建筑結(jié)構(gòu)抗震設計地基基礎抗震設計課件

５地基基礎抗震設計地基基礎包括基礎結(jié)構(gòu)、支承樁和作為建筑物持力層的地基土層。地基在地震作用下的穩(wěn)定性對基礎結(jié)構(gòu)乃至上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布是比較敏感的，因此確保地震時地基基礎始終能夠承受上部結(jié)構(gòu)傳下來的豎向和水平地震剪力以及傾覆力矩而不發(fā)生過大的沉降和不均勻沉降，是地基基礎抗震設計的基本要求。1５．１地基基礎抗震設計原則及要求在地震作用下，建筑物的破壞機理和過程是一個十分復雜的綜合問題，進行精確的抗震設計是比較困難的。汶川地震震害尤其表明了這一點。２０世紀７０年代以來，人們在總結(jié)大地震災害經(jīng)驗中提出了“概念設計”，即除必要的計算外，更重要的是概念設計，包括場地選擇、合理的規(guī)劃布局及結(jié)構(gòu)體系、正確的材料使用及構(gòu)造措施等。2１）選擇對抗震有利的建筑場地在地震區(qū)選擇建筑場地時，應根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況及場地工程地質(zhì)、水文地

質(zhì)的資料，對場地做出綜合評價。應調(diào)查建筑場地范圍內(nèi)有無斷裂通過，是否為活動斷裂，并應評價其對建筑物產(chǎn)生的影響。必要時，還應對斷裂帶進行專門的勘察工作。應盡可能選擇對抗震有利的地段，避開不利地段，不得在危險地段進行建設。34２）加強基礎與上部結(jié)構(gòu)的整體性加強基礎與上部結(jié)構(gòu)的連接，能增加建筑物的穩(wěn)定性，減輕其振動。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等整體性較好的結(jié)構(gòu)，一般無需特殊的整體性措施。對砌體結(jié)構(gòu)，可采取如下措施：①對一般磚混結(jié)構(gòu)，不宜采用油氈防潮層，而應采用防水砂漿；②在內(nèi)外墻下室內(nèi)地坪標高處加一道連續(xù)閉合的基礎梁。5３）加強地基基礎的抗震性能出現(xiàn)因地基失效而導致上部結(jié)構(gòu)破壞的地基，一般為液化地基、易震陷的軟黏土地基或不均勻地基；大量的一般性地基是具有較好的抗震能力的。（１）合理加大基礎的埋置深度加大基礎埋深可增強地基土對建筑物的嵌固作用，從而減少建筑物的振幅。所以在條件許可時，基礎應盡量埋深一些，若能結(jié)合建造地下室加深基礎則更好。6（２）選擇合理的基礎類型不同基礎類型，其抗震性能不同，通過對震害的大量調(diào)查，取得如下資料以供參考。①樁基礎。一般的低承臺樁基礎，具有足夠抗水平剪力的能力，抗震性能良好。②箱形基礎、筏板基礎和帶地下室基礎。③鋼筋混凝土柱下獨立基礎。④磚石條形基礎。磚石條形基礎作為一種剛性基礎，其抗震性能不及樁基、箱基和筏基等，但在一般條件下仍有足夠的抗震能力。7地基是指建筑物基礎下面受力層范圍內(nèi)的土層。對歷史震害資料的統(tǒng)計分析表明：一般土層地基在地震時很少發(fā)生問題，地基破壞或沉降等原因造成的建筑震害在一般平原地區(qū)僅建筑破壞總數(shù)的一小部分，但在山區(qū)由于地基原因造成上部建筑物破壞的比例相對較高。一般造成上部建筑物破壞的主要是松軟土地基和不均勻土地基，對砂土液化、軟土震陷和不均勻土地基沉降等給上部結(jié)構(gòu)帶來的破壞是不能忽視的，因為地基一旦發(fā)生破壞，震后修復加固是很困難的，有時甚至是不可能的。５．２地基抗震驗算8５．２．１天然地基的震害特點因地基失效造成的基礎或上部結(jié)構(gòu)震害，稱為地基震害，包括滑坡、地裂、液化及震陷等。１）滑坡滑坡、山崩及泥石流是地震時常見的地基破壞現(xiàn)象，其原因主要是在地震加速度作用下產(chǎn)生附加慣性力，使邊坡滑楔下滑力增大，同時抗滑的內(nèi)摩擦力降低，這兩個不利因素均可能造成邊坡失穩(wěn)。9圖５．１汶川地震中的滑坡震害10２）地裂地震時還常常在地面產(chǎn)生裂縫，即地裂。根據(jù)產(chǎn)生的機理不同，地裂縫可分為構(gòu)造性地

