降。,2.场地覆盖层厚度,三、建筑场地类别,场地土刚性 土层等效剪切波速,场地覆盖层厚度,建筑场地类别：四类,各类建筑场地的覆盖层厚度(m),1.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500 m/s且其下卧各岩土的剪切波速均不小于500 m/s的土层顶面距离确定。(2)当地面5 m以下存在剪切波速大于其上部各层土剪切波速的2.5倍的土层，且该层及其下卧各层岩土的剪切波速均不小于400 m/s时，
4、可按地面至该土层顶面的距离确定。(3)剪切波速大于500 m/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，其厚度应从覆盖层中扣除。,【例2】表为某工程场地地质钻孔资料。试确定该场地的覆盖层厚度。,【解】第层土顶面的埋深为8m5m，且其剪切波速均大于该层以上各土层的2.5倍。且第层和第层土的剪切波速均大于400m/s。覆盖层厚度可取地面至第层土顶面的距离8m。,【例1】图为某建筑场地的土层分布及各土层的剪切波速。试确定该场地的覆盖层厚度。,【解】根据场地覆盖层厚度确定的第1条，应算至第层土顶。故场地覆盖层厚度为8m。,【例3】图为某建筑场地的土层分布及各土层的剪切波
5、速。土层等剪切波速为240m/s，试确定该建筑场地的类别。,【解】根据场地覆盖层厚度确定的第1条，应算至第层土顶。又根据第4条，火山岩硬夹层的厚度应扣除。故场地覆盖层厚度=51-2=49m。,2.土层剪切波速的测量,（1）现场测量土层剪切波速测试孔的数量要求 在场地初步勘察阶段，对大面积的同一地质单元，测试土层剪切波速的钻孔数量不宜少于3个；在场地详细勘察阶段，对单幢建筑，测试土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个，测试数据较大时，可适量增加；对小区中处于同一地质单元的密集建筑群，测试土层剪切波速的钻孔数量孔数可适量减少，但每幢高层建筑和大跨空间结构的钻孔数量均不得少于1个。,（2）估算 对丁类建
6、筑及丙类建筑中层数不超过10层，高度不超过24 m的多层建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按土的类型，再利用当地经验在下表的剪切波速范围内估算各层土的剪切波速。,式中：土层等效剪切波速(m/s)；计算深度(m)，取覆盖层厚度和20 m两者的较小值；计算深度范围内第 i土层的厚度(m)；计算深度范围内土层的分层数；计算深度范围内第 i土层的剪切波速(m/s)。,土层的等效剪切波速 vse,【例4】表为某工程场地地质钻孔资料。试确定该场地类别。,【解】地面下4.90m以下土层剪切波速为500，故场地覆盖层厚度为4.90m20m，故场地计算深度d0=4.90m。据书P22表2-1，为I
7、I类场地。,【例5】图为某建筑场地的土层分布及各土层的剪切波速。试确定该场地类别。,【解】第土层剪切波速500，故场地覆盖层厚度为6+2+14=22m20m，故场地计算深度d0=20m。据书P22表2-1，为II类场地。,【例6】表为某工程场地地质钻孔资料。试确定该场地类别。,【解】根据各层土静载承载力特征值，据书P23表2-2查的土剪切波速的范围，（各层土可取平均值）。第土层剪切波速500，故场地覆盖层厚度=20.7m20m，故场地计算深度d0=20m。据书P22表2-1，为II类场地。,1.场地内存在发震断裂时，并应符合下列要求：,（1）对符合下列规定之一的情况，可忽略发震断裂错动对地面建
8、筑的影响：,1）抗震设防烈度小于8度；2）非全新世活动断裂；3）抗震设防烈度为8度和9度时，隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m。,（2）对不符合本条1款规定的情况，应避开主断裂带。其避让距离不宜小于下表对发震断裂最小避让距离的规定。,发震断裂的最小避让距离(m),四、建筑场地评价及相关规定,【例7】在一般建筑物场地内存在发震断裂时，试问，对于下列何项情况应考虑发震断裂错动对地面建筑的影响？（A）抗震设防烈度小于8度（B）全新世以前的活动断裂（C）抗震设防烈度为8度，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖层厚度大于60m时（D）抗震设防烈度为9度，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖层厚度为80m时
