工程抗震辅导资料三

欧阳老师

工程抗震辅导资料三

主    题：第二章 建筑场地、地基和基础（第1—3节）
学习时间：2016年4月11日--4月17日
内    容：
这周我们将学习第二章中的第1—3节，这部分主要介绍场地划分与场地区划、地基抗震验算以及地基土液化及其防治，下面整理出的框架供同学们学习，希望能够帮助大家更好的学习这部分知识。

一、学习要求
1、重点掌握场对建筑地震破坏的影响；
2、掌握建筑场地类别的划分；
3、了解等效剪切波速的计算；
4、了解地基抗震验算；
5、了解地基土的液化及防治。

二、主要内容
（一）场地及地震效应
1、场地的概念
场地是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围大体相当于厂区、居民点和自然村或不小于1.0km2的范围。
2、影响地震中建筑物的破坏程度的因素
地震中建筑物的破坏程度（地面运动）与地震类型（震源机制）、结构类型、地震波传播路径、建筑场地条件、结构-土相互作用等因素密切相关。多年震害调查统计结果显示，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。
3、土层的过滤和选择放大作用
地震波是由多种频率成分构成，在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的频率波群被放大，而另一些频率波群被衰减或过滤掉。当建筑物的固有周期与地震动的卓越周期相接近时，建筑物的振动会加大，震害加重。
4、地震动的卓越周期
在振幅谱中幅值最大的频率分量对应的周期，称为地震动的卓越周期。
地表地震动的卓越周期取决于场地的固有周期

（二）覆盖层厚度
覆盖层厚度原是指从地表面至地下基岩面的距离，从地震波传播的观点看，基岩界面是地震波传播途径中一个强烈的反射与折射面，此界面以下的岩层振动刚度要比上部土层的相应值大很多。
一般情况下，覆盖层厚度指地面至剪切波速大于500m/s且其下卧各层岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离。
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400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。
剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视为同周围土层。
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。

（三）场地类别划分
1、场地类别
场地类别是根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度两个指标综合确定的。其中土层等效剪切波速是令剪切波穿过多土层的时间等于等效剪切波速穿过均质土层的时间。
2010版抗震规范根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度两个指标将场地类别进行划分，见下表1。
表1  各类建筑场地的覆盖层厚度（m）
等效剪切波速
（m/s）        场地类别
        Ⅰ0类        Ⅰ1类        Ⅱ类        Ⅲ类        Ⅳ类
＞800
0                               
800≥ ＞500
        0                       
500≥ ＞250
        ＜5        ≥5               
250≥ ＞150
        ＜3        3～50        ＞50       
≤150
        ＜3        3～15        15～80        ＞80

2、等效剪切波速
等效剪切波速 的计算公式为

其中： ——计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；
——计算深度范围内土层的分层数；
——第 层土的剪切波速；
——第 层土的厚度。
在实际工程中，很难精确的测量各个土层的剪切波速。因此，对于不超过10层和高度不超过24m的丙类建筑及丁类建筑，无实测剪切波速时，可根据岩土性状按照表2内容划分土的类型，并利用经验估计各个土层的剪切波速。

表2  土的类型划分
土的类型        岩石名称和性状        土层剪切波速（m/s）
岩石        坚硬、较硬且完整的岩石         ＞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≥ ＞500

中硬土        中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak＞150的黏性土和粉土，坚硬黄土        250≥ ＞500

中软土        稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤150的黏性土和粉土，fak＞130的填土，可塑新黄土        150≥ ＞250

软弱土        淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的黏性土和粉土，fak≤130的填土，流塑黄土         ≤150

注：fak为由荷载试验等方法得到的地基土静承载力特征值。

（四）        地基抗震设计原则
对历史震害资料的统计分析表明，一般土地基在地震时很少发生问题，造成上部建筑物破坏的主要是松软土地基和不均匀的地基。因此，设计地震区的建筑物，应该根据土质的不同情况采用不同的处理方法。
1、松软土地基
松软土地基通常是指饱和的淤泥和淤泥质土、冲填土和杂填土，不均匀地基土。松软土的地基失效不能采用加宽基础、加强上部结构等措施克服，而应该采用地基处理措施（置换、加密、强夯等）消除土的动力不稳定性，或者采用桩基础等深基础避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响。
2、不需进行天然地基基础抗震验算的建筑：
（1）规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑；
（2）砌体房屋；
（3）主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的一般的单层厂房、单层空旷房屋、不超过8层，且高度24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋；
（4）基础荷载与上一条相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。

（五）地基土抗震承载力
地基土抗震承载力的计算采取在地基土静承载力的基础上乘以提高系数的方法。我国建筑抗震设计规范规定，在进行天然地基抗震承载力验算时，地基土的抗震承载力应按下式计算：

式中： ——调整后的地基土抗震承载力；
——地基土抗震调整系数（≥1.0），按照下表3采用；
——深宽修正后的地基承载力特征值。
表3  地基土抗震承载力调整系数
岩石名称和性状         