裂和非構(gòu)造性地裂。構(gòu)造性地裂起自地殼深部斷層錯動，裂縫一般延至地面，這種地裂往往出現(xiàn)于震中區(qū)。非構(gòu)造性地裂則是與地震滑坡引起的地層相對錯動有關(guān)，多發(fā)生在河谷地區(qū)、河漫灘、低級階地前緣地帶、古河道的河岸部分、濱海淤泥質(zhì)土的坑邊等。圖５．２給出地震中的地裂現(xiàn)象。11圖５．２地震中的地裂12３）液化飽和松散的砂土和粉土在地震的強烈振動下趨于密實，導致孔隙水壓力迅速升高，有效應力減小，當土體完全喪失其抗剪強度時，土體呈現(xiàn)液體狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為液化。地基土發(fā)生液化的宏觀標志是：地面噴砂冒水，地面下陷，建筑物產(chǎn)生不均勻沉降甚至傾斜失穩(wěn)，地下輕型構(gòu)筑物如水池、地下罐等則可能上浮。13圖５．３地基土液化14４）震陷地震引起的地面沉陷稱為震陷。此現(xiàn)象往往發(fā)生在軟土、松散砂類土、不均勻地基及人工填土中。軟土受振動后因觸變而強度劇降，產(chǎn)生附加下沉；飽和散砂糞土振動液化后，造成地面巨大沉陷或不均勻沉降。對嚴重不均勻地基（如半挖半填地帶，有古河道、暗藏溝坑的地帶及明顯軟硬不勻的地層），往往會加劇震陷及不均勻沉降而發(fā)生較重的震害。15５．２．２地基抗震驗算１）不需要進行天然地基基礎抗震驗算的建筑房屋震害調(diào)查統(tǒng)計資料表明，建造于一般土質(zhì)天然地基上的房屋，遭遇地震時極少（不到

１０％）因地基承載力不足或較大沉陷而引起上部結(jié)構(gòu)破壞。鑒于這種情況，為簡化地基基礎抗震驗算的工作量，《抗震規(guī)范》規(guī)定以下建筑可不進行天然地基及基礎的抗震承載力驗算：16圖５．４汶川地震中的震陷17①規(guī)范規(guī)定可不進行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。②地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱黏性土層的下列建筑：ａ．一般的單層廠房或單層空曠房屋；ｂ．砌體房屋；ｃ．不超過８層且高度在２４ｍ以下的一般民用框架和框架抗震墻房屋；ｄ．基礎荷載與ｃ相當?shù)亩鄬涌蚣軓S房和多層混凝土抗震墻房屋。18２）地基土抗震承載力除上述無需進行地基及基礎抗震承載力驗算的建筑外，其余建筑都需進行地基及基礎的抗震承載力驗算。對地基進行抗震驗算，首先需要計算地基土的抗震承載力。震害調(diào)查表明，在堅硬或中硬場地土上，甚至在中軟或軟弱場地土上，未做抗震設防的建筑的地基和基礎，當經(jīng)歷中等強度地震甚至強烈地震時，很少發(fā)生地基及基礎震害，即使發(fā)生破壞，其破壞程度也較上部結(jié)構(gòu)破壞小得多。1920３）地基土抗震驗算需要進行地基及基礎抗震驗算的建筑物，一般先根據(jù)靜力設計的要求確定基礎尺寸，并對地基進行強度和沉降量的核算，然后進行地基抗震強度驗算。21圖５．５地基基礎抗震驗算22５．３．１液化土地基地震時，飽和松散的砂土或粉土（飽和指土的孔隙中充滿了水，一般地下水位以下的土才

可能成為飽和土，不含黃土）的顆粒在強烈振動下發(fā)生相對位移，微小顆粒趨于壓密，顆粒間

孔隙水來不及排泄，受到擠壓使孔隙水壓力急劇增加，當孔隙水壓力上升到與土顆粒所受到的總的正壓力接近或相等時，土粒之間因摩擦產(chǎn)生的抗剪能力消失，土顆粒普遍形同“液體”一樣處于懸浮狀態(tài)。５．３不良地基抗震設計及其防治23①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)點破壞，使墻體開裂和建筑物體型變化處開裂；③室內(nèi)地坪上鼓、開裂，設備基礎上浮或下沉。24圖５．６地基土液化造成的震害25１）影響場地土液化的因素震害調(diào)查和室內(nèi)試驗表明，影響場地土液化的因素主要有下列６個方面：（１）土層的地質(zhì)年代，地貌單元地質(zhì)年代的新老意味著土層沉積時間的長短，較老的沉積土層，經(jīng)過長期的固結(jié)作用和不斷的壓密及沉積間斷時期的水化學作用，土層除密度增大外，還往往具有一定的膠結(jié)與緊密作用。26（２）砂土的類型、密實程度，粉土中的黏粒含量細砂和粗砂比較，由于細砂的滲透性較差，地震時易于產(chǎn)生孔隙水的超壓作用，故細砂較