9、,【解】D,2.当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩土的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数，其值应根据不利地段的具体情况的确定，在1.11.6范围内采用。,3.场地岩土工程勘察，应根据实际需要划分对建筑有利、一般、不利和危险的地段，提供建筑的场地类别和岩土地震稳定性（如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等）评价，对需要采用时程分析法补充计算的建筑，尚应根据设计要求提供土层剖面、场地覆盖层厚度和有关的动力参数。,2.2 地震时地面特性,一、场
10、地的卓越周期（自振周期/固有周期）,图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作用下，哪座建筑更易破坏？,二、强震地面运动特性,1.时程曲线：强震地面运动加速度记录。,2.地震动特性,地震动幅值特性地震动强度特性地震动频谱特性地震动周期分布特征（反应谱、功率谱、傅里叶谱）地震动持时特性地震动循环作用程度的强弱,图示为2008年5月12日我国四川汶川地震时成都某地震台站（CD2）记录的东西方向加速度时程曲线，其最大峰值为304.8cm/s2。,图示为该地震台站同时记录的东西方向速度和位移时程曲线，速度最大峰值为11.3 cm/s，位移最大峰值为6.4 cm。,图示为根据前述2008年5月12日我国四
11、川汶川地震时成都某地震台站（CD2）记录的东西方向加速度时程曲线分析得到的加速度反应谱曲线。,图示为根据该地震台站（CD2）记录的东西方向速度和位移时程曲线分析得到的速度反应谱曲线和位移反应谱曲线。,由震害调查得到下面结论：只有少数房屋是由地基的原因而导致上部结构的破坏。导致上部结构破坏的地基大多是液化地基、易产生震陷的软土地基和严重不均匀地基。天然地基一般都具有良好的抗震性能，极少发现因地基承载力不够而产生震害。我国抗震设计规范对量大面广的一般地基和基础不作抗震验算，对容易产生地基基础震害的液化地基，软土地基和严重不均匀地基规定了相应的抗震措施，以避免或减轻震害。,2.3 天然地基与基础,抗
12、震措施：对软弱黏性土地基采用桩基和地基加固。,1.抗规规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。（1）6度时的建筑（不规则建筑及建造在类场地上较高的高层建筑除外）P107 较高的高层建筑：高于40m的钢筋混凝土框架、高于60m的其他钢筋混凝土民用房屋和类似的工业厂房，以及高层钢结构房屋。（2）7度、类场地，柱高不超过10m且结构单元两端均有山墙的单跨和等高多跨厂房（锯齿形厂房除外）。P339（3）7度时和8 度（0.2g）、类场地的露天吊车栈桥。P339,一、可不进行天然地基和基础抗震承载力验算,1.抗规规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。2.地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑：1）一
13、般的单层厂房和单层空旷房屋；2）砌体房屋；3）不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋；4）基础荷载与 3）项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。软弱黏性土层：7、8、9度时，地基承载力特征值分别小于80kPa、100kPa、120kPa的土层。地基主要受力层范围：条形基础底面下深度为3b（b为基础宽度），单独基础底面下深度为b，且厚度均不小于5m的范围。,一、可不进行天然地基和基础抗震承载力验算,式中：基础底面平均压力(kPa)；基础底面边缘最大压力(kPa)；调整后的地基抗震承载力(kPa)；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脱离区（零应力区），
14、其他建筑，基础底面与地基之间脱离区（零应力区）面积不应大于基础底面面积的15%。,二、天然地基抗震承载力验算,验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求。,（1）基础底面压力,零应力区,1-6e/b0，即e0，梯形；1-6e/b=0，即e=b/6时，pkmin=0，三角形；1-6e/bb/6时，pkmin0，存在拉应 力，不可能。,矩形基础,式中：调整后的地基抗震承载力；地基抗震承载力调整系数，应按下表采用；深宽修正后的地基承载力特征值，应按现行国家标准GB50007-2011建筑地基基础设计规范采用。,（2）地基抗震承载力,
