《抗震结构设计》多媒体课件 第2章

2场地、地基和基础武汉理工大学出版社重点掌握场地土与场地类别；砂土液化。了解内容地基与基础的抗震验算；软土地基与桩基的抗震设计。本章学习内容场地(site)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、居民小和自然村或不小于1.0平方公里的平面面积。2.1场地按建筑物震害程度有利场地不利场地危险场地坚硬土中硬土软弱土山丘山嘴液化土滑坡泥石流地裂水边地的地下水位较高，土质也较松软，容易在地震时产生土壤滑动或地层液化。山坡地在地震时会产生土壤滑动。用另外的土石來填补地基，常有土壤密实度不足情形，导致建筑物在地震时产生倾斜、沉陷。冲积地的土质松软，地震时容易塌陷，如果此处有地下水层，还容易发生液化。2.1场地不利的场地条件谷地或低地，这里的建筑物容易在地震发生时，受土石崩塌破坏。不利的场地条件2.1场地临近悬崖,容易滑落。萨尔瓦多地震引发了一巨大的泥石流，数百户人家被埋在泥石里，估计有1200多人遇难。不利的场地条件2.1场地不利的场地条件2.1场地断裂带是地质上的薄弱环节，浅源地震多与断裂活动有关。不利的场地条件2.1场地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筑的影响。：抗震设防烈度小于8度；非全新世活动断裂；抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m。对不符合上文第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。__300m500m专门研究9__200m300m专门研究8丁丙乙甲建筑抗震设防类别烈度发震断裂最小避让距离1.场地土(SiteSoil)指场地范围内的地基土。一般地，软弱地基对建筑物有增长周期、改变振型和增大阻尼的作用。在软弱地基上，柔性结构最容易破坏，刚性结构则较好；坚硬地基上，柔性结构表现较好，而则性结构有的表现较差。总的来说，软弱地基更为不利。场地土对建筑物震害的影响，主要与场地土的坚硬程度和土层的组成有关。场地土类别的划分可按土层的剪切波速Vs或等效剪切波速Vse来划分。等效剪切波速Ｖse是根据地震波通过计算深度范围内多层土层的时间等于该波通过计算深度范围内单一土层所需时间的条件求出的。2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度等效剪切波速Ｖse为何用剪切波速而非压缩波来判定土的类型？EVEVEVEVPsPs522.3;581.0054.1;645.048.048.02.02.0)21)(1()1(;)1(2EVEVPs2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度先由波速公式说起：当泊松比变化时：为何用剪切波速而非压缩波来判定土的类型？由式可知：泊松比μ对剪切波速度影响不太大，相对稳定，而对压缩波影响很大（例如μ=0.2→0.48时）。这种变化特征对于现场测试VP时的要求很高，而实际上很难做到。土可以认为是由骨架（矿物、砂粒等）与填充物（气体、液体等）组成。剪切波不能在气体或液体中传播，即VS只与土的骨架性质有关，而与填充特无关。岩土的骨架和颗粒之间的连接形式，是在一定的历史时期形成的，它相对稳定。而压缩波则不同，它可以在任何介质中传播，所以VP除了与土的压实程度和弹性常数有关外，还和岩土的含水量和人类活动等因素有关，因此，用VS则更能客观地反映土的性质。)21)(1()1(;)1(2EVEVPs2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度剪切波速的测试方法震源设备：主要有击板法、弹簧激振法和定向爆破法三种。测试仪器：由孔内三分量检波器与地震仪组成。测试方法:单孔法单孔法(单孔检层法,也称弹性波速度测井、跨孔法、折射波法等。2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度地震仪充气装置气囊三分量检波器单孔法波速测试现场连接图vs1vs2vsivsnd1d2didnd1d0自然地面vsed0自然地面■等效剪切波速Vse的确定方法2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度niidd10nisiivdt1nisiiniisevddtdv110土的类型岩土名称和性状土层剪切波速范围（m/s）坚硬土或岩石稳定岩石，密实的碎石土υs＞500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak＞200的粘性土和粉土，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≤200的粘性土和粉土，fak＞130的填土，可塑黄土250≥υs＞140软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，fak≤130的填土，流塑黄土υs≤1402.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度土的类型划分和剪切波速范围2.场地覆盖层厚度(Thicknessofsitesoillayer)在一般情况下，可取地面至剪切波速大于500m/s的坚硬土层或岩层顶面的距离；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倍的土层且其下卧岩土层的剪切波速均不小于400m/s时，亦可取地面至土层顶面的距离作为覆盖层厚度；若土层中有剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层，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。一般来讲，震害随着覆盖层厚度的增加而加重。2.1场地2.1.1场地土及场地覆盖层厚度《抗震规范》指出：建筑场地类别应根据土层等效剪切速波和场地覆盖层厚度划分为4类。2.1场地2.1.2场地类别等效剪切波速(m/s)场地类别ⅠⅡⅢⅣυse5000500≥υse2505≥5250≥υse14033～5050υse≤14033～1515～8080各类建筑场地的覆盖层厚度例：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。