Chapter3場地地基和基礎(chǔ).ppt

第三章 場地、地基和基礎(chǔ),工程地質(zhì)條件對震害的影響 場 地 地基及基礎(chǔ)的抗震驗算 地基土的液化 地基抗液化措施及處理,3.1 工程地質(zhì)條件對震害的影響,局部地形條件的影響 局部地形條件對地震時建筑物的破壞有較大影響,局部地質(zhì)構(gòu)造的影響斷層危險 局部地質(zhì)構(gòu)造主要是指斷層發(fā)震斷層、非發(fā)震斷層,工程地質(zhì)條件對地震破壞影響很大烈度異?，F(xiàn)象,地段選擇 1.選擇有利地段； 2.避開不利地段，當(dāng)無法避開時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?3.不在危險地段建設(shè)。,水邊地的地下水位較高，土質(zhì)也較松軟，容易在地震時產(chǎn)生土壤滑動或地層液化。,山坡地在地震時會產(chǎn)生土壤滑動,用另外的土石來填補(bǔ)地基，常有土壤密實度不足情形，導(dǎo)致建筑物在地震時產(chǎn)生傾斜、沉陷。,沖積地的土質(zhì)松軟，地震時容易塌陷，如果此處有地下水層，還容易發(fā)生液化。,臨近懸崖， 容易滑落,谷地或低地，這里的建筑物容易在地震發(fā)生時，受土石崩塌破壞。,薩爾瓦多地震引發(fā)了一巨大的泥石流，數(shù)百戶人家被埋在泥石里，1200多人遇難,地 裂,局部突出地形的影響,1994年云南昭通地震，蘆家灣某村坐落于山梁上，山梁長150m，頂部最寬15m，最窄5m，高60m，距震中18km。,突出端部的最大加速度為0.632g，鞍部為0.257g，大山根部為0.431g。,烈度為9度,烈度為8度,烈度為7度,1. 高突地形距離基準(zhǔn)面的高度愈大，高處的反應(yīng)愈大； 2. 離陡坎和邊坡頂部邊緣的距離大，反應(yīng)相對減小； 3. 在同樣地形條件下，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比巖質(zhì)結(jié)構(gòu)大； 4. 高突地形頂面愈開闊，遠(yuǎn)離邊緣的中心部位的反應(yīng)明 顯減小; 5. 邊坡愈陡，其頂部的放大效應(yīng)相應(yīng)加大。,地下水位的影響 地震時，地下水位對建筑物危害程度的影響與水位深淺和地基土的類別有關(guān)。 水位淺破壞重 水位深度5m，無明顯影響 對軟弱土層（如粉砂、細(xì)砂、淤泥質(zhì)土） 地下水影響最大 對粘性土地下水影響稍差 對碎石、角礫 地下水影響較小,3.2 場 地,基本概念 場 地 是指工程群體所在地，具有相似的反應(yīng)譜特征。其范圍相當(dāng)于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村或不小于1平方公里的平面面積。（GB50011-2010第2.1.8條） 場地土 場地范圍內(nèi)的地基土。 土,同一烈度區(qū)內(nèi)，場地土質(zhì)條件不同，震害不同 軟弱地基與堅硬地基相比： 自振周期長、振幅大、振動持續(xù)時間長、土不穩(wěn)定、易液化 土結(jié)相互作用更明顯，增大結(jié)構(gòu)周期，改變振型 場地土層的組成不同，對震害影響也不同,圖3-1 房屋破壞率與土層厚度關(guān)系,建筑物震害除與地震類型、結(jié)構(gòu)類型等有關(guān)外，還與其下臥層的構(gòu)成、覆蓋層厚度密切相關(guān)。,一般而言，房屋倒塌率隨土層厚度的增加而加大，軟弱場地上建筑物震害一般重于堅硬場地。 巖層中的地震波具有多種頻率成分。其中，在振幅譜中幅值最大的頻率分量所對應(yīng)的周期，稱為地震動的卓越周期。 由于土層的過濾特性與選擇放大作用，地表地震動的卓越周期很大程度上取決于場地的固有周期。 當(dāng)建筑物固有周期與地震動的卓越周期接近時，建筑物振動會加大，震害加重。 多層土的地震效應(yīng)主要取決于三個基本因素：覆蓋土層厚度、土層剪切波速、巖土阻抗比。其中，巖土阻抗比主要影響共振放大效應(yīng)，其他兩者則主要影響地震動的頻譜特性。,場地類別,考慮到地震作用下不同場地條件對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響，建筑抗震設(shè)計規(guī)范將場地劃分為IIV四種類別。 場地類別反映了地震情況下場地的動力效應(yīng)。 決定場地類別的主要因素是覆蓋層厚度和土層等效剪切波速,3.2.1 覆蓋層厚度,覆蓋層厚度是指地表面至地下基巖面的距離。所謂基巖界面是地震波傳播途徑中的一個強(qiáng)烈的折射與反射面，此界面以下的巖層振動剛度要比上部土層的相應(yīng)值大很多。 工程中，當(dāng)下部土層剪切波速達(dá)到上部土層剪切波速2.5倍，且下部土層中沒有剪切波速小于400m/s的巖土層時，該下部土層可視作基巖。 深部土層的剪切波速往往難以取得。,關(guān)于場地覆蓋層厚度： 一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。 當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可按地面至該土層頂面的距離確定。 剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體應(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)從覆蓋土層扣除。 覆蓋土層厚度越大，震害越嚴(yán)重。,3.2.2 土層等效剪切波速,場地土的剛性一般用土的剪切波速表示，剪切波速是土的重要動力參數(shù)，反映了場地的動力性能。