15、抗震承载力采用静力承载力乘以调整系数，动荷载作用下的土动力强度比静力强度有所提高。基于地震的偶然性和短时性，地基承载力的可靠度指标可较静力承载力有所降低。,2.4 液化土地基,一、什么是土的液化？二、影响因素？三、如何判别？四、抗液化措施？,一、土的液化,在地下水位以下饱和的砂土和粉土在地震作用下，土颗粒之间有变密的趋势，由于不能及时排水而使孔隙水压力表升，当孔隙水压力达到土粒间的有效压力时，土粒处于没有粒间压力传递的失重状态。粒间联系破坏，成为可以流动的液体，这种现象称为土的液化。,根据土力学原理，土的液化是在地震作用时短时间失去强度的现象，其表达式可写成：式中：饱和砂土的抗剪强度；剪切面上
16、总的法向压应力；剪切面上孔隙水压力；剪切面上有效法向压力（粒间压应力）；土的内摩擦角。从上式可看出，当孔隙水压力与上覆压力相等时，则变为零，土失去强度。,液化危害：地面：喷水冒砂、地陷等。建筑物：下沉、倾斜。地质：土体侧向移动。,地震时,土壤液化，并造成喷砂的现象，其喷砂口的形状，好像火山口，从底下涌出的泥砂，成辐射状向四周流下。,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,液化喷砂现象,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。,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4070cm,
17、南投埔里镇民富一街路面因土壤液化而导致开裂及下陷,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。,场地土液化需要根据多项指标综合分析，当某一指标达到一定数值时，不论其他因素如何，土都不会发生液化，或即使发生液化也不会造成房屋灾害，称这个数值为这个指标的界限值。1、地质年代 2、土中黏粒含量 3、上覆非液化土层厚度和地下水位深度 4、土的密实程度 5、土层埋深 6、地震烈度和震级,二、影响土的液化的因素,1、地质年代 地质年代越古老的土层固结度、密实度和结构性越好，越不容易液化。未发现第四纪更新世（Q3）及以前的饱和土层发生液化。,2、土中黏粒
18、含量 黏粒指粒径小等于0.005mm的土颗粒。粉土中黏粒多的要比黏粒少的不容易液化。这是因为随着土的粘聚力增加，土颗粒不容易流失。,3、上覆非液化土层厚度和地下水位深度 随着液化砂土层埋深增大，砂土层上的有效非液化覆盖层应力增大，就不容易产生液化。随着地下水位的上升，液化的可能性就越高。上覆非液化土层厚度指地震时能抑制可液化土层喷水冒砂的厚度。其包括天然土层及堆积5年以上或地基承载力大于100kPa的人工填土。其中的软土层应扣除。其中duj-dwj=1m。,4、土的密实程度 颗粒均匀单一的土比颗粒级配良好的土容易液化；松砂比密砂容易液化；细砂比粗砂容易液化。5、土层埋深 土层液化深度很少超过1
19、5m。6、地震烈度和持续时间 地震烈度越高，越容易发生液化；地震动持续时间越长，越容易发生液化。6度及以下地区很少有液化现象，7度以上则相当多。相同烈度情况下，远震比近震更易液化。,三、液化土的判别,饱和砂土和粉土（不含黄土）的地基：1）6度时，一般情况下可不进行判别，但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别。2）79度时，乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别。地基土液化采用两步判别方法，即初步判别法和标准贯入判别法。,（一）初步判别法 饱和的砂土或粉土（不含黄土），当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响：（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7
20、度、8度时可判别不液化。（2）粉土的黏粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率，7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，可判别为不液化土。（3）浅埋天然地基上的建筑，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：,其中：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；du 上覆非液化土层厚度（m），计算宜将淤泥和淤泥质土层 扣除；db 基础埋置深度（m），不超过2m时取2m；d0 液化土特征深度（m），可按下表。,上面判别式（db=2)亦可用下图表示，db2时，在du、dw中减去（db-2)后再查图确定。,砂土,d