粗砂更易于液化。密實程度較小的松砂，由于天然孔隙比ｅ一般較大，構(gòu)成土層液化的水頭

梯度臨界值一般較小，故易于液化；而密實程度大的砂土不易液化。粉土是黏性土和砂類土之間的過渡性土壤，黏粒含量越高，土的性質(zhì)越接近于黏性土，土體顆粒之間由于摩擦而產(chǎn)生的正應力越大，越不容易液化。27（３）土層的埋置深度一般來說，地震剪應力隨深度的加大不如土的自重應力隨深度的增長來得快，所以淺土層液化的可能性比深土層要大。土層埋深越大，土層上的有效覆蓋應力越大，土層就越不容易液化，當砂土層上面覆蓋著較厚的黏土層，即使砂土層液化，也不致發(fā)生冒水噴砂現(xiàn)象，從而避免地基產(chǎn)生嚴重的不均勻沉陷。28（４）地下水位深度土層的完全飽和是發(fā)生液化的必要條件，地下水位越深，使飽和砂土層上的有效覆蓋應力加大，則土層就越不容易液化。一般來說，地下水位低于地表下１０ｍ的地區(qū)，不具備發(fā)生液化的條件。（５）歷史地震情況試驗表明：砂樣預先經(jīng)受振動的歷史可能因先期振動的強度不同而使它變得對液化更加敏感或比較不敏感。29（６）地震強度和地震持續(xù)時間對于可能液化的土層，從外部條件而言，液化現(xiàn)象通常出現(xiàn)在烈度為７度以上的地震中。已有資料表明，能使土層發(fā)生液化的振動持續(xù)時間一般都在１５ｓ以上。地震烈度越高和地震持續(xù)時間越長，飽和砂土越易液化。30２）液化的判別《抗震規(guī)范》規(guī)定，地面下２０ｍ深度范圍內(nèi)存在飽和砂土和飽和粉土時，當抗震設防烈度為６度時，一般可不進行液化判別和地基處理，但對液化沉陷敏感的乙類建筑可按７度的要

求進行判別和處理；當抗震設防烈度為７～９度時，應進行液化判別，應根據(jù)建筑物的抗震設

防類別、地基的液化等級，結(jié)合具體情況采取相應的措施。31（１）初步判別初步判別地基土液化的指標有地質(zhì)年代、抗震設防烈度、粉土的黏粒含量、非液化土層厚

度和地下水位深度等。符合下列條件之一時，飽和的砂土或粉土（不含黃土）可判別為不液化

或可不考慮液化影響：32①地質(zhì)年代為第四紀晚更新世（Ｑ３）及其以前時，７度、８度時可判為不液化。此處所指的地質(zhì)年代必須有建筑場地地基土的年代測試數(shù)據(jù)，不能利用小比例尺第四紀地質(zhì)圖。②粉土的黏粒（粒徑小于０．００５ｍｍ的顆粒）含量百分率ρｃ（按質(zhì)量計，采用六偏磷酸鈉作分散劑測定，采用其他方法時應按有關(guān)規(guī)定換算），７度、８度和９度分別不小于１０％、１３％和１６％時，可判為不液化土。33③淺埋天然地基，當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合式（５．５）、式（５．６）、式（５．７）之一時，可不考慮液化影響。3435（２）標準貫入試驗判別當飽和砂土和粉土按初步判別認為需進一步進行液化判別時，應采用標準貫入試驗判別法判別地面下２０ｍ范圍內(nèi)土的液化；對可不進行天然地基及基礎的抗震承載力驗算的各類建筑，可只判別地面下１５ｍ范圍內(nèi)土的液化。36圖５．７某標準貫入試驗現(xiàn)場及標準貫入試驗設備37①為判別液化而布置的勘探點不應少于３個，勘探孔深度應大于液化判別深度。在初勘階段判別場地液化與否時，液化判別孔應適量增加，可考慮在控制性鉆孔中做液化試驗；②在需做判別的土層中，試驗點的豎向間距宜為１．０～１．５ｍ，每層土的試驗點數(shù)及黏粒試驗數(shù)據(jù)不宜少于６個。383940３）液化地基的評價經(jīng)過上述兩步判別認為地基土確實存在液化趨勢后，應對存在液化土層的地基探明各液化土層的深度和厚度，通過定量分析，評價液化土可能造成的危害程度，評價采用的方法是計算每個鉆孔的液化指數(shù)，綜合劃分地基的液化等級。414243圖５．８權(quán)函數(shù)Ｗｉ44４）液化地基的抗震措施我國學者在總結(jié)了國內(nèi)外大量震害資料的基礎上，經(jīng)過長期研究，并經(jīng)大量實踐工作的校正，提出了較為系統(tǒng)而實用的液化防治措施。對于液化地基，要根據(jù)建筑物的重要性、地基液化等級，針對不同情況采取不同的措施。

