場(chǎng)地地基和基礎(chǔ)

第二章場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)

工程地質(zhì)條件對(duì)地震的影響場(chǎng)地地基抗震驗(yàn)算液化土和軟土地基2.1工程地質(zhì)條件的地震影響1.場(chǎng)地選擇

震害不僅與地震的大小、結(jié)構(gòu)類(lèi)型有關(guān)，還與場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件有關(guān)。地基失效導(dǎo)致的建筑物破壞，目前為止雖然數(shù)量不多，但修復(fù)加固困難，一般通過(guò)場(chǎng)地選擇和地基處理來(lái)減輕。工程建設(shè)的第一步就是要通過(guò)勘察，結(jié)合地震活動(dòng)情況和工程地質(zhì)情況對(duì)場(chǎng)地條件進(jìn)行評(píng)價(jià)?？拐鹨?guī)范把建筑場(chǎng)地劃分為有利、一般、不利和危險(xiǎn)地段，應(yīng)盡可能選擇有利地段、避開(kāi)不利地段，無(wú)法避開(kāi)時(shí)應(yīng)采取有效措施，嚴(yán)禁在危險(xiǎn)地段上建造甲、乙類(lèi)建筑，不應(yīng)建造丙類(lèi)建筑。2.1工程地質(zhì)條件的地震影響2.1工程地質(zhì)條件的地震影響2.局部地形影響 宏觀震害和地震反應(yīng)分析表明，高突地形對(duì)地震作用有放大效應(yīng)，離基準(zhǔn)面的高度越大反應(yīng)越強(qiáng)烈；邊坡越陡，頂部的放大效應(yīng)越大；土質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊坡比巖石結(jié)構(gòu)的反應(yīng)要大。高突地形頂面愈開(kāi)闊、遠(yuǎn)離高突地形邊緣的中心部位反應(yīng)明顯減小。 在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石的陡坡、邊坡等不利地段建造丙類(lèi)及以上建筑時(shí)，除保證地震作用下的穩(wěn)定外，尚應(yīng)估計(jì)不利地段對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的放大作用。3.局部地質(zhì)構(gòu)造的影響斷裂——地質(zhì)構(gòu)造上的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)震斷裂——與本地區(qū)的地震活動(dòng)密切相關(guān)，具有潛在地震活動(dòng)的斷裂。斷裂的危害與地震震級(jí)、覆蓋層厚度、土體的地質(zhì)年代有關(guān)?！翱拐鹨?guī)范”規(guī)定，當(dāng)設(shè)防烈度小于8度、非全新世活動(dòng)斷層或烈度為8、9度且前第四紀(jì)基巖隱伏斷裂的土層覆蓋層厚度分別大于60、90米可忽略發(fā)震斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響。否則應(yīng)避開(kāi)主斷裂帶。一般可以不考慮非發(fā)震斷裂對(duì)烈度的增減影響。烈度建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別甲已丙丁8專(zhuān)門(mén)研究200m100m-9專(zhuān)門(mén)研究400m200m-另外，地震時(shí)地下水位的高低對(duì)建筑物的震害也有明顯影響，水位越淺影響越大。不過(guò)，地下水位的影響與地基土的性狀有密切關(guān)系，軟弱土地基影響程度最大，黏性土地基次之，堅(jiān)硬土地基影響較小。4.場(chǎng)地場(chǎng)地——是指工程群體所在地，其范圍相當(dāng)于一個(gè)廠(chǎng)區(qū)、居民點(diǎn)、自然村或不小于1km2的范圍。場(chǎng)地下的土層既是地震波傳遞的介質(zhì)，又是結(jié)構(gòu)物的地基。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在同一烈度區(qū)的不同場(chǎng)地上，建筑物的震害程度不同。震害不僅與地震的大小、結(jié)構(gòu)類(lèi)型有關(guān)，還與工程地質(zhì)條件有關(guān)。場(chǎng)地條件的主要因素是場(chǎng)地土性狀及其分布。場(chǎng)地土的基本特征是其軟弱或堅(jiān)硬程度以及呈層狀分布，場(chǎng)地土可能由很多土層組成，每個(gè)土層中的土具有不同的軟硬等特征。土層的剛度可以反應(yīng)一個(gè)土層的軟硬程度，而土的剛度與土的剪切波速相關(guān)，可以根據(jù)土的剪切波速對(duì)土的類(lèi)型進(jìn)行劃分。從震源傳來(lái)的地震波由許多頻率不同的分量組成。地震波通過(guò)場(chǎng)地土傳到地表的過(guò)程中，與土層固有周期接近的頻率群被放大，其它的衰減或被過(guò)濾掉。對(duì)建筑物有顯著影響的是地震波中哪些與上覆土層固有振動(dòng)周期相接近的波群，稱(chēng)為場(chǎng)地土的卓越周期，T＝4H/V(H為場(chǎng)地覆蓋層厚度，V為土的剪切波速）。若建筑物的固有周期與場(chǎng)地的卓越周期相接近，共振效應(yīng)使地震作用明顯增強(qiáng)，因此，堅(jiān)硬場(chǎng)地上自振周期短的剛性建筑物和軟弱場(chǎng)地上的柔性建筑物的震害會(huì)加重。對(duì)建于軟弱場(chǎng)地上的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)而言，建筑物破壞程度可能逐步加重。場(chǎng)地（放大/過(guò)濾）地震波建筑物軟弱地基地震波中長(zhǎng)周期成分放大地基失效或柔性建筑結(jié)構(gòu)破壞堅(jiān)硬地基地震波中短周期成分放大剛性建筑不利，通常為結(jié)構(gòu)破壞2.2場(chǎng)地類(lèi)別劃分場(chǎng)地條件對(duì)地震影響很大，為了方便在工程設(shè)計(jì)中定量地考慮這一因素，抗震規(guī)范對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行了類(lèi)別劃分，以便采取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和采取相關(guān)的抗震措施。場(chǎng)地類(lèi)別是場(chǎng)地條件的基本表征，抗震規(guī)范通過(guò)場(chǎng)地覆蓋層厚度和場(chǎng)地土的等效剪切波速進(jìn)行劃分。1.場(chǎng)地土覆蓋層厚度dov

