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建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計Seismic design of buildings 第2章 場地、地基與基礎(chǔ) 2.1 場地 （重點掌握） 2.2 天然地基與基礎(chǔ)的抗震驗算 （重點掌握） 2.3 液化土與軟土地基 （重點掌握） 2.4 樁基的抗震設(shè)計（了解內(nèi)容） 2.1 場地 幾個不能混淆的概念： 場 地——指工程群體所在地，具有相似的反應(yīng)譜特征， 其范圍大體相當于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村或不小于1.0km2 的平面面積。 場地土——指場地范圍內(nèi)的地基土。 地 基——建筑基礎(chǔ)下受力范圍內(nèi)的土層。 多次震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同一烈度區(qū)，不同場地上的建 筑的震害不同，工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響很大。常 有地震烈度異�，F(xiàn)象，即“重災(zāi)區(qū)里有輕災(zāi)，輕災(zāi)區(qū)里有 重災(zāi)” 。 為了合理地選擇建筑場地和合理估計場地的動力放大 效應(yīng)以達到經(jīng)濟和安全的目的，必須對場地所在地段的抗 震危險性及場地類別進行劃分。 2.1 場地——續(xù) 地段劃分 《抗震規(guī)范》按場地上建筑物的震害輕重程度把建筑場地 劃分為對建筑抗震有利、不利和危險的地段。 地段選擇 1.選擇有利地段； 2.宜盡量避開不利地段，當無法避開時，應(yīng)采取適當?shù)目拐鸫胧��?3.不應(yīng)在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度 1、場地土的類型 根據(jù)震害調(diào)查，即使在同一烈度區(qū)內(nèi)，由于場地土質(zhì)條件的不同，建筑物的震害也有很大差異。在軟弱的地基上，柔性結(jié)構(gòu)（長周期）破壞較重，剛性好的表現(xiàn)較好；在堅硬的地基上，柔性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較好，而剛性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不一。在堅硬的地基上，一般是結(jié)構(gòu)破壞，在軟弱的地基上有結(jié)構(gòu)破壞，也有地基破壞。 多層土?xí)r，如夾有硬土層，使土層自振周期縮短，剛性建筑震害重；如夾有軟土層，則相反。 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) 場地土類型：為確定場地類別而對場地土剛度所作的類型劃分。主要研究地面以下20m且不超過場地覆蓋層厚度以內(nèi)的各層土。 場地土對建筑物震害的影響，主要與場地土的堅硬程度和土層的組成有關(guān)，而對于場地土類型的劃分，則或。 兩種劃分方法： 　基本劃分法——定量指標，根據(jù)常規(guī)勘探資料按其等效剪切波速劃分； 　綜合劃分法——定性指標，參照一般巖土狀態(tài)描述來分類。 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) ２、場地覆蓋層厚度 覆蓋層厚度：是指從地表到地下基巖面的垂直距離，也就是基巖的埋深。 覆蓋層厚度的大小直接影響地面反應(yīng)譜的周期及強度。當基巖埋深小時，對地面運動中的短周期分量有明顯放大作用；相反，基巖埋深大時，能使地面運動中的長周期分量有所加強。 震害隨場地覆蓋層厚度的增加而加重。 2.1.1 　場地土及場地覆蓋層厚度——續(xù) 我國規(guī)范取值規(guī)定： 一般情況下，地面到剪切波速大于500m/s的堅硬土層頂面的距離為場地覆蓋層厚度。 當?shù)孛?m以下存在剪切波速大于上層土剪切波速2.5倍的土層且下臥巖土層的剪切波速不小于400m/s時，也可取地面至該土層頂面的距離作為覆蓋層厚度。 土層中夾有剪切波速大于500m/s的孤石等，應(yīng)視同周圍土層。 土層中的火山巖硬夾層應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋層厚度中扣除。 