2.场地与地基

建筑结构系列电子教案建筑结构抗震设计ReinforcedConcreteStructure2.场地与地基BuildingSiteandfoundations主讲：沙勇2012－9第二章场地与地基§2.1建筑场地§2.2天然地基的抗震验算§2.3液化地基的判别与处理§2.1建筑场地•场地：是指范围相当于厂区、居民点、自然村或平面面积不小于1.0km2，具有相似的反应谱特征的工程群所在地。（建筑物所在地）•建筑在不同地质条件的场地上的建筑物，在地震时的破坏程度明显不同。•有必要将建筑场地按其对建筑物地震作用的强弱和特征进行分类，以便根据不同的建筑场地类别采用相应的设计参数，进行建筑物的抗震设计和采取相应的抗震措施。建筑场地的地震影响•建筑场地的地震影响：•不同场地上的建筑物的震害差异明显：•在软弱地基上，柔性结构容易遭到破坏，刚性结构表现较好；结构破坏有时是由于地基破坏而产生；•在坚硬地基上，柔性结构表现较好，而刚性结构表现不一，有好有坏；建筑物的破坏通常是因结构破坏而产生；•总体来说，在软弱地基上的破坏比坚硬地基上的破坏要严重。1.建筑地段类别的划分地段类别地质、地形、地貌有利地段稳定基岩、坚硬土、开阔平坦密实均匀的中硬土等不利地段软弱土、液化土、条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，平面分布土成因、岩性、状态明显不均匀的土层（含古河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黄土，地表存在结构性裂缝等危险地段地震是可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断带上可能发生地表位错的部位《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定：选择建筑场地时,应按规定划分对建筑抗震有利、不利和危险的地段。建筑地段的选用原则•宜选择有利地段•避开不利地段•当无法避开不利地段时，应采取有效措施，•严禁在危险地段建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。《抗震规范》3.3.1条明确规定：土的类型岩土名称和性状土层剪切波速范围(m/s)岩石坚硬、较硬且完整的岩石υS＞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≥υS＞500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak150的黏性土和粉土，坚硬黄土500≥υS＞250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250≥υS＞150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υS≤150fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值(kPa)；2.场地土类型和覆盖层厚度•场地土类型是指土层本身的刚度特性，根据土层剪切波速将土的类型划分为五种：覆盖层厚度•场地覆盖层厚度：•①一般指的是地面至坚硬土顶面的距离。•坚硬土通常是指剪切波速大于500m/s的土层和岩石；•②但当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层，且下卧岩层的剪切波速均不小于400m/s时，也可按该层土顶面至地面的距离作为覆盖层厚度。•注：剪切波速均大于500m/s的孤石、透镜体不计，火山岩硬夹层不计厚度。•土层越厚，震害越严重等效剪切波速•当土层物理力学指标明显不同时（分层），可采用等效剪切波速•等效剪切波速以剪切波在地面至计算深度各层土中的传播的时间不变的原则，来定义的土层平均剪切波速：•d0─剪切波速的计算深度,取覆盖层厚度和20m两者的较小值siisevdttdv//03.场地类别的划分《抗震规范》按照等效剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑场地划分为四种类别（其中I类分为I0、I1两个亚类）：•对丁类建筑和≤10层且高度≤30m丙类建筑，当无实测剪切波速时，可参考岩土性状来划分。岩石的剪切波速或土的等效剪切波速(m/s)场地类别Ⅰ0Ⅰ1ⅡⅢⅣυS＞8000800≥υS＞5000500≥υS＞250＜5≥5250≥υS＞150＜33～50＞50υS≤150＜33～1515～50＞80各类建筑场地的覆盖层厚度(m)§2.2地基抗震验算•大量的一般性地基具有很好的抗震性能，极少有因地基承载力不足而导致的震害。•原因：•一般天然地基在静力荷载作用下具有相当大的安全储备。•地基在建筑物自重长期作用下产生固结，使承载力提高•动载短期荷载作用下，地基动承载力也有所提高•大量的一般地基具有良好的抗震性能，按地基静力承载力设计的地基能够满足抗震要求，规范规定了相当大部分的建筑物可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算。1.可不进行地基及基础抗震验算的情况1本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：1)一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。注：软弱粘性土层指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.天然地基抗震验算•(1)确定地震作用下地基土的承载力：•采用在地基静承载力设计值基础上乘以抗震调整系数来计算•地震作用下一般土的动强度高于静强度。•地震作用下地基的可靠度可比静力荷载下有所降低。aaaEff2.天然地基抗震验算•(2)上部荷载效应应采用地震作用效应标准组合，即各作用分项系数均取1.0的组合。•(3)采用拟静力法，假定地震作用如同静力作用，验算地基的承载力和稳定性。•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：•式中：P——地震作用效应标准组合的基础底面平均压力；Pmax——地震作用效应标准组合的基础边缘的最大压力。aEaEfpfp2.1max2.天然地基抗震验算•(4)地基稳定性要求：•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）；•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%。§2.3液化地基的判别与处理•1.地基液化：（定义见书P19）•处于地下水位以下的饱和砂土和饱和粉土，在地震作用时容易发生液化现象。