場(chǎng)地土的覆蓋層厚度指從地面到基巖頂面的距離?？拐鹨?guī)范規(guī)定了覆蓋層厚度確定的要求： （1）一般情況按地面至剪切波速大于500m/s且其下臥各層巖土的剪切波速均不小于500m/s的土層頂面的距離確定； （2）當(dāng)?shù)孛?米以下存在剪切波速大于其上部各土層剪切波速2.5倍的土層，且其下臥層土的剪切波速均不小于400m/s時(shí)，可算至該層土表面； （3）剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體應(yīng)視為周?chē)翆樱?（4）土層中的火山巖硬夾層應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋層中去除。2.等效剪切波速場(chǎng)地土一般由多層土構(gòu)成，等效剪切波速反映了土層的綜合剛度并用于確定土體類(lèi)型。等效剪切波速以地震波在地面至計(jì)算深度（地面下20m且不大于覆蓋層厚度）各層土中的傳播時(shí)間不變的原則定義土層平均剪切波速。d0—計(jì)算深度，取覆蓋層厚度和20米中的較小值t—地震波在計(jì)算深度內(nèi)的傳播時(shí)間(s)di—第i層土的厚度（m)n—土層層數(shù)Vsi—第i層土的剪切波速（m/s)3.場(chǎng)地類(lèi)別由于地震效應(yīng)與場(chǎng)地有關(guān)，為了在地震作用計(jì)算中定量考慮場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響以及采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，抗震規(guī)范根據(jù)等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度將場(chǎng)地分為I、Ⅱ、III、Ⅳ四類(lèi)。當(dāng)有可靠的剪切波速和覆蓋層厚度且其值位于下表所列場(chǎng)地類(lèi)別的分界線(xiàn)附近（如±15％）時(shí)允許按插值方法確定地震作用計(jì)算所用的設(shè)計(jì)特征周期。各類(lèi)場(chǎng)地的覆蓋層厚度(m)例：已知某建筑場(chǎng)地的鉆孔土層資料如下表所示，試確定該建筑場(chǎng)地的類(lèi)別。層底深度（m）土層厚度（m）土的名稱(chēng)土層剪切波速vsi9.509.5砂17037.8028.30淤泥質(zhì)粘土13043.605.80砂24060.1016.50淤泥質(zhì)粘土20063.002.90細(xì)砂31069.506.50礫混粗砂520（1）確定覆蓋層厚度dov63m以下的vsi=520m/s>500m/s，故dov=63m。計(jì)算深度采用20m。（2）確定地面下20m表層土的場(chǎng)地土類(lèi)型vse值位于250vse>140m/s之間，故表層土屬于中軟場(chǎng)地土。（3）確定建筑場(chǎng)地的類(lèi)別由于表層土為中軟場(chǎng)地土，以及dov>50m，該建筑場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)。

