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1、2 场地、地基和基础抗震设计,2.1 地震成因与类型2.2 地震震害、常用术语2.3 地震波、震级与烈度2.4 工程结构抗震设防,2.1 场地,场地：即工程群体所在地，其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1km2的平面面积。,场地作用：地震波传播介质、结构物地基。,建筑物震害,建筑物震害破坏：一是振动破坏引起,承载力不足加强结构抗震能力,通过场地选择和地基处理来减轻,由于地震时，会造成严重的地表破坏，如山石崩裂、滑坡、地面裂缝、地陷和喷水冒沙等。这种破坏会使得位于这类地段上的建筑物产生严重的震害，而且这种破坏单靠工程措施是难以预防的，或者要花费太大的代价。因此，在工程选址时，就应尽可能避
2、开对建筑抗震不利的地段，任何情况下，都不应在抗震危险地段上，建造可能造成人员伤亡或较大经济损失的建筑物。,二是地基失效引起,工程地质条件对震害的影响,1.发震断裂的影响,局部地质构造：主要是指断裂。断裂是地质构造上的薄弱环节，分为发震断裂和非发震断裂。,主要包括地质构造和局部地形,断裂带是地质上的薄弱环节，浅源地震多与断裂活动有关。,发震断裂带附近地表，在地震时可能产生新的错动，使建筑物遭受较大的破坏，属于地震危险地段。,建设时应避开。,场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价。,2.局部地形的影响,位于局部孤立突出的地形，如孤立的小山包上的建筑，其震害一般较平地同类建筑严重。位于非岩
3、质地基的建筑又较岩质地基的震害严重。,山梁顶部，容易滑落,烈度为9度,烈度为8度,烈度为7度,1994年云南昭通地震，芦家湾某村坐落于山梁上，山梁长150m，顶部最宽15m，最窄5m，高60m.距震中18km。,突出端部的最大加速度为0.632g,鞍部为0.257g，大山根部为0.431g。,局部突出地形对地震的放大作用：,局部突出地形的影响,1.高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈大；2.离陡坎和边坡顶部边缘的距离大，反应相对减小；3.在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大；4.高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明显 减小;5.边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。,局部
4、突出地形顶部的地震影响系数的放大系数,-局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数,-局部突出地形地震动参数的增大幅度,-附加调整系数,局部突出地形地震影响系数的增大幅度,2010抗震规范：,2.1.2 不同场地特征对震害的影响,场地特征主要包括覆盖层厚度、地下水位、土体的软硬程度等不同覆盖层厚度的场地，其上建筑物的震害明显不同。覆盖层厚度越大，其上的长周期结构（如高层建筑）的破坏越严重；覆盖层厚度中等的场地上，则中等高度的房屋破坏较严重；而在岩石地基上的各类房屋破坏均较轻。地下水位对建筑物的破坏有明显影响，水位越浅，震害越严重。软弱土上的柔性结构容易遭到破坏，刚性结构表现较好。,2.1.3 场
5、地土类型,土的类型主要取决于土的刚度。土的刚度可按土的剪切波速划分，土层剪切波速的测量，应按下列要求进行：1）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。2）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，测试数据变化较大时，可适量增加；对小区中处于同一地质单元内的密集建筑群，测试土层剪切波速的钻孔数量可适量减少，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。3）对丁类建筑及丙类建筑中层数不超过10层、高度不超过24m的多层建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表2.4划分土的类型，再利用当地经验在表2.4的剪
6、切波速范围内估算各土层的剪切波速。,（2.3）,2.1.4 场地覆盖层厚度,抗规按下列要求确定场地覆盖层厚度：1）一般情况下，应按地面至剪切波速大于500ms且其下卧各层岩土的剪切波速均不小于500ms的土层顶面的距离确定。2）当地面5m以下存在剪切波速大于其上部各土层剪切波速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400ms时，可按地面至该土层顶面的距离确定。,覆盖层厚度是指从地表面至地下基岩面的距离。,3）剪切波速大于500ms的孤石、透镜体，应视同周围土层。,透镜体：透镜体状的地层应该具有向四周尖灭的平面分布特性。泛指形似透镜状分布的砂层或岩体。它中间厚周边薄，且被非渗透
7、岩层封闭。一般厚度小于所处土层厚度，分布的范围较小，且呈自然尖灭状态。,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。,2.1.5 场地类别划分,抗震规范以场地覆盖层厚度、土层等效剪切波速为依据，将工程中场地土的类型划分成四类。,各类建筑场地的覆盖层厚度（m）,条件：已知某建筑场地的地质钻探资料如表2.6所示。要求：确定该建筑场地的类别。,【例2.1】确定场地类别,表2.6 场地的地质钻探资料,（2）计算等效剪切波速,【例2.2】：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。,解：（1）确定剪切波速的计算深度。,确定覆盖层厚度,（3）确定建筑场地类别：,属于
8、中软土,属于类场地,（2）确定地面下20m表层土的剪切波速。,2.1.6 场地选择,1.抗震有利、一般、不利及危险地段的划分,宜尽量选择对结构抗震有利的地段；尽可能避开对结构抗震不利的地段；非特殊需要，不得在抗震危险地段上建造工程结构。,2.对山区建筑场地的要求,山区建筑的场地勘察应有边坡稳定性评价和防治方案建议，应根据地质、地形条件和使用要求，因地制宜设置符合抗震设防要求的边坡工程。,2.2 地基与基础的抗震设计及验算,地基和基础抗震设计要求,地基和基础抗震设计应符合下列要求：（1）同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。（2）同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；当采用不