•原因：•地震引起的强烈振动使得饱和砂土或粉土颗粒间发生相对位移，趋于密实，短时间内孔隙水压力急剧增加，使原先由土颗粒通过其接触点传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，沙土颗粒局部或全部处于悬浮状态。此时土体抗剪强度为零，形如液体，产生冒水喷砂现象。地基液化的危害•地基土液化直接引起建筑物的震害：•地面开裂下沉，使建筑物产生过度下沉或整体倾斜；如1964年日本新泻地震•不均匀沉降引起上部结构破坏；•地面喷砂冒水，室内地坪破坏，设备基础上浮或下沉。地基液化的危害台中港大面积地基液化，码头到处可见沉陷和裂缝地基液化的危害局部砂土液化造成房屋倾斜地基液化的危害1964年，日本新潟地震时因地基液化而使楼房倾倒地基液化的影响因素•土层的地质年代：地质年代越古老越不容易液化•土的组成和密实程度：砂土：越密实级配越好，颗粒越粗，越不易液化；密实程度小的砂土容易液化粉土：其中黏性颗粒越多，越不易液化•液化土层的埋深：埋深越大，越不易液化•地下水位深度：地下水位越深，越不易液化•地震烈度和持时：烈度越高，持时越长，越容易液化2.地基土的液化判别•饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的液化判别和地基处理，6度时，一般情况下可不进行判别和处理,但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理，7～9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。•二阶段判别法:•初步判别法:根据土层的地质年代、土的组成、覆盖层厚度和地下水位的深度等定性判别不液化土.•第二步判别，采用标准贯入度法。若标贯击数小于临界击数，需进一步确定液化指数，选择抗液化措施。液化判别——初步判别•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：•地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时，7、8度时可判为不液化。•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，可判为不液化土。•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：液化判别——初步判别dw－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；du－上覆盖非液化土层厚度(m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；db－基础埋置深度(m)，不超过2m，时应采用2md0－液化土特征深度(m)，可按表2-6采用。液化判别——初步判别d0－液化土特征深度(m)，即为不考虑土层液化时覆盖层界限厚度。表2-6•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---贯入器靴液化判别——标准贯入试验判别•钻孔至试验土层上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。液化判别——标准贯入试验判别cwsncrddlNN/31.05.16.00标准贯入锤击数临界值的计算公式如下：液化判别——标准贯入试验判别标准贯入锤击数临界值的计算公式如下：cwsncrddlNN/31.05.16.00•钻孔至试验土层上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。液化判别——标准贯入试验判别cwsncrddlNN/31.05.16.00•当饱和土标准贯人锤击数（未经杆长修正）小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。•当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。标准贯入锤击数基准值•地下水位深度越浅，黏粒含量百分比越小，抗震设防烈度越高，地震加速度越大，地震作用持续时间越长，标准贯入锤击数临界值越大，则越容易被判别为液化土层。标准贯入试验的实质是对土的密实度作出评价，由此间接地评判土层液化的可能性。cwsncrddlNN/31.05.16.00液化判别——标准贯入试验判别•当初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下20m深度范围内的液化；•对本规范第4.2.1条规定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。规范规定：液化指数•对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数：n－在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni、Ncri－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的数值；di－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，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi－i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m-1)。当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于20m时应采用零值，5～20m时应按线性内插法取值。液化等级•液化指数的大小，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。应按下表确定液化等级，并根据液化等级采取相应的技术措施。液化等级轻微中等严重液化指数IlE0＜IlE≤66＜IlE≤18IlE＞18表4.3.5液化等级与液化指数的对应关系3.地基抗液化措施•液化指数的大小，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。根据液化等级可采取相应的技术措施。2-13全部消除地基液化沉陷的措施•1采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬黏性土和密实粉土尚不应小于0.8m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m