2.1.2　　場地類別 建筑場地類別是場地條件的基本表征，地震效應(yīng)與場地有關(guān)，為了進行抗震設(shè)計，有必要對場地進行分類，以便區(qū)別對待。 《抗震規(guī)范》指出：建筑場地類別應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分為4類(見下表)。 　　　　　　各類建筑場地的覆蓋層厚度 例題 2.2 天然地基與基礎(chǔ)的抗震驗算 天然地基的震害特點： 1）一般情況下，地基具有較好的抗震能力，震害較少。 一般天然地基在靜力作用下具有相當大的安全儲備，地基承載能力在長期自重作用下有所提高； 地震時，荷載增大，但短時效應(yīng)使其承載能力也有提高。 2）不同基礎(chǔ)類型，震害差異明顯。 樁基比筏基好，深基比淺基好，條基比獨基好 3）但高壓縮性飽和軟粘土和強度較低的淤泥質(zhì)土，在地震中發(fā)生不同程度的震陷、傾斜。雜填土、回填土，在地震中也會發(fā)生震陷。還有較嚴重的是地基的液化。 地基一旦發(fā)生破壞，震后的修復(fù)加固就相當困難，有時甚至是不可能的，所以也應(yīng)對地基的震害現(xiàn)象進行深入分析，并在設(shè)計時采取相應(yīng)的抗震措施。 2.2.1 不進行天然地基及基礎(chǔ)抗震驗算的建筑 我國抗震設(shè)計規(guī)范對量大面廣的一般地基和基礎(chǔ)不作抗震驗算，對容易產(chǎn)生地基基礎(chǔ)震害的液化地基，軟土地基和嚴重不均勻地基規(guī)定了相應(yīng)的抗震措施，以避免或減輕震害。 可不進行地基基礎(chǔ)抗震驗算的范圍 （1）砌體房屋。 （2）地基主要受力范圍內(nèi)不存在軟弱粘土層的一般單層廠房、單層空曠房屋和8度、高度25m以下的一般民用框架房屋及與其基礎(chǔ)荷載相當?shù)亩鄬涌蚣軓S房，其中軟弱粘土層主要指7度、8度和9度時，地基土靜承載力特征值分別小于80 kPa、100 kPa和120 kPa的土層。 （3）可不進行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。 2.2.2 天然地基在地震作用下的抗震承載力驗算 1、地基土抗震承載力 地震作用是附加于原有靜荷載上的一種動力作用，其性質(zhì)屬于不規(guī)則的低頻(1～5Hz)有限次數(shù)(10～40次)的脈沖作用，作用時間很短，所以只能使土層產(chǎn)生彈性變形而來不及發(fā)生永久變形，其結(jié)果是地震作用產(chǎn)生的地基變形要比相同條件靜荷載產(chǎn)生的地基變形小得多。因此，從地基變形的角度來說，有地震作用時地基土的抗震承載力應(yīng)比地基土的靜承載力大，即一般土的動承載力都要比其靜承載力高。 另外，考慮到地震作用的偶然性和短暫性以及工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，地基在地震作用下的可靠性可以比靜力荷載下的適當降低，故在確定地基土的抗震承載力時，其取值應(yīng)比地基土的靜承載力有所提高。 2.2.2 天然地基在地震作用下的抗震承載力驗算 我國《規(guī)范》采用地基土靜承載力乘以調(diào)整系數(shù)后的值作 為抗震承載力設(shè)計值： 2.2.2 天然地基在地震作用下的抗震承載力驗算——續(xù) 2、地震作用下天然地基的抗震驗算 天然地基抗震驗算一般是采用擬靜力法，即等效靜力法，即先求出地震作用的等效靜力數(shù)值，然后按靜力設(shè)計計算的辦法來驗算地基的強度和穩(wěn)定性。 驗算內(nèi)容——豎向承載力驗算（通常認為：基礎(chǔ)抗水平地震作用能力足夠） 在對地震區(qū)的建筑物進行天然地基的抗震承載力驗算時，作用于建筑物上的各類荷載在與地震作用組合后，可認為其在基礎(chǔ)底面所產(chǎn)生的壓力是直線分布的，基礎(chǔ)底面的平均壓力和邊緣最大壓力應(yīng)符合下列各式要求： 2.2.2 天然地基在地震作用下的抗震承載力驗算——續(xù) 2.3 液化土與軟土地基2.3.1地基土的液化 1、液化的定義：處于地下水位以下的飽和砂土和粉土的土顆粒結(jié)構(gòu)受到地震作用時將趨于密實，使孔隙水壓力急劇上升，而在地震作用的短暫時間內(nèi)，這種急劇上升的孔隙水壓力來不及消散，使原有土顆粒通過接觸點傳遞的壓力減小，當有效壓力完全消失時，土顆粒處于懸浮狀態(tài)之中。這時，土體完全失去抗剪強度而顯示出近于液體的特性。