建筑结构抗震设计,场地、地基和基础2

建筑结构抗震设计２.场地、地基和基础·本章要点■掌握：建筑地段选择的原则；场地类别的划分；天然地基及基础抗震验算的一般原则；液化的含义；抗液化的措施■理解：场地的基本概念；液化的判别；可液化地基和软土地基的抗震措施■了解：建筑地段的划分；场地引起的震害；液化的危害建筑结构抗震设计２.１场地１.建筑地段的选择（１）建筑地段的划分工程地质条件对地震破坏的影响很大。常有地震烈度异常现象，即“重灾区里有轻灾，轻灾区里由重灾”产生的原因是局部地区的工程地质条件不同。建筑地段的划分：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，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断破裂带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表错位的部位建筑结构抗震设计２.１场地（２）地段的选择①选择有利地段；②避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施；③不在危险地段建设。２.场地土及场地覆盖层厚度（１）场地土：场地范围内的地基土。在同一地震和同一震中距离时，软弱地基与坚硬地基相比，软弱地基地面的自振周期长，振幅大，振动持续时间长，震害也重。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。场地的地震效应：①场地土对于从基岩传来的地震波具有防大作用。②坚硬土层上的刚性建筑、软弱土上的柔性建筑破坏严重。场地土的类型：建筑结构抗震设计akf淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，的填土，流塑黄土软弱土稍密的的砾、粗、中砂,除松散外的细、粉砂,可塑黄土,的粘性土和粉土,的填土中软土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土，坚硬黄土中硬土稳定岩石，密实的碎石土坚硬土或岩石土层剪切波速范围(m/s)岩土名称和性状土的类型500sv250500sv140250svsv140---地基土静承载力标准值200akf200akf130akf130akf（２）场地覆盖层厚度一般来讲，震害随覆盖层厚度的增加而加重。建筑结构抗震设计２.１场地场地覆盖层厚度的确定：：①一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面；②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倍的下卧土层，且下卧土层的剪切波速不小于400m/s时，可按地面至该下卧土层顶面的距离确定；③剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层；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。３.场地类别场地类别根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分为４类。15~803~1530~500ⅣⅢⅡⅠ500sev250500sev140250sevsev140m5m5m35080~1580m3等效剪切波速（m/s）场地类型建筑结构抗震设计２.２天然地基与基础的抗震验算地基在地震作用下的稳定性对基础及上部结构的内力分布是比较敏感的，因此确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。１.天然地基的震害特点（１）高压缩性饱和软粘土和承载力较低的淤泥质土在地震中产生不同程度的震陷，造成上部结构的倾斜或破坏；（２）杂填土、回填土和冲填土等松软填土地基，土质松软且承载力较低，易产生沉陷，使结构开裂；（３）沟、坑、古河道、坡地办挖半填等非匀质地基在地震中的不均匀沉降或地裂缝引起上部结构破坏。２.天然地基的抗震措施（１）软弱粘性土地基：采用桩基，地基加固建筑结构抗震设计２.２天然地基与基础的抗震验算（２）杂填土地基：换土夯实；地基加固；（３）不均匀地基：综合建筑体型、荷载、烈度、结构类型等采取合理的结构布局、地基抗震措施。地基加固处理方法：换土垫层法；重锤夯实法；挤密桩法；沉井预压法３.地基基础抗震设计地基基础抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力的。（１）地基基础抗震设计的一般要求①同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层；②同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基；建筑结构抗震设计换填垫层法概述换填垫层法是将地基中一定厚度的软弱土层挖除，分层填筑中粗砂或砂砾石、灰土、粘性土或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并分层压实或振（夯）实至要求的密实度。当软弱土地基的承载力和变形满足不了建（构）筑物的要求，而软弱土层厚度又不很大时，采用换填垫层法能取得较好的效果。换填垫层法常用于荷载不大的建筑、地坪、堆料场地和道路工程的地基处理。适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘的浅层处理。处理深度一般控制在3m以内，也不宜小于0.5m。建筑结构抗震设计换填材料和施工方法换填材料要求使用砂和砂石换填应选用级配良好、质地坚硬的中砂或粗砂、角（圆）砾、碎（卵）石、石屑等，并应除去植物残体、垃圾等杂质。若用粉细砂或石粉，应掺入30%的碎石或卵石，砂石最大粒径不宜大于50mm。人工级配的砂砾石，应先将砂、卵石拌合均匀后再铺设。使用粉质粘土时，土料中有机质含量不得超过5％，亦不得含有冻土或膨胀土。使用灰土时，体积配合比宜为2：8或3：7。