2.2天然地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算 一般情況下，地基發(fā)生震害的情況很少。但高壓縮性飽和軟粘土和強(qiáng)度較低的淤泥質(zhì)土，在地震中易發(fā)生不同程度的震陷、傾斜。雜填土、回填土，在地震中也會(huì)發(fā)生震陷。嚴(yán)重不均勻地基、地基液化也會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的問(wèn)題。 抗震措施：對(duì)軟弱粘性土采用樁基或地基加固等處理措施。1.地基不驗(yàn)算的范圍抗震規(guī)范規(guī)定下述建筑可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算：（1）地基主要持力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層（設(shè)防烈度為7、8、9度時(shí)地基承載力特征值分別小于80、100、120kPa)的一般單層廠(chǎng)房、單層空曠房屋和不超過(guò)8層且高度在24m以下的民用框架和框架-抗震墻房屋以及基礎(chǔ)荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S(chǎng)房和多層混凝土抗震墻房屋；（2）可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的建筑。2.地基土抗震承載力的調(diào)整 除十分軟弱的地基土外，地震作用下一般土的動(dòng)強(qiáng)度皆比靜強(qiáng)度高。在相同基底應(yīng)力下，地震作用所引起的變形小于靜載產(chǎn)生的變形。再加上地震的偶然性和短暫性允許較低的可靠性，抗震規(guī)范將地基的靜承載力乘以調(diào)整系數(shù)予以提高。地基抗震承載力 faE=a?faa—抗震承載力調(diào)整系數(shù)，根據(jù)土體性質(zhì)，a在1-1.5之間

fa—深寬修正后的地基承載力特征值。3.天然地基抗震驗(yàn)算

地基平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值P≤faE地基最大壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值Pmax≤1.2faE高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)地面不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力；其它建筑的零應(yīng)力區(qū)不大于基礎(chǔ)底面積的15%。2.3地基液化與軟土地基1.液化現(xiàn)象 在地下水位以下，砂土或粉土的土體顆粒處于飽和狀態(tài)，在強(qiáng)烈地震作用下，孔隙水壓力急劇增大且來(lái)不及消散，土體顆粒間的有效壓應(yīng)力減小甚至消失，此時(shí)土體顆粒將處于懸浮狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度散失。由于下部水頭壓力較大，水在上涌的同時(shí)，將土粒帶出地面，形成噴水冒砂現(xiàn)象。2.危害砂土和粉土液化時(shí)，其強(qiáng)度完全喪失從而導(dǎo)致地基失效。場(chǎng)地液化會(huì)使建筑整體傾斜、下沉、不均勻沉降、墻體開(kāi)裂、地面噴水、冒砂、斜坡失穩(wěn)、滑移等破壞。

3.液化影響因素土層的地質(zhì)年代：較老的沉積土不易發(fā)生液化土的組成：細(xì)砂、粉砂、粘粒含量少的粉土、級(jí)配均勻的砂土更易液化地震烈度和持時(shí)：烈度高、持時(shí)長(zhǎng)易液化土層的相對(duì)密度：密實(shí)程度小的砂更易液化地下水位：地下水位淺易液化上覆非液化土層較薄，或者有薄弱部位