21、u(m),查液化土特征深度表,例1 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：按判别式确定,需要考虑液化影响。,dw=6m,du=5.5m,db=2m,解：按土层液化判别图确定,需要考虑液化影响。,du=5.5m,dw=6m,（二）标准贯入试验判别,标准贯入试验设备的构成：穿心锤63.5kg、触探杆、标准贯入器。试验方法：在试验土层标高处，在锤落距760mm条件下打入土层300mm所需的锤击数。越大土质越好（密实度的判别）,1.试验方法,2.液化判别公式,液化判别标准贯入
22、锤击数临界值；,地下20m范围内:,砂土,粉土,液化判别标准贯入锤击数基准值；,应判为液化土,液化指数的计算式,多层地基，需用液化指数来划分等级，确定危害程度。,式中:液化指数；在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测 值大于临界值时应取临界值；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；i 土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位m1)，反 映了液化土层离地表越近，危害程度越大的规律。,3.液化指数,液化指数,液化指数的意义：从定量上反映了土层液化的可能性大小和液化危害的轻重程度。根
23、据液化指数可按表来确定液化等级。,液化土地基整个判别过程,地基抗液化措施选择原则,（1）全部消除地基液化沉降的措施：桩基、深基础、加密法、挖除液化土层。（2）部分消除地基液化沉降的措施：一定范围深度内处理，使锤击数大于临界值。（3）减轻液化影响的处理措施，即基础和上部结构处理，一般指减小不均匀沉降或使建筑物较好适应不均匀沉降的措施；（4）可不采取措施。,四、地基抗液化措施,注：甲类建筑的地基抗液化措施应进行专门研究，但不宜低于乙类的相应要求。,2.5 桩基的抗震验算,震害表明：承受竖向荷载为主的低承台桩基(桩基承台埋于地下)，其抗震效果较好。承受竖向荷载为主可根据工程经验确定，当无工程经验时，
24、可依据竖向荷载在边桩顶总荷载中的比例来确定，一般当竖向荷载在边桩顶分配的荷载大于桩顶总荷载的75%时，可判断为“承受竖向荷载为主”的桩基。,一、桩基不验算范围 抗规规定：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）7度和8度时的下列建筑：一般的单层厂房和单层空旷房屋；不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋；基础荷载与第项相当的多层框架厂房。（2）抗规规定的可不进行上部结构抗震验算的建筑及砌体结构。,同前,二、低承台桩基的抗震验算 1.非液化土中的桩基 非液化土中低
25、承台桩基的抗震验算方法与静载时的桩基验算相同，同时应符合下列规定：,（1）单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可比非抗震设计时提高25%。（2）当承台周围的回填土夯实至干密度不小于GB 50007-2011建筑地基基础设计规范对填土的要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用（或由经验公式求出分担比，或用法求土抗力或由有限元法计算），但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力。,2.存在液化土层的桩基（1）承台埋深较浅时，不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用。（2）当桩承台底面上、下分别在厚度不小于1.5 m、1.0 m的非液化土或非软弱土时，可分两种情况分别对桩基进行验
26、算，并按不利情况设计。桩承受全部地震作用，桩承载力可按非液化桩基土规定的原则确定，液化土层的桩周摩擦力及水平抗力均宜乘以液化影响折减系数。,地震作用按水平地震影响系数最大值的10采用，桩承载力仍可按非液化桩基规定的原则确定（提高25%），但应扣除液化土层的全部摩阻力和桩承台下2 m深度范围内非液化土层的桩周摩阻力。,（3）打入式预制桩或其他挤土桩，当平均桩距为2.54倍桩径且桩数不少于55时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。当打桩后桩间土标准贯入锤击数达到不液化的要求时，单桩承载力可不折减，但对桩尖持力层做强度校核时，桩群外侧的应力扩散角应取为零。打桩后桩间土的标准贯入锤击数宜由试验确定，也可按下式计算打桩后桩间土的标准贯入锤击数。,式中：打桩后的标准贯入锤击数；打入式预制桩的面积置换率；打桩前的标准贯入锤击数。,2.6 软弱黏性土地基,软弱黏性土地基：7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于80、100和120kPa的黏土层所组成的地基。特点：地基承载力低、压缩性大（引起建筑物沉降大）,地基处理,