,土層的平均剪切波速計算公式：,se土層等效剪切波速(m/s)； d0計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值； t 剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間; di 計算深度范圍內(nèi)第i 土層的厚度(m); si 計算深度范圍內(nèi)第i 土層的剪切波速(m/s); n 計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。,對于不超過10層和高度不超過24m的丙類建筑及丁類建筑，當(dāng)無實測剪切波速時，可以根據(jù)巖土名稱和性狀，按GB50011-2010表4.1.3劃分土的類型，再利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗在該表的剪切波速范圍內(nèi)估計各土層的剪切波速。,GB50011-2010表4.1.3 土的類型劃分和剪切波速范圍,注：fak地基承載力特征值(kPa)；vs為巖土剪切波速。,場地類別 建筑的場地類別，根據(jù)土層的平均剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分為四類，其中的I類又分為I0為I1亞類。,GB50011-2010 表4.1.6 各類建筑場地的覆蓋層厚度（m）,例：已知某建筑場地的鉆孔土層資料如表所示，試確定該建筑場地的類別。,2. 確定覆蓋層厚度 d063m 3. 確定建筑場地類別 查表，屬于類場地,解： 1. 計算地面下土層的等效剪切波速,容易產(chǎn)生震害的天然地基：,1.高壓縮性飽和軟粘土和承載力較低的淤泥質(zhì)土在地震中產(chǎn)生 不同程度的震陷，造成上部結(jié)構(gòu)的傾斜或破壞； 2. 雜填土、回填土和沖填土等松軟填土地基，土質(zhì)松軟且承載 力較低，易產(chǎn)生沉陷，使結(jié)構(gòu)開裂； 3. 溝、坑、古河道、坡地半挖半填等非勻質(zhì)地基在地震中的不 均勻沉降或地裂縫引起上部結(jié)構(gòu)破壞。,3.3 地基及基礎(chǔ)的抗震驗算,地基是指建筑物基礎(chǔ)下面受力層范圍內(nèi)的土層。 一般土層地基在地震時很少發(fā)生問題。造成上部建筑物破壞的主要是松軟土地基和不均勻地基。因此應(yīng)根據(jù)土質(zhì)不同采用不同的處理方案。,相應(yīng)的抗震措施,1. 軟弱粘性土地基：采用樁基，地基加固 2. 雜填土地基：換土夯實；地基加固 3. 不均勻地基：綜合建筑體型、荷載、烈度、結(jié)構(gòu)類型等采取 合理的結(jié)構(gòu)布局和地基抗震措施,地基加固處理方法 換土墊層法 重錘夯實法 擠密樁法 沉井預(yù)壓法,特點(diǎn): (1) 在靜力條件下具有一定的承載能力 (2)在地震時會全部或部分喪失承載力，或產(chǎn)生不均勻沉陷 (3) 前兩類震害不能用加寬基礎(chǔ)，加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)等措施克服，應(yīng)采用地基處理，如置換、加密、強(qiáng)夯等，或采用樁基等深基礎(chǔ),下列建筑可不進(jìn)行地基基礎(chǔ)抗震承載力驗算： 1.地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層的下列建 筑： 1)一般的單層廠房和單層空曠房屋； 2) 砌體房屋; 3) 不超過8層且高度在24m以下的一般民用框架房屋； 4) 基礎(chǔ)荷載與3)項相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房和多層混凝土抗震墻房 屋。 2. 建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。 注: 軟弱粘性土層指7度、8度和9度時，地基承載力特征值分別小于80、100和120kPa的土層。,天然地基抗震承載力驗算 地基抗震承載力,地基抗震承載 力靜承載力,faE 調(diào)整后的地基抗震承載力設(shè)計值； s 地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)； fa 寬深修正后的地基土靜承載力特征值。,有限次動載作用下，多數(shù) 土的強(qiáng)度較靜載下稍高,地震是偶然荷載, 安全度 適當(dāng)減小,原因,在靜承載力上乘以大于1的系數(shù)： faE=sfa,方法,驗算公式 驗算天然地基地震作用下豎向承載力，按地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)底面壓力(可認(rèn)為呈直線分布)應(yīng)符合下列要求： 平均壓力：p faE 邊緣壓力：pmax1.2faE p 地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)底面平均壓力; pmax 地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)邊緣的最大壓力; 注：高寬比4的高層建筑，地震作用下基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力；其它建筑: 基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積15%總基礎(chǔ)面積。,樁基礎(chǔ)抗震承載力驗算 承受豎向荷載為主的低承臺樁基，當(dāng)?shù)孛嫦聼o液化土層，且樁承臺周圍無淤泥、淤泥質(zhì)土和地基承載力特征值100kPa的填土?xí)r，下列建筑可不進(jìn)行樁基抗震承載力驗算： 1.建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑 和砌體結(jié)構(gòu)房屋。 2. 