當液化土層比較平坦、均勻時，可依據(jù)表５．１１選取適當?shù)目挂夯胧?546（１）全部消除地基液化沉陷的措施全部消除地基液化沉陷的措施有采用深基礎、地基加固處理、地基置換三類方法，具體要

求如下：①采用樁基礎時，樁端深入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度（不包括樁尖部分）應按計算

確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅硬黏性土和密實粉土該長度不應小于０．８ｍ，對其他非巖石土不宜小于１．５ｍ。②采用其他深基礎時，基礎底面應埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，其深度不應小

于０．５ｍ。47③采用加密法（如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等）加固時。④挖除全部液化土層，用非液化土替換全部液化土層，或增加上覆非液化土層的厚度。這種措施適用于液化土層較薄、埋藏較淺的情況，以及挖去可液化土層后分層回填砂石或灰土等非液化土，并逐層夯實。⑤采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的１／２，且不小于基礎寬度的１／５。48（２）部分消除地基液化沉陷的措施部分消除地基液化沉陷的措施主要是對地基進行加固處理。具體要求如下：①處理深度應使處理后的地基液化指數(shù)減少，其值不宜大于５。②采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別時的標準貫入錘擊數(shù)臨界值。③基礎邊緣以外的處理寬度與全部消除地基液化沉陷時的要求相同。④采取減小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土層的厚度和改善周邊的排水條件等。49（３）減輕液化影響的基礎和上部結(jié)構(gòu)處理的措施①選擇合適的基礎埋深，使天然地基的持力層有較大的剛度；②調(diào)整基礎底面積，減少基礎偏心；③加強基礎的整體性和剛度，如采用箱基、筏基、鋼筋混凝土交叉條形基礎加設基礎圈梁等；④減輕荷載，增強上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，合理設置沉降縫，避免采用對不均

勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式等；⑤管道穿過建筑物處應預留足夠尺寸或采用柔性接頭。50５．３．２其他不良地基不良地基除上述液化土地基外，還有以下幾種：１）軟弱黏性土地基軟弱黏性土的特點是壓縮性較大，抗剪強度小，承載能力低。由這種類型土構(gòu)成的持力層在地震時引起的附加荷載與經(jīng)常承受的荷載相比相當可觀，可能會使基礎底面組合應力超過地基容許承載力，使地基發(fā)生剪切破壞。51２）雜填土地基雜填土地基一般是人類任意堆填而成的，由于其組成物質(zhì)雜亂，堆填方法不同，結(jié)構(gòu)疏松，厚薄不一，因此均勻性很差，承載力低、壓縮性高，而且一般具有浸水濕陷性。３）不均勻地基不均勻地基一般位于有故河道、斷層破碎帶、暗埋的溝坑邊緣、山坡坡角和半挖半填地帶、土巖交界地段以及其他在成因、性質(zhì)或狀態(tài)上明顯不均勻的地段。52５．４．１天然淺基礎的抗震驗算地震區(qū)的建筑物，首先根據(jù)靜力設計的要求確定基礎尺寸，并對地基進行強度和沉降量的核算；然后，根據(jù)需要進行進一步的地基抗震強度驗算?；A的抗震驗算，采用“擬靜力法”進行，即假定地震作用如同靜力作用，根據(jù)地基抗震驗算所得的基礎底面應力分布，按照基礎類型，進行基礎的抗彎、抗剪及抗沖擊的驗算。５．４基礎抗震驗算53５．４．２樁基的抗震驗算１）可不進行樁基抗震驗算的條件全部消除地基液化沉陷的有效措施之一是采用樁基，因此樁基的抗震設計是深基礎抗震設計的重要內(nèi)容。①砌體房屋和規(guī)范規(guī)定可不進行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的房屋。②７度和８度時的下列建筑：ａ．一般的單層廠房和單層空曠房屋；ｂ．不超過８層且高度在２４ｍ以下的一般民用框架房屋；ｃ．基礎荷載與ｂ．項相當?shù)亩鄬涌蚣軓S房和多層混凝土抗震墻房屋