這種現(xiàn)象稱為液化。 液化的宏觀標志是在地表出現(xiàn)噴砂冒水。 2.3.1 地基土的液化——續(xù) 2、液化震害 引起地面噴水冒砂淹沒農(nóng)田，淤塞渠道，淘空路基； 沿河岸出現(xiàn)裂縫、滑移，造成橋梁破壞； 地基不均勻沉降、地裂滑坡等等。 液化使建筑物產(chǎn)生下列震害： 1.地面開裂下沉使建筑物產(chǎn)生過渡下沉或整體傾斜； 2.不均勻沉降引起建筑物上部結(jié)構(gòu)破壞，使梁板等 水平構(gòu)件及其節(jié)點破壞，使墻體開裂和建筑物體 形變化處開裂； 3.室內(nèi)地坪上鼓、開裂，設(shè)備基礎(chǔ)上浮或下沉。 2.3.1 地基土的液化——續(xù) 3、液化的影響因素 （1）土層的地質(zhì)年代和組成 土的地質(zhì)年代越古老，其基本性能越穩(wěn)定。 （2）土層的相對密度 密實程度小則空隙比大，容易液化。 （3）土的組成與性狀 細砂與粗砂比較，由于細砂的透水性較差，地震時容易產(chǎn)生空隙水的超壓作用，故細砂比粗砂容易液化。土的粘性顆粒含量越高，則越不易液化。 （4）土層的埋深和地下水位的深度 砂土層的埋深越大，地下水位越深，其飽和砂土層上的有效覆蓋層壓力越大，則砂土層越不容易發(fā)生液化。 （5）地震烈度和地震持續(xù)時間 地震烈度越高，地震持續(xù)時間越長，飽和的砂土越容易液化。 2.3.2 液化的判別 當建筑物的地基有飽和砂土或飽和粉土?xí)r，應(yīng)經(jīng)過勘察試驗預(yù)測其在未來地震時是否會出現(xiàn)液化，并確定是否需要采取相應(yīng)的抗液化措施。 《抗震規(guī)范》規(guī)定，當基本烈度為6度時，一般情況下可不考慮對飽和砂土的液化判別和地基處理，但對液化沉陷敏感的乙類建筑，即由地基液化引起的沉陷可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或使結(jié)構(gòu)不能正常使用的，均應(yīng)按7度考慮；當基本烈度為7～9度時，乙類建筑可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求進行判別和處理。 為了減少判別場地土液化的勘察工作量，飽和砂土液化的判別可分兩步進行，即初步判別和標準貫入試驗判別。凡經(jīng)初步判別定為不液化或不考慮液化影響的場地土，原則上可不進行標準貫入試驗的判別。 2.3.2 液化的判別——續(xù) 1、初步判別 《抗震規(guī)范》規(guī)定，對于飽和的砂土或粉土（不含黃土），當符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或不考慮液化影響的場地土： （1）地質(zhì)年代為第四紀晚更新世(Q3)及其以前時，沖洪積形成的密實飽和砂土或粉土(不含黃土)，7～9 度時可判為不液化土； （2）粉土的粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)含量百分率 (％)在7度、8度和9度分別不小于l0、l3 和16時，可判為不液化土。 2.3.2 液化的判別——續(xù) （3）天然地基的建筑，當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響： 2.3.2 液化的判別——續(xù) 2.3.2 液化的判別——續(xù) 2、 標準貫入試驗判別 當初步判別認為需要進一步進行液化判別時，應(yīng)采用標準貫入試驗方法進行場地土的液化判別。 標準貫入試驗設(shè)備由標準貫入器、觸探桿和重 63.5kg的穿心錘3部分組成。 標貫試驗過程為： 第一步：用鉆具鉆孔至試驗土層標高以上15cm處。 第二步：將標準貫入器打至標高位置。 第三步：以76cm的落距，用63.5公斤穿心錘打入 土層30cm，記錄所用的錘擊數(shù)為N63.5稱為標貫擊數(shù)。 貫入試驗須判別地面下l5m深度范圍內(nèi)的液化， 當采用樁基或埋深大于5m的深基礎(chǔ)時，尚應(yīng)判 別l5 ～20m范圍內(nèi)土的液化。 2.3.2 液化的判別——續(xù) 規(guī)范規(guī)定：當飽和可液化土的標準貫入錘擊數(shù)N63.5小于標 準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr值時，判為液化；否則判為不液化。 