9、同基础类型或基础埋深显著不同时，应根据地震时两部分地基基础的沉降差异，在基础、上部结构的相关部位采取相应措施。（3）地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应根据地震时地基不均匀沉降和其他不利影响，采取相应的措施。,2.2.2 山区建筑边坡设计要求,山区建筑的地基基础应符合下列要求：（1）边坡设计应符合现行国家标准建筑边坡工程技术规范GB 50330的要求；其稳定性验算时，有关的摩擦角应按设防烈度的高低相应修正。（2）边坡附近的建筑基础应进行抗震稳定性设计。建筑基础与土质、强风化岩质边坡的边缘应留有足够的距离，其值应根据设防烈度的高低确定，并采取措施避免地震时地基基础破坏。,2.2
10、.3 地基不验算的范围,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,大量的一般性地基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。,建筑抗震规范对于量大面广的一般性地基和基础不做抗震验算，而对于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。,我国抗震规范规定下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：（1）抗震规范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：一般的单层厂房和单层空旷房屋；砌体房屋；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
11、房屋；基础荷载与项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。注：上述软弱黏性土层指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。,2),3),4),2.2.4 地基土抗震承载力调整,地基土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）地震持续时间短，只能使土层产生弹性变形而来不及发生残余变形，即地震作用引起的地基变形要比建筑物由于静荷载所引起的地基变形小，故一般土的动承载力比其静承载力大。,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
12、筑地基基础设计规范GB50007采用,地基土抗震承载力调整系数,天然地基抗震验算,“拟静力法”,基础底面平均压应力和边缘最大压应力应符合下列各式要求：,地震作用效应标准组合的基底平均压力；,地震作用效应标准组合的基底边缘最大压力；,各作用效应分项系数取1。,对于高宽比大于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)；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区(零应力区)面积不应超过基础底面面积的15。,对基础底面为矩形的基础，其受压宽度与基础宽度之比则应大于0.85（图2.2），即,矩形基础底面受压宽度；,矩形基础底面宽度。,图2.2 基底压力分布,2.3 液化地基和软土地基,地基土
13、液化的概念,1、液化概念饱和砂土或粉土在强烈地震作用下，颗粒结构趋于密实，孔隙水在短时间内来不及排出而受到挤压，孔隙水压力急剧上升，砂土或粉土受到的有效压应力下降以致消失，土体颗粒局部或全部处于悬浮状态，土体丧失抗剪强度，形成犹如“液体”的现象。,液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。,2、液化对场地的危害：地面喷砂冒水、地基不均匀沉降、斜坡失稳、滑移等。,喷砂冒水，地基不均匀沉降,滑移,斜坡失稳,3、液化对建筑的危害：,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、
14、开裂，设备基础上浮或下沉。,1964年，日本新潟地震时因地基液化而使楼房倾倒,阿拉斯加地震时，因场地不均匀沉降而造成的破坏现象,影响地基液化的主要因素,（1）土层地质年代：地质年代越古老的土层，抵抗液化的能力越强。（2）土的组成：饱和砂土：细砂、粉砂更易液化 粉土：当其中粘粒含量超过某一限值时，就不会液化。（3）土层相对密度：相对密度小，易液化（4）土层埋深(上覆非液化土层厚度)：埋深越大，越不易液化（5）地下水位深度：地下水越深，越不易液化（6）地震烈度和地震持续时间：烈度越高，持续时间越长，越易液化,2.3.3 液化土的判别,1、液化判别和处理的一般原则：,1）对存在饱和砂土和粉土（不含黄
15、土）的地基，除6度外，应进行液化判别。对6度区一般情况下可不进行判别和处理，但对液化敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理。6度的甲类建筑的液化问题也需要专门研究。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和处理。,2）存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级结合具体情况采取相应的措施。,地基土液化判别过程可以分为初步判别和标准贯入试验判别两大步骤。,1）初判,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
16、在7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；,（3）浅埋天然地基的建筑，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。,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；,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；,液化土特征深度m），可按表2.9采用。,上面判别式（db=2)亦可用下图表示：,砂土,db2时，在du、dw中减去（db-2)后再查图确定。,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