4.液化的判別抗震規(guī)范采用兩步判別法來(lái)判別液化。初步判別（符合下列條件之一）土的年代：老于第四紀(jì)晚更新世（Q3）及以前的土，7、8度時(shí)可判為不液化。粉土的粘粒（粒徑小于0.005mm）含量：7度、8度、9度分別不小于10%、13%、16%時(shí)，可判為不液化。上覆非液化土層厚度和地下水位深度滿(mǎn)足下列條件之一時(shí)，可不考慮液化。dud0+db-2dwd0+db-3上覆非液化土層厚度基礎(chǔ)埋置深度，小于2m時(shí)取2m液化土特征深度地下水位深度du+dw1.5d0+2db-4.5液化土特征深度飽和土類(lèi)別烈度789粉土678砂土789當(dāng)不滿(mǎn)足上述要求時(shí)，需進(jìn)一步判別。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿和重63.5kg的穿心錘等組成。用鉆具鉆至試驗(yàn)土層標(biāo)高以上15cm處，將貫入器打至標(biāo)高位置，再在錘落距為76cm條件下，連續(xù)打入土層30cm，記錄錘擊數(shù)N63.5。應(yīng)判別到地面下20m深度范圍，對(duì)于不需進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)抗震承載力驗(yàn)算的各類(lèi)建筑，可只判別到地面下15m范圍內(nèi)的土層。

當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)（未經(jīng)桿長(zhǎng)修正）小于標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)Ncr時(shí)，應(yīng)判別為液化土。貫入試驗(yàn)滿(mǎn)足下式判為液化：N63.5—標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值（未經(jīng)桿長(zhǎng)修正）N0—標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）rc—粘粒含量百分率，小于3或砂土取3b——調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一、二、三組分別取0.8、0.95、1.05。當(dāng)采用樁基或基礎(chǔ)埋深大于5米，尚應(yīng)判別15－20m范圍內(nèi)的液化。

液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值是震級(jí)7.5、液化概率0.32、水位2m、埋深3m時(shí)的液化臨界錘擊數(shù)。通過(guò)比較N63.5和Ncr可以獲得關(guān)于土層液化可能性的認(rèn)識(shí)。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值No

5.液化地基危害程度評(píng)價(jià)通過(guò)上述判別可以確定是否是液化地基，但由于影響液化的因素眾多，尚不能據(jù)此預(yù)估液化發(fā)生時(shí)可能造成的危害程度。抗震規(guī)范用液化指數(shù)ILE簡(jiǎn)化描述液化的危害程度。相對(duì)貫入錘擊數(shù)反應(yīng)土層密實(shí)度和液化的可能性，F(xiàn)越大沉降量越大。用液化指數(shù)綜合反應(yīng)土層密實(shí)度和液化層厚度5mW＝100m20mn—判別深度范圍內(nèi)（15或20m）每一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù)；Ni，Ncri—第i點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與臨界值；di—i點(diǎn)代表的土層厚度（m）可采用與該點(diǎn)相鄰的上下兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)深度差值的一半，但上界不高于地下水位高，下界不超過(guò)液化深度；wi—第i層土的層位影響權(quán)函數(shù)值。液化等級(jí)液化指數(shù)ILE對(duì)建筑物的危害情況輕微0<ILE≤6危害性小，一般不致引起明顯震害中等6<ILE≤18危害性大，可造成不均勻沉陷和開(kāi)裂，有時(shí)不均勻沉陷可達(dá)200mm嚴(yán)重ILE>18危害性大，不均勻沉陷可能大于200mm，高重心結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不容許的傾斜液化等級(jí)及危害