2.3.2 液化的判別——續(xù) 2.3.2 液化的判別——續(xù) 3、液化指數(shù)與液化等級 為了鑒別場地土液化危害的嚴重程度，《抗震規(guī)范》給出了液化指數(shù)的概念，采用土層柱狀液化等級判定。 2.3.2 液化的判別——續(xù) 2.3.3　　　可液化地基的抗震措施 為了保障建筑物的安全，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別和地基的液化等級，結(jié)合具體的工程情況綜合考慮，并選擇恰當?shù)目挂夯�措施�? 當液化土層較平坦且均勻時，可按下表選用合理的抗液化措施。同時也可考慮上部結(jié)構(gòu)重力荷載對液化危害的影響，根據(jù)液化震陷量的估計適當調(diào)整抗液化措施。 2.3.3　　可液化地基的抗震措施——續(xù) １、全部消除地基液化沉陷的措施應(yīng)符合： 1）采用樁基時，樁端深入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度（不包括樁尖部分），應(yīng)按計算確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅硬粘性土和密實粉土尚不應(yīng)小于0.5m，對其他非巖石尚不應(yīng)小于1.5m； 2）采用深基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)底面埋入深度以下穩(wěn)定土層中的深度，不應(yīng)小于0.5m； 3）采用加密法（如振沖、振動加密、砂樁擠密、強夯等）加固時，應(yīng)處理至液化深度下界，且處理后土層的標準貫入錘擊數(shù)的實測值不宜大于相應(yīng)的臨界值； 4）挖除全部液化土層； 5）采用加密法或換土法處理時，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。 2.3.3　　可液化地基的抗震措施——續(xù) 2、部分消除地基液化沉陷的措施應(yīng)符合： 1）處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少，當判別深度為15m時，其值不宜大于4，當判別深度為20m時，其值不宜大于5；對獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)，尚不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。 2）處理深度范圍內(nèi)，應(yīng)挖除其液化土層或采用加密法加固，使處理后土層的標準貫入錘擊數(shù)實測值不小于相應(yīng)的臨界值。 3）基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度與全部清除地基液化沉陷時的要求相同。 2.3.3　　可液化地基的抗震措施——續(xù) 3.減輕液化影響的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，可綜合考慮采用 下列措施： 1)選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度； 2)調(diào)整基礎(chǔ)底面積，減少基礎(chǔ)偏心； 3)加強基礎(chǔ)的整體性和剛性，如采用箱基、筏基或鋼筋混凝土十字形基礎(chǔ)，加設(shè)基礎(chǔ)圈梁、基礎(chǔ)梁系等； 4)減輕荷載，增強上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，合理設(shè)置沉降縫，避免采用對不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式等； 5)管道穿過建筑處應(yīng)預(yù)留足夠尺寸或采用柔性接頭等。 2.4. 樁基的抗震設(shè)計2.4.1可不進行樁基抗震驗算的建筑 全部消除地基液化沉陷的有效措施之一是采用樁基， 因此，樁基的抗震設(shè)計也是建筑抗震設(shè)計的重要內(nèi)容。 可不進行樁基抗震驗算的建筑范圍： 《抗震規(guī)范》規(guī)定：對于承受豎向荷載為主的低承臺樁基，當?shù)孛嫦聼o液化土層，且樁承臺周圍無淤泥、淤泥質(zhì)土地基土靜承載力特征值不大于100kPa的填土?xí)r，下列建筑可以不進行樁基抗震承載力驗算。 （1）砌體房屋和可不進行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。 （2）7度和8度時，一般單層廠房、單層空曠房屋和8度、高度25m以下的一般民用框架房屋及與其基礎(chǔ)荷載相當?shù)亩鄬涌蚣軓S房。 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計 對于不符合上述條件的樁基，除了應(yīng)滿足《建筑地 基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計要求外，還應(yīng)進行樁基的抗 震驗算。驗算時應(yīng)根據(jù)場地土的組成情況，將其分為非液 化土中的低承臺樁基和存在液化土層的低承臺樁基抗震驗 算兩大類。 1、非液化地基中的低承臺樁基： 單樁豎向和水平抗震承載力設(shè)計值可較靜載時提高25%。 當承臺側(cè)面的回填土夯實至干重度不小于16.5kN/m3時，可考慮承臺正面填土與樁共同承擔(dān)水平地震作用，但不應(yīng)計入承臺底面與地基土之間的摩擦力。 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計 2、液化地基中的低承臺樁基 （1）對于一般淺基礎(chǔ)，不宜計入承臺側(cè)面土抗力或剛性地坪對水平地震作用的分擔(dān)作用。 （2）全部水平地震作用由樁承擔(dān)并按以下兩種狀態(tài)驗算樁的豎向承載力和樁身的強度： ① 地震時，液化土的剛度與摩阻力按折減一半處理； ② 地震后，取非抗震設(shè)計組合，液化層的摩阻力取零，上覆非液化層的摩阻力乘以折減系數(shù)0.8。 （3）對于打入式預(yù)制樁及其他擠土樁 ① 當平均樁距為2.5~4倍樁徑且樁數(shù)不少于5×5時，可考慮打樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響。 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計 ② 當打樁后樁間土的標準貫入錘擊數(shù)達到不液化的要求時，可不考慮液化對單樁承載力的折減。但對樁尖持力層作強度校核時，樁基外側(cè)的應(yīng)力擴散角應(yīng)取為零。 ③ 打樁后樁間土的標準貫入錘擊數(shù)可由試驗確定，也可按下式計算： 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計 （4）對處于液化土中的樁基承臺周圍，宜用非液化土填筑夯實。如果采用砂礫類土，則應(yīng)使其密度達到不液化的程度。 （5）液化土中的樁，由樁頂直到液化深度以下2倍樁徑的范圍內(nèi)，縱向鋼筋需保持與樁頂相同，箍筋應(yīng)加密，間距宜與樁頂部相同。 （6）在有液化側(cè)擴地段，距常時水線150m范圍內(nèi)的樁基除應(yīng)滿足上述要求外，還應(yīng)考慮土流動時的側(cè)向作用力，承受側(cè)向推力的面積按邊樁外緣間的寬度計算。 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計 2.4.2 樁基的抗震設(shè)計——續(xù) 2、存在液化土層的低承臺樁基抗震驗算 （1）對于一般淺基礎(chǔ)，不宜計入承臺側(cè)面土抗力或剛性地坪對水平地震作用的分擔(dān)作用。 （2）全部水平地震作用由樁承擔(dān)并按以下兩種狀態(tài)驗算樁的豎向承載力和樁身的強度： ① 地震時，液化土的剛度與摩阻力按折減一半處理； ② 地震后，取非抗震設(shè)計組合，液化層的摩阻力取零，上覆非液化層的摩阻力乘以折減系數(shù)0.8。 （3）對于打入式預(yù)制樁及其他擠土樁 ① 當平均樁距為2.5～4倍樁徑且樁數(shù)不少于5×5時，可考慮打樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響。 本章重點 一、名詞解釋 場地、場地土、覆蓋層厚度、場地土的液化； 二、簡答 1、場地土類型、場地類別的劃分及工程意義 2、場地選擇的原則 3、場地土液化的原因及危害 4、場地土液化的判別方法 5、液化指數(shù)的作用 6、天然地基及基礎(chǔ)抗震承載力驗算的一般原則 7、可液化地基和軟土地基的抗震措施 8、樁基抗震設(shè)計的基本方法等 三、計算 1、建筑場地的類型判定 2、地基土的液化判別 3、地基土液化等級的判別 本章結(jié)束！4Nr紅軟基地

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