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建筑抗震设计教材第二章资料
第2章场地、地基与基础
§2.1场地
场地是指建造工业与民用建筑物的建筑场地。
国外大量震害表明,不同场地上的建筑震害差异是十分明显的,因此,研究场地条件对建筑震害的影响是建筑抗震设计中十分重要的问题。
一般认为,场地条件对建筑震害的影响主要因素是:
场地土类型(及场地土的刚性或坚硬、密实程度大小)和场地覆盖层厚度。
震害经验指出,土质愈软,覆盖层愈厚,建筑物震害愈严重,反之愈轻。
2.1.1场地土的类型及场地覆盖层厚度
(1)场地土的类型
场地土的类型(场地土的刚性)指土层本身的刚度特性,一般用土的剪切波速表示,因为剪切波速是土的重要动力参数,是最能反映场地土的动力特性的。
因此,以剪切波速表示场地土的刚性广为各国抗震规范所采用。
根据土层剪切波速将土的类型划分为四种,我国《抗震规范》中给出的土的类型划分和剪切波速范围如表2-1。
土的类型划分和剪切波速范围表2-1
土的类型
岩土名称和性状
土层剪切波速范围
(m/s)
岩土
坚硬、较硬且完整的岩石
vs>800
坚硬土
稳定岩石,密实的碎石土
800≥vs>500
中硬土
中密、稍密的碎石土,密实、中密的砾、粗、中砂,fak>150kPa的粘性土和粉土,坚硬黄土
500≥vs>250
中软土
稍的砾、粗、中砂,除松散外的细、粉砂,fak≤150kPa的粘性土和粉土,fak>130kPa的填土,可塑黄土
250≥vs>150
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≤130kPa的填土,流塑黄土
vs≤150
表中fak为由荷载试验等方法得到的地基承载力特征值(单位为kPa);vs为岩石的剪切波速。
对浅层岩土分类时,一般应根据现场的实测波速值来确定,对于重要建筑物更应如此。
而对于一般建筑和次要建筑,当无剪切波速时,也可参考表2-1来划分土的类型。
(2)场地覆盖层厚度(dov)
建筑场地覆盖层厚度是指从地表到地下基岩面的垂直距离,也就是基岩的埋深。
覆盖层厚度的确定应符合下列要求:
①一般情况下,应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。
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倍的土层,且其下卧岩土的剪切波速不小于400m/s时,可按地面至该土层顶面的距离确定。
③土层中夹有剪切波速大于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,其厚度应从覆盖层厚度中扣除。
(3)等效剪切波速(vse)
建筑场地一般由各种类型土层构成,不能用其中一种土的剪切波速来确定土的类型,也不能简单地用几种土的剪切波速平均值来确定,而应按等效剪切波速来确定土的类型。
所谓等效剪切波速就是根据剪切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的时间的原则,来定义的土层平均剪切波速(图2-1)。
图2-1多层土地震波速的计算
等效剪切波速可按下式计算:
(a)多层土(b)单一土层
(2-1)
(2-2)
将(2-1)和(2-2)合并,得:
(2-3)
式中:
d0—计算深度(m),取覆盖层厚度和20m两者的较小值;
di—计算深度范围内第i土层的厚度(m);
n—计算深度范围内土层的分层数;
vsi—计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s),宜用现场实测数据。
2.1.2建筑场地类别
《抗震规范》规定,建筑场地类别划分根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度,见表2-2。
各类建筑场地的覆盖层厚度 表2-2
等效剪切波速
(m/s)
场地类别
Ⅰ0类
Ⅰ1类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Vse>800
0
800≥Vse>500
0
500≥Vse>250
<5
≥5
250≥Vse>140
<3
3~50
>50
140≥Vse
<3
3~15
15~18
>80
注:
表中vs为岩石的剪切波速。
对于丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过30米的丙类建筑,当无实测剪切波速时,可根据岩土名称和性状,按表2-1划分土的类型,再利用当地经验在表2-1的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速(一般可取平均值),并按公式(2-3)计算场地计算深度范围内土层等效剪切波速,最后按表2-2确定建筑场地类别。
【例题2-1】表2-3为某工程场地地质钻孔地质资料,试确定该场地类别。
例题2-1附表表2-3
土层底部深度(m)
土层厚度di(m)
岩土名称
剪切波速vs(m/s)
2.50
2.50
杂填土
200
4.00
1.50
粉土
280
4.90
0.90
中砂
310
6.10
1.20
砾砂
510
【解】因为地面下4.90m以下土层剪切波速vs=500m/s,所以场地覆盖层厚度dov=4.9m;且<20m,故取计算深度d0=4.90m。