例：某建筑場(chǎng)地的設(shè)防烈度為8度（地面運(yùn)動(dòng)加速度0.20g），設(shè)計(jì)地震分組為II組，基礎(chǔ)埋深2m，上部為高度22.5m的7層框架結(jié)構(gòu)。該場(chǎng)地一鉆孔的地質(zhì)鉆探資料如下表所示，試確定該建筑場(chǎng)地的液化等級(jí)。（1）液化判別地下水位深度dw=1.1m，基礎(chǔ)埋深db=2.0m，液化土特征深度d0=8m，上覆非液化土層厚度du=0，根據(jù)初步判別條件知道需要進(jìn)一步判別是否可液化，為此計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr,i，以第一測(cè)點(diǎn)為例，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N0=12，Ncr,1為：Ncr,1=12x0.95x[ln(0.6x1.4+1.5)-0.1x1.1]x1=8.44測(cè)點(diǎn)1的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值N1=2<Ncr,1，為液化土。其余測(cè)點(diǎn)的計(jì)算類(lèi)似。（2）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)相對(duì)標(biāo)貫值Fi對(duì)第一測(cè)點(diǎn)：（3）計(jì)算各標(biāo)貫點(diǎn)代表土層的厚度di、土層中點(diǎn)的深度zi及權(quán)重系數(shù)ωi第一測(cè)點(diǎn):d1=1.8-1.1=0.7m，z1=1.1+d1/2=1.45m，z1<5，故ω1=10第二測(cè)點(diǎn):d2=(4.1+5.1)/2-3.9=0.7m，z2=3.9+d2/2=4.25m，z2<5，故ω2=10第三測(cè)點(diǎn):d3=(6.1-4.1)/2=1.0m，z3=z2+(d2+d3)/2=5.1m，z3>5，ω3=10-1.5x(5.1-5)=9.85第四測(cè)點(diǎn):d4=(7.1-5.1)/2=1.0m，z4=z3+(d3+d4)/2=6.1m，z4>5，ω4=10-1.5x(6.1-5)=8.35第五測(cè)點(diǎn):d5=(8.1-6.1)/2=1.0m，z5=z4+(d4+d5)/2=7.1m，z5>5，ω5=10-1.5x(7.1-5)=6.85第六測(cè)點(diǎn):d6=(9.5-7.1)/2=1.2m，z6=z5+(d5+d6)/2=8.2m，z6>5，ω6=10-1.5x(8.2-5)=5.2第七測(cè)點(diǎn):d7=10.2-（9.5+8.1)/2=1.4m，z7=z6+(d6+d7)/2=9.5m，z7>5，ω7=10-1.5x(9.5-5)=3.25（4）計(jì)算液化指數(shù)ILEILE

=16.66據(jù)此判斷該建筑場(chǎng)地的液化等級(jí)為中等。6.地基抗液化措施抗震規(guī)范將處理措施分為三個(gè)檔次，根據(jù)液化等級(jí)和建筑類(lèi)別選取。①全部消除地基液化沉降的措施 樁基、深基礎(chǔ)、加密法（振沖、振動(dòng)加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等）、用非液化土替換等。②部分消除液化地基沉陷的措施 一定深度范圍內(nèi)處理③通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，減輕液化沉降的影響。 合理的基礎(chǔ)埋深、調(diào)整基礎(chǔ)底面寬度并減小偏心、加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度和整體性、減輕荷載、增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)整體性和均勻?qū)ΨQ(chēng)性、合理設(shè)置沉降縫等?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別地基液化等級(jí)輕微中等嚴(yán)重乙類(lèi)部分消除液化沉陷，或?qū)A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理全部消除液化沉陷丙類(lèi)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，亦可不采取措施基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，或更高要求的措施全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理丁類(lèi)可不采取措施可不采取措施基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，或其它經(jīng)濟(jì)的措施2.4樁基抗震設(shè)計(jì)1.樁基可不進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算的條件 承受豎向荷載為主的低承臺(tái)樁基，當(dāng)?shù)孛嫦聼o(wú)液化土層，且樁承臺(tái)周?chē)鸁o(wú)淤泥、淤泥質(zhì)土和地基承載力特征值不大于100kPa的填土?xí)r，下列建筑可不進(jìn)行樁基抗震承載力驗(yàn)算：7度和8度時(shí)的一般單層廠(chǎng)房和單層空曠房屋、不超過(guò)8層且高度在24m以下的一般民用框架房屋或基礎(chǔ)荷載與之相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S(chǎng)房和多層混凝土抗震墻房屋。地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土的一般單層廠(chǎng)房和單層空曠房屋、不超過(guò)8層且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墻房屋。2.非液化土低承臺(tái)樁基的抗震驗(yàn)算非液化土低承臺(tái)樁基的抗震驗(yàn)算應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）單樁的豎向和水平向抗震承載力特征值均可比非抗震設(shè)計(jì)時(shí)提高25%。（2）當(dāng)承臺(tái)周?chē)幕靥钔梁粚?shí)至干密度不小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007）對(duì)填土的要求時(shí)，可由承臺(tái)正面填土與樁共同承擔(dān)水平地