由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层时，作为加筋的土工合成材料应采用抗拉强度较高、受力时伸长率不大于4％～5％、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料。建筑结构抗震设计开挖软弱土方法主要有挖掘机挖除法、推土机挖除法、人工挖除法等。当土质过于软弱而挖掘机和推土机无法作业时，可采用水力挖塘机组挖除，即用高压水流对软粘土进行切割并冲成泥浆，然后用泥浆泵输送到指定地点沉淀后再处理。开挖的深度和宽度应根据换填垫层的设计要求确定。建筑结构抗震设计加固机理、特点和适用范围强夯法属高能量夯击，它是用起重机械将大吨位夯锤（一般80~300kN）起吊到6~30m高度后，自由落下，给地基土以强大冲击能量的夯击，在土中出现冲击波和很大的冲击应力，迫使土层孔隙压缩，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性。强夯法是一种常用的深层地基处理方法。建筑结构抗震设计强夯法特点：施工方法和设备简单，施工速度快，功效高；节约原材料，较为经济；适用土质范围广，可取得较高的承载力，一般地基强度可提高2~5倍；沉降变形小，压缩量可降低2~10倍；加固影响深度可达6~10m，但振动影响较大。强夯法适用于加固碎石土、砂土、低饱和度粉土、粘性土、湿陷性黄土、素填土、杂填土以及工业废渣、垃圾地基的处理。当强夯所产生的振动对周围建筑物、设备及其他设施有影响时，不得采用强夯法施工。必要时，应采取防振、隔振措施。建筑结构抗震设计机具设备强夯法施工设备由夯锤、起重机械和脱钩装置等组成。夯锤可采用铸钢制成的钢夯锤、装配式钢夯锤（图2-1）、或钢板外壳内部浇筑混凝土的混凝土夯锤。装配式钢夯锤可组合成不同规格。夯锤底面有圆形和方形两种，其中圆形定位方便，稳定性和重合性好，应用较广。锤底面积根据表层土质确定，砂土一般取3~4m2；粘性土不宜小于6m2。夯锤中宜设1~4个直径250~300mm上下贯通的排气孔，以减少起吊夯锤时的吸力和夯锤落地前瞬时的气垫上托力，保证夯击能的有效性。建筑结构抗震设计强夯施工的起重机械常用履带式起重机（带摩擦离合器），也可采用专用三角起重架或龙门架作强夯起重设备。当直接用钢丝绳悬吊夯锤时，起重能力应大于锤重的3~4倍；当采用自动脱钩装置时，起重能力应大于1.5倍锤重。起重能力不能满足单缆锤击法对吊机卷扬机能力的要求时，多通过动滑轮组并借助脱钩装置来起落夯锤。此时，应防止夯锤突然脱钩使起重臂回弹后仰，一般采取加钢辅助人字桅杆的方法解决.建筑结构抗震设计２.２天然地基与基础的抗震验算③地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性；④根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶段上的工作状态。（２）可不进行地基基础抗震验算的范围由震害调查得到下面结论：①只有少数房屋是由地基的原因而导致上部结构的破坏②导致上部结构破坏的地基大多是液化地基、易产生震陷的软土地基和严重不均匀地基。③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。④我国抗震设计规范对量大面广的一般地基和基础不作抗震验算，对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，以避免或减轻震害。建筑结构抗震设计２.２天然地基与基础的抗震验算可不进行地基基础抗震验算的范围①砌体房屋；②地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般的单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层且高度在25m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；③规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。。（３）天然地基地震作用下的承载力验算规范规定：基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式要求：----基础底面平均压力（kPa)----基础底面边缘最大压力(kPa)----地基土抗震允许承载力aEfpaEfp2.1maxpmaxpaEf建筑结构抗震设计的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其它建筑基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。（４）地基土抗震承载力确定地基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多数土在有限次的动载下，强度较静载下有所提高。地基土抗震承载力：---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asaEffaEfs建筑结构抗震设计２.２天然地基与基础的抗震验算-----深宽修正后的地基承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范》GB50007采用。af1.0淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土1.1稍密的细、粉砂，的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土1.3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的粘性土和粉土1.5岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土岩土名称和性状kPa300kfkPa300kPa150kfkPa150kPa100kfa地基土抗震承载力调整系数建筑结构抗震设计２.３液化土与软土地基１.地基土的液化（１）定义：处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，