17、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。,另解：按土层液化判别图确定,需要考虑液化影响。,du=5.5m,dw=6m,查液化土特征深度表,解：按判别式确定,不满足判别式，需要进一步判别是否考虑液化影响。,例2：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=2.5m,该 场地为8度区。确定是否考 虑液化影响。,也可用图判别。略,2）标准贯入试验判别,钻孔至试验土层标高以上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
18、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。,1-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,其实质是评价土的密实程度。,当地面（指天然地面，而非建筑最终完成地面）下20m深度范围内土的实测标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于按式（2.10）确定的液化判别标准贯入锤击数临界值 时，则应判别为液化土，否则为非液化土。,一般情况下，只需判别地面下20m范围内土的液化可能性；但对可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑，可只判别地面下15m范围内土的液化。,2.3.4 液化地基的评价,采用土层柱状液化等级判定。,液化指数
19、,由液化指数，按下表确定液化等级,液化等级与相应的震害,例3 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。世判别地基是否液化；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。标准贯入试验结果,解：（1）液化判别 初步判别地下水位深度,基础埋深，液化特征深度（查表4-2），上覆
20、非液化土层厚度，则均不满足不液化条件，需进一步判别。标准贯入试验判别测点1由设计地震分组为一组，取，由设计地震加速度0.2g，查得液化判别标准贯入锤击数基准值，测点1标准贯入深度 黏性含量百分比取3，则测点1标准贯入锤击数临界值为,为液化土。其余各点判别见下表,（2）求液化指数求各标准贯入点所代表的土层厚度 及其中点深度：,求 层中点所对应的权函数值：,求液化指数：,（3）判别液化等级,因，由表4-4可判别其液化等级为中级。例3液化分析表,2.3.5 地基抗液化措施,当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施,2.3.6 软土地基抗震设计要求,特点：在地基的受力层范围内存在软弱粘性土层，
21、其容 许低，压缩性大，故房屋不均匀沉降大。,天津滨海新区软土地基,抗震措施：,对液化等级较高的故河道、河滨、海滨、自然或人工边坡，如有液化侧向扩展或流滑可能时，应采取防土体滑动措施或结构抗裂措施：,1、宜考虑滑动土体的侧向作用力对结构的影响；,2、结构抗地裂措施应符合下列要求：建筑的主轴应平行河流放置；建筑的长高比宜小于3；应采用筏基或箱基，且基础板内应根据需要加配抗拉裂钢筋。,当建筑基础底面以下非软土层厚度符合表2.16中的要求时，可不采取消除软土地基的震陷影响措施。,表2.16 基础底面以下非软土层厚度,2.4 桩基抗震设计,2.4.1 可不进行桩基抗震验算的条件,由于下述采用桩基的建筑在
22、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屋。,2.4.2 非液化土中的桩基抗震验算,非液化土中低承台桩基的抗震验算，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，可均比非抗震设计时提高25；,2、当承台侧面的回填土夯
23、实至干重度不小于16.5kN/m3时，可考虑承台正面填土与桩共同承担水平地震作用，但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力；,上部结构的底部水平地震剪力（kN）；,桩承担的地震剪力（kN）；当小于0.3 时取，大于 时取。,建筑地上部分的高度（m）；,基础埋深（m）。,当地下室埋深大于2m时，桩所承担的地震剪力可按下式计算：,2.4.2 液化土中的桩基抗震验算,存在液化土层的低承台桩基抗震验算，应符合下列规定：（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，如图2.5所示。,图2.5 承台浅埋时的地震作用计算,（2）当桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.
24、0m的非液化土层或非软弱土层时，可按下列二种情况进行桩的抗震验算，并按不利情况设计：桩承受全部地震作用，桩承载力按非液化土层中的桩基取用，此时土尚未充分液化，只是刚度下降很多，所以液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力均应乘以表2.17的折减系数。如图2.6，计算方法一所示。,图2.6 计算方法一,表2.17土层液化影响折减系数,地震作用按水平地震影响系数最大值的10采用，桩承载力仍按单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值均比非抗震设计时提高25取用，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。如图2.7计算方法二所示。,图2.7 计算方法二,打入式预制桩及其他挤土桩当平均桩
25、距为2.54倍桩径且桩数不少于55时，可考虑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。,当打桩后桩间土的标准贯入锤击数值达到不液化的要求时，单桩承载力可不折减，但对桩尖持力层作强度校核时，桩群外侧的应力扩散角应取为零。,最好由试验确定,注：1、处于液化土中的桩基承台周围，宜用密实干土填筑夯实，若用砂土或粉土则应使土层的标准贯入锤击数不小于液化判别标准贯入锤击数临界值。,3、在有液化侧向扩展的地段，距常时水线100m范围内的桩基除应满足本节中的其他规定外，尚应考虑土流动时的侧向作用力，且承受侧向推力的面积应按边桩外缘间的宽度计算。,2、液化土中桩的配筋范围，应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度，其纵筋应与桩顶部相同，箍筋应加密。,