7度和8度時的下列建筑： 1) 一般的單層廠房和單層空曠房屋； 2) 不超過8層且高度在24m以下的一般民用框架房屋； 3) 基礎(chǔ)荷載與2)項相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房和多層混凝土抗震墻房 屋。,非液化土中低承臺樁基的抗震驗算要求 1. 單樁豎向和水平向抗震承載力設(shè)計值，可比靜載時提高25%; 2. 當(dāng)?shù)叵率衣裆畲笥?m時，樁所承擔(dān)的地震剪力按下式計算：,V0上部結(jié)構(gòu)的底部水平地震剪力（kN）； V 樁承擔(dān)的地震剪力（kN）； 0.9V0 時取0.9V0； H 建筑的地上部分高度； df 基礎(chǔ)埋深。,存在液化土層的低承臺樁基抗震驗算要求 1. 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. 當(dāng)樁承臺底面上、下分別有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土層或非軟弱土層時，可按下列二種情況進(jìn)行樁的抗震驗算，并按不利情況設(shè)計： 1) 樁承受全部地震作用，樁承載力按非液化土層樁基取用，液化土的樁周摩阻力及樁水平抗力均應(yīng)乘以表4.4.3的折減系數(shù)。,表4.4.3 土層液化影響折減系數(shù),2) 地震作用按水平地震影響系數(shù)最大值的10%采用，樁承載力仍按非液化土層樁基計算，但應(yīng)扣除液化土層的全部摩阻力及樁承臺下2m深度范圍內(nèi)非液化土的樁周摩阻力。,地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計是通過選擇合理的基礎(chǔ)體系和抗震驗算來共同保證其抗震能力的。 1）同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土層上； 2）同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基而另外部分采用樁基； 3）地基有軟弱土、可液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土層時，宜加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性； 4）根據(jù)具體情況，選擇對抗震有利的基礎(chǔ)類型，在抗震驗算時應(yīng)盡量考慮結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的相互作用影響，使之能反映地基基礎(chǔ)在不同階段上的工作狀態(tài)。,液化的概念 定義 地震時，飽和砂土或粉土顆粒在強(qiáng)烈振動下發(fā)生相對位移，顆粒結(jié)構(gòu)有壓密的趨勢，當(dāng)其本身滲透能力較小，短時間內(nèi)孔隙水排泄不走而受到擠壓，孔隙水壓力急劇增加，當(dāng)孔隙水的壓力增加到與剪切面上的法向壓應(yīng)力接近或相等時，砂土或粉土受到的有效壓應(yīng)力下降乃至喪失，土顆粒局部或全部處于懸浮狀態(tài)。此時，土體的抗剪強(qiáng)度等于零，形成有如液體的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“液化”。,3.4 地基土的液化,土體液化模型,液化的概念 砂土液化現(xiàn)象 宏觀表現(xiàn)：地表噴砂冒水,砂土液化是地下水位高的松散砂質(zhì)沉積地基常見的震害現(xiàn)象。,唐山地震時，嚴(yán)重液化地區(qū)噴水高度達(dá) 8 米，廠房沉降達(dá) 1 米。 天津地震時，海河故道及新近沉積土地區(qū)有近3000個噴水冒砂口成群出現(xiàn)，一般冒砂量 0.1-1 立方米，最多可達(dá) 5 立方米。有時地面運(yùn)動停止后，噴水現(xiàn)象可持續(xù) 30 分鐘。,液化的震害：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，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)生過度下沉或整體傾斜。 2.不均a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(diǎn)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。,建筑抗震設(shè)計規(guī)范GBJ500112010 對液化土的規(guī)定,4.3.2 地面下存在飽和砂土和飽和粉土?xí)r，除6度外，應(yīng)進(jìn)行液化判別；存在液化土層的地基，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、地基的液化等級，結(jié)合具體情況采取相應(yīng)的措施。 （為強(qiáng)制性條文）,影響地基土液化的因素 地質(zhì)年代 地質(zhì)年代越久的土層，抵抗液化能力越強(qiáng)。 土層土粒的組成和密實程度 細(xì)砂比粗砂更容易液化，密實度小的土更容易液化 土層埋置深度和地下水位深度 埋深越大，地下水位越深，就越不容易液化 地震烈度和地震持續(xù)時間,地基土液化的判別 飽和土液化的判別一般分兩步進(jìn)行，即初步判別和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別。,地質(zhì)年代 地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)及以前的土層，7、8度時可判為不液化。 （沉積時間長、具有膠結(jié)緊密結(jié)構(gòu)、固結(jié)度和密實度好）,初步判別 經(jīng)初步判別定為不液化或不考慮液化影響，則可不進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別,地質(zhì)年代,土中粘粒含量 粘粒：粒徑0.005mm，土的粘聚力增大 粉土內(nèi)粘粒含量百分率超過某一限值（7度、8度和9度分 別不小于10、13和16）時，可判為不液化。,上覆非液化土層厚度和地下水位深度 上覆非液化土層厚度 地震時能抑制可液化土層噴水冒砂的厚度。 非液化層構(gòu)成,堆積5年以上 地基承載力100kPa,天然地層 人工填土層,從第一層頂面算至地表,當(dāng)覆蓋層中夾有軟土層時對抑制噴水冒砂作用很小，且其本身在地震中很可能發(fā)生軟化現(xiàn)象，該土層應(yīng)從覆蓋層中扣除。,可不考慮液化影響的適用范圍（滿足條件之一即可）: 上覆非液化土層厚度條件：du d0+db-2 地下水位深度條件： dw d0+db-3 兩者之和應(yīng)滿足條件: du +dw 1.5d0+2db-4.5 dw地下水位深度(m)，宜按設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用， 也可按近期內(nèi)年最高水位采用； du 上覆蓋非液化土層厚度(m)，計算時宜扣除淤泥和淤泥質(zhì)土層； db 基礎(chǔ)埋置深度(m)，不超過2m時應(yīng)采用2m； d0 液化土特征深度(m)，見右表。,例 圖示為某場地地基剖面圖， 上覆非液化土層厚度du=5.5m 其下為砂土，地下水位深度 為dw=6m，基礎(chǔ)埋深db=2m,該 場地為8度區(qū)。確定是否考 慮液化影響。,解：按判別式確定,查液化土特征深度表,因此，需要考慮液化影響。,鉆孔至試驗土層上15cm處，用63.5公斤穿心錘，落距為76cm，打擊土層。打入30cm所用的錘擊數(shù)記作N63.5，稱為標(biāo)貫擊數(shù)。用N63.5與規(guī)范規(guī)定的臨界值Ncr比較來確定是否會液化。,1-穿心錘； 2-錘墊； 3-觸探桿 4-貫入器頭；5-出水孔；6-貫入器身；7-貫入器靴,對于初判不屬于不考慮液化的情況，可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進(jìn)一步細(xì)判。,當(dāng)飽和液化土的標(biāo)貫擊數(shù)N63.5的值小于Ncr值時，判為液化，否則判為不液化。,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗,-地下水位深度（m),-飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點(diǎn)深度（m),-液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，按下表采用,-粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或是砂土?xí)r，均應(yīng)取3,表4.3.4 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0,-調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第一組取0.80，第二組取0.95， 第三組取1.05。,液化場地危害程度（液化指數(shù)液化等級震害情況）,-判別深度內(nèi)每一個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點(diǎn)總數(shù),-分別為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值， 當(dāng)實測值大于臨界值時取臨界值,-i點(diǎn)所代表的土層厚度(m)，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點(diǎn)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；,-i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(單位為m-1)。當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5m時應(yīng)采用10，等于20m時應(yīng)采用零值，520m 時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。,液化指數(shù),液化地基等級的評價,根據(jù)液化指數(shù)，按GBJ50011-2010表4.3.5確定液化等級,液化等級與相應(yīng)的震害,表4.3.5 液化等級與液化指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,3.5 地基抗液化措施,根據(jù)建筑類別和地基液化等級查表選擇處理措施,全部消除地基液化沉陷措施，應(yīng)符合： 采用樁基時，樁端伸入液化深度以下穩(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0.8m，對其他非巖石土尚不宜小于1.5m。 采用深基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，其深度不應(yīng)小于0.5m。,采用加密法(如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等)加固時，應(yīng)處理至液化深度下界；振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于規(guī)范規(guī)定的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入