岩石，密实的碎石土，密实的砾、粗、中砂，fak≥300的黏性土和粉土        1.5
中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂，150kp≤fak＜300kp的黏性土和粉土，坚硬黄土        1.3
稍密的细、粉砂，100kp≤fak＜150kp的黏性土和粉土，可塑黄土        1.1
淤泥，淤泥质土，松散的砂，杂填土，新近堆积的黄土和流塑黄土        1.0
地基土抗震承载力一般高于地基土静载承载力，其原因可以从地震作用下只考虑地基土的弹性变形而不考虑永久变形这一角度得到解释。

（六）地基抗震验算
位于地震区的建筑物，当需要验算地基抗震承载力时，应将建筑物上各类荷载效应和地震作用效应加以组合，并取基础底面的压力为直线分布，如下图1所示，具体的验算要求如下：


式中： ——基础底面地震效应组合的平均压力设计值
——基础边缘地震效应组合的最大压力设计值
图1 基地压力验算
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拉应力；对于其他建筑，则要求基础底面零应力面积不超过基础底面的15%。

（七）地基土液化及危害
1、液化的概念：
饱和松散的砂土或粉土（不含黄土），地震时易发生液化现象，使地基承载力丧失或减弱，甚至喷水冒砂，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。其产生的机理为：地下水位以下的饱和砂土和粉土颗粒在地震作用下，土颗粒之间有变密的趋势。因空隙水不能及时排出，土颗粒就处于悬浮状态，形成如同液体一样的现象，即所谓的土的液化现象。
2、地基土液化的危害
液化使土体的抗震强度丧失，引起地基不均匀沉陷并引发建筑物的破坏甚至倒塌。历次地震灾害调查发现，在地基失效破坏中由砂土液化造成的结构破坏在数量上占有很大的比例。

（八）液化的判别
地基土液化判别过程可以分为初步判断和标准贯入试验判别两大步骤。下面分别予以介绍。
1、初步判断
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）及其以前时且处于烈度7度或者8度地区时可判为不液化土。
（2）粉土的粘粒（粒径<0.005mm）含量百分率当烈度为7度时大于10％、当烈度为8度时大于13％、当烈度为9度时大于16％，可判为不液化土。
（3）浅埋天然地基，当地下水位深度和覆盖非液化土层厚度满足下式之一时，可不考虑液化影响。



式中： ——地下水位深度（m），按建筑设计基准期内年平均最高水位采用，也
可以按照近期内年最高水位采用
——基础埋置深度（m），小于2m时应采用2m；
——液化土特征深度，按规定采用；
——上覆非液化土层厚度（m），计算时应注意将淤泥和淤泥质土层扣除。
2、标准贯入试验
当上述所有的条件均不能满足时，地基土存在液化可能。此时，应采用标准贯入实验进一步判别其是否液化。
标准贯入试验设备由穿心锤（标准重量63.5kg）、触探杆、贯入器等组成。试验时，先用钻具钻至试验土层标高以上15cm，再将标准贯入器打至试验土层标高位置，然后，在锤的落距为76cm的条件下，连续打入土层30cm，记录所得锤击数为N63.5。根据测得的N63.5数据，对照相应规范进行液化土判别。
注意新旧规范中判别公式的不同。

（九）液化地基的评价
根据液化指数 的大小，可将液化地基划分为三个等级，01版规范给出了判别深度为20m和15m两种情况，新规范只给出了判别深度为20m的情况。液化等级与液化指数的对应关系见下表4。
表4  液化等级与液化指数的对应关系
液化等级        轻微        中等        严重
判别深度为15m时的液化指数         



判别深度为20m时的液化指数         



不同等级的液化地基，地面的喷砂冒水情况对建筑物造成的危害有显著的不同，见下表5所示。
表5  不同液化等级的可能震害
液化等级        地面喷水冒砂        对建筑的危害
轻微        地面无喷水冒砂，或仅在洼地、河边有零星的喷水冒砂点        危害性小，一般不致引起明显的震害
中等        喷水冒砂可能性大，从轻微到严重都有，多数属于中等        危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm
严重        一般喷水冒砂严重，地面明显变形        危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，重心高的结构可能产生不允许的倾斜

（十）液化地基的处理方法
根据液化指数和建筑物的类别，对地基进行不同程度的处理。
1、全部消除地基液化沉陷：
采用桩基础、深基础、土层加密法或挖除区别液化土层。
2、部分消除地基液化沉陷：
处理后的液化指数减小。
3、基础和上部结构处理：
选择基础埋深，调整基底面积，减少偏心；
加强基础的整体性和刚度；
增强上部结构整体刚度、均匀对称，合理设置沉降缝；
管道穿过处采用柔性接头；
4、不处理。

三、典型习题
（一）简答题
1．简述土层的过滤和选择放大作用。
答：
地震波是由多种频率成分构成，在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的频率波群被放大，而另一些频率波群被衰减或过滤掉。当建筑物的固有周期与地震动的卓越周期相接近时，建筑物的振动会加大，震害加重。

2．简述地基土液化的概念及其产生机理。
答：
饱和松散的砂土或粉土（不含黄土），地震时易发生液化现象，使地基承载力丧失或减弱，甚至喷水冒砂，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。
其产生的机理为：地下水位以下的饱和砂土和粉土颗粒在地震作用下，土颗粒之间有变密的趋势。因空隙水不能及时排出，土颗粒就处于悬浮状态，形成如同液体一样的现象，即所谓的土的液化现象。