层底深度(m)土层厚度(m)土的名称剪切波速m/s9.59.5砂17037.828.3淤泥质粘土13043.65.8砂24060.116.5淤泥质粘土200632.9细砂31069.56.5砾混粗砂520(2)地面下20m以上场地土类型tdvse/0m/s3577.146130/5.10170/5.92010nisiivdd解：(1)确定覆盖层厚度063md(3)确定建筑场地类别属于中软土属于Ⅲ类场地2.1场地2.1.2场地类别下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：砌体房屋地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑:•一般单层厂房、单层空旷房屋;•不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋;•基础荷载与上一项相当的多层框架厂房。《建筑抗震设计规范》规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。注：软弱粘性土层指7度、8度和9度时，地基土静承载力特征值分别小于80kPa、100kPa和120kPa的土层。2.2天然地基与基础的抗震验算2.2.1不进行天然地基及基础抗震验算的建筑2.2天然地基与基础的抗震验算由于作用时间短促，只能让地基产生弹性变形，而永久变形却来不及发生，所以地震作用产生的地基变形较同值的静载产生的变形要小得多。因此，从容许变形的角度考虑，地基土的抗震承载力大于地基土的静承载力。另外，考虑到地震作用的偶然性和短暂性以及工程结构的经济性，地基在地震作用下的可靠性可以比静力荷载下的适当降低，故在确定地基土的抗震承载力时，其取值应比地基土的静承载力有所提高。地震乃极短期动载，土体在此作用下，孔隙水压力来不及消散，此时地基承载力实从抗剪总应力而来。静载下，孔隙水压力来的及消散，此时地基承载力实从抗剪有效应力而来，故地基的抗震承载力大于静承载力.但有一个前提是土体不得液化，故此结论只适用于非液化地基。地基土的动承载力与静承载力比较，哪个大？›‹2.2.2天然地基在地震作用下的抗震承载力验算1、地基土的抗震承载力asaEff)5.0()3(dbffmdbaka2.2天然地基与基础的抗震验算地基土的抗震承载力faE岩土名称和性状ζs岩土，密实的碎石土，密实的砾、粗、中砂，fak≥300粘性土和粉土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，150≤fak＜300粘性土和粉土，坚硬的黄土1.3稍密的细、粉砂，100≤fak＜150粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土,可塑性黄土1.1淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土新近堆积的黄土及流塑的黄土1.02.2.2天然地基在地震作用下的抗震承载力验算地基土抗震承载力调整系数2、地震作用下天然地基的抗震验算2.2天然地基与基础的抗震验算2.2.2天然地基在地震作用下的抗震承载力验算pmaxp地基反力示意图aEmaxaE1.2pfpf验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，可认为其在基础底面所产生的压力是直线分布的。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：液化（Liquefaction）的定义大家都有这样的经验：敲击盛满干砂的容器，砂子就会塞满而表面下沉，可是对于饱和的砂子（指砂粒间充满水的砂子，即通常在水面以下的砂子）给予振动，其压缩性能就低。如果砂粒之间了孔隙中充满了水，由于地震时砂粒力求趋于紧状态，但是，砂粒之间的水是不可压缩的。因此，水的压力就增大了，地基有效垂直压应力减少了，克服了砂土的剪切强度，地基土就液化了。2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化砂粒的振动砂土液化试验2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化日本新泻大地震(1964,M7.3)日本新泻大地震(1964,M7.3)Kawagishi-cho的公寓住宅下沉和倾斜液化的表现与震害2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂量0.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化为什么只提饱和的砂土或粉土，而不提其他的土？按土的粒径大小可以把地基分类为：砾石、砂、粉土、粘土地基。砂土地基的强度是由砂粒之间相互作用的摩擦力形成的，摩擦力∝垂直压应力（地基自重/覆盖层厚度），砂土振动时，地基的有效垂直压应力减少，砂粒之间的摩擦力减少，形成液化。粘土颗粒小，其强度是由粘土颗粒之间的凝聚力形成的，静力强度与动力强度相同，所以，不会出现液化现象。影响场地土液化的主要因素：土层的地质年代和组成–日本新泻市的地质年代为全新世（距今约1万年），地质年代比较新，故容易出现液化问题。土层的相对密度–1964年，日本新泻市地震中，相对密度为50%的地区液化现象明显，而相对密度70%以上的地区就未发现液化现象。土层的埋深和地下水位的深度–砂土层的埋深越大，地下水位越深，其饱和砂土层上的有效覆盖压力也越大，越不容易发生液化。地震烈度与地震持续时间–烈度越高，地震持续时间越长，越容易发生液化。2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化年代名称年代符号距今年数主要现象新生代第四纪全新世Q41万年更新世Q3200万年冰川广布，黄土生成晚第三纪上新世N2600万年西部造山运动，东部低平，湖泊广布中新世N12200万年早第三纪渐新世E33800万年哺乳类分化始新世E25500万年蔬果繁盛，哺乳类急速发展古新世E16500万年（我国无古新世地层发现）2.3液化土与软土地基2.3.1地基土的液化地质年代表(新生代)2.3液化土与软土地基2.3.2液化的判别初步判别标准贯入试验判别（StandardPenetrationTest,SPT）可初步判别为不液化或不考虑液化影响的场地土:地质年代为Q3及其以前时;粉土的粘粒含量百分率不小于某值时;上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合某些条件时;标准贯入试验的基本过程：先用钻具钻至试验土层标高以上15cm处，然后将贯入器打至标高位置，最后在锤的落距为76cm的条件下，打入土层30cm，记