等效剪切波速按式2-3计算:
由表2-2查得,当250m/s>vse=236m/s>140m/s且3m 【例题2-2】表2-4为8层、高度为29米丙类建筑的场地地质钻孔资料(无剪切波速资料),试确定该场地类别。 例题2-2附表表2-4 土层底部深度(m) 土层厚度di(m) 岩土名称 地基土静承载力特征值(kPa) 2.20 2.20 杂填土 100 8.00 5.80 粉质 140 16.20 8.20 粘土 160 20.70 4.50 中密的中砂 — 25.00 4.30 基岩 — 【解】因为地面下20.70米以下为基岩,场地土覆盖层厚度dov为20.7m>20m,故取场地计算厚度d0=20m。 本例题在计算深度范围内由4层土,由于未给出各层土实测剪切波速,需进行估算。 根据杂填土静承载力特征值fak=130kPa,由表2-1可取其剪切波速值vse=100m/s;根据粉质粘土承载力特征值分别为140kPa和160kPa,以及中密的细砂,由表2-1查得,他们的剪切波速值范围在250~140m/s之间,现取平均值vse=195m/s。 将上述数值代入式2-3,得到土层等效剪切波速: 由表2-2可知,该建筑场地类别为Ⅱ类场地。 计算中应特别注意,由于覆盖层厚度dov为20.7m,而计算深度为20米,所以计算中第四层土的计算深度应扣除0.7m,即8.20m-0.7m=7.5m。 2.1.3建筑场地评价及有关规定 建筑场地范围内存在发震断裂时,应对断裂的工程影响进行评价。 当符合下列条件之一的情况,可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响: ①抗震设防烈度小于8度; ②非全新世活动断裂; ③抗震设防烈度为8度、9度时,前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖层厚度分别大于60m和90m。 当不符合上述规定的情况,则应避开主断裂带。 其避让距离不宜小于表2-5对发震断裂最小避让距离的规定。 在避让距离的范围内确有需要建造分散的、低于三层的丙、丁类建筑时,应按提高一度采取抗震措施,并提高基础和上部结构的整体性,且不得跨越断层线。 发震断裂的最小避让距离(m)表2-5 设防烈度 建筑抗震设防类别 甲类 乙类 丙类 丁类 8度 专门研究 200m 100m — 9度 专门研究 400m 200m — 如前所述,当选择建筑场地时,应避开对建筑不利地段,当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时,除保证其在地震作用下的稳定性外,尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用,其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。 其值应根据不利地段的具体情况确定,在1.1~1.6范围内采用。 场地岩土工程勘察,应根据实际需要划分对建筑有利、不利和危险地段,提供建筑的场地类别和岩土地震的稳定性(如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等)评价,对需要采用时程分析法补充计算的建筑,尚应根据设计要求提供土层剖面、场地覆盖层厚度和有关的动力参数。 §2.2天然地基与基础 在地震作用下,为了保证建筑物的安全和正常使用,对地基而言,与静力计算一样,应同时满足地基承载力和变形的要求。 但是,在地震作用下由于地基变形过程十分复杂,目前还没有条件进行这方面的定量计算。 因此,《抗震规范》规定,只要求对地基抗震承载力进行验算,至于地基变形条件,则通过对上部结构或地基基础采取一定的抗震措施来保证。 2.2.1可不进行天然地基上基础抗震承载力验算的建筑 历次震害调查表明,一般天然地基上的下列一些建筑很少因为地基失效而破坏的。 因此,《抗震规范》规定: (1)建造在天然地基上的以下建筑,可不进行天然地基和基础抗震承载力验算: ①《抗震规范》规定可不进行上部结构抗震验算的建筑: a.7度Ⅰ、Ⅱ类场地,并采取相应抗震措施的柱高不超过10m,且结构单元两端均有山墙的单跨和等高多跨厂房(锯齿形厂房除外)。 b.采取抗震构造措施的单层砖柱厂房,7度Ⅰ、Ⅱ类场地,柱顶标高不超过4.5m,且结构单元两端均有山墙的单跨和等高多跨砖柱厂房;7度Ⅰ、Ⅱ类场地,柱顶标高不超过6.6m,两侧设有厚度不小于240mm且开洞截面面积不超过50%的外纵墙,结构单元两端均有山墙的单跨厂房。 c.抗震设防烈度为6度时,除《抗震规范》有具体规定外,乙、丙、丁类的建筑(建造在Ⅳ类场地上较高的高层建筑除外)。 ②地基主要受力范围内不存在软弱粘土层的下列建筑: a.一般单层厂房、单层空旷房屋; b.砌体房屋; c.不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋和框架-抗震墙房屋; d.其基础荷载与c条相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。 (软弱粘土层主要指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。 ) 2.1.2天然地基抗震承载力验算 (1)地基土抗震承载力 进行天然地基基础的抗震验算,首先要确定地震作用下地基土的抗震承载力。 由于地震是低频的有限次的脉冲作用,在这样条件下,除十分软弱的土外,大多数土的动力强度都比静力强度高。 此外,又考虑到地震是一种偶然作用,历时短暂,所以地基在地震作用下的可靠都的要求可较静力作用下时降低。 这样,地基土抗震承载力,除十分软弱土外,都较地基土静承载力高。 地基土抗震承载力的取值,我国和世界上大多数国家都是采用在地基土静承载力的基础上乘以一个调整系数的办法来确定的。 《抗震规范》规定,地基土抗震承载力按下式计算: (2-4) 式中: fak—为调整后的地基抗震承载力; ζs—为地基抗震承载力调整系数,应按表2-6采用; fa—为深宽修正后的地基土静承载力特征值,应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007)采用。 地基抗震承载力调整系数表2-6 岩土名称和性状 ζs 岩石,密实的碎石土,密实的砾、粗、中砂,fak≥300kP的粘性土和粉土 1.5 中密、稍密的碎石土,中密、稍密的砾、粗、中砂,密实和中密的细、粉砂,150kPa≤fak<300kPa的粘性土和粉土,坚硬黄土 1.3 稍密的砾、粗、中砂,100kPa≤fak<150kPa的粘性土和粉土,新近沉积的粘性土和粉土,可塑的黄土 1.1 淤泥和淤泥质土,松散的砂、填土,新近堆积黄土和流塑的黄土 1.0 (2)验算方法 验算天然地基在地震作用下的竖向承载力时,按地震作用效应标准组合的基础地面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求: 基础地面平均压力应符合下式 (2-5) 基础底面边缘最大压应力应满足下式 (2-6)图2-2基础地面压力分布的限制 式中: pmax: 基础底面边缘的最大压力。 《抗震规范》同时规定,高宽比大于4的建筑,在地震作用下基础地面不宜出现拉应力(拉应力区);其他建筑,基础底面与地基土之间脱离区(零应力区)面积不应超过基础地面面积的15%,即 (2-7) 式中: b/—矩形基础地面受压宽度(图2-2); b—矩形基础地面宽度。 §2.3场地土的液化 在近代地震史上,我国1966年的邢台地震,1975年的海城地震以及1976年的唐山地震,场地土都发生过液化现象,都使建筑遭到不同程度的破坏。 1964年6月日本新泻地震使很多建筑的地基失效,就是饱和松砂发生液化的典型事例。 这次地震开始时,使该城市的低洼地区出现了大面积砂层液化,地面多处喷砂冒水,继而在大面积液化地区上的汽车和建筑逐渐下沉。 而一些诸如水池一类的构筑物则逐渐浮出地面。 其中引人注目的是某公寓住宅群普遍倾斜,最严重的倾角竟达800之多。 据目击者说,该建筑是在地震后4分钟开始倾斜的,至倾斜结束共历时1分钟。 新泻地震以后,土的液化问题更加引起国内外地震工作者的关注。 2.3.1土层液化的概念 饱和砂土和粉土在地震时容易发生液化现象。 地震引起的振动使饱和的砂土和粉土趋于密实,导致孔隙水压力急剧增加。 在地震作用的短时间内,这种急剧增加的孔隙水压力来不及排出,使有效应力减小,当有效应力完全消失时,土体剪切强度等于零,土颗粒处于悬浮状态,如同液体一样(图2-3),这种现象即为土的液化。 根据土力学原理,砂土液化是由于饱和砂土在地震时短时间内抗剪强度为零所致。 根据地下水在土颗粒间 渗透过程中的力学平衡条件得: 图2-3土的液化示意图 地震时,由于场地土作强烈振动,孔隙水压力u急剧增高,直至与总的法向压应力σ相等,即有效法向压应力 时,砂土颗粒便呈悬浮状态。 土体抗剪强度 ,从而使场地土失去承载能力。 场地土液化会引起地面喷水冒砂、地基不均匀沉降、地裂滑坡、建筑物下沉、倾斜、上浮等震害。 2.3.2影响土的液化的因素 场地土液化与许多因素有关,因此需要根据多项指标综合分析判断土是否会发生液化。 但当某项指标达到一定数值时,不论其他因素情况如何,土都不会发生液化,或即使发生液化也不会造成房屋震害。 我们称这个数值为这个指标的界限值。 因此,了解以下影响液化因素及其界限值是有实际意义的。 (1)土层的地质年代和组成 地质年代的新老表示土层沉积时间的长短。 较老的沉积土、经过长时期的固结作用和历次大地震的影响,使土的密实程度增大外,还往往具有一定的胶结紧密结构。 因此,地质年代愈久的土层的固结度、密实度和结构性也就愈好,抵抗液化能力就愈强。 反之,地质年代愈新,则其抵抗液化能力就愈差。 宏观震害调查表明,在我国和国外的历次大地震中,尚未发现地质年代属于第四纪晚更新世(Q3)或其以前的饱和土层发生液化的。 (2)土中粘料含量 粘粒是指粒径小于等于0.005mm的土颗粒。 理论分析和实践表明,当粉土内粘粒超过某一限值时,粉土就不会液化。 这是由于随着土中粘粒的增加,使土的粘聚力增大,从而抵抗液化能力增加的缘故。 (3)上覆盖非液化土层的厚度和地下水位的深度 上覆盖非液化土层的厚度是指地震时能抑制可液化土层喷水冒喷的厚度,一般从第一层可液化土层的顶面算至地表。 构成覆盖层的非液化层除天然地层外,还包括堆积五年以上,或地基承载力大于100kPa的人工填土层。 当覆盖层中夹有软土层,对抑制喷砂冒水作用很小,且其本身在地震中很可能发生软化现象时,该土层应从覆盖层中扣除。 现场宏观调查表明,砂土和粉土当覆盖层厚度超过表2-7所列界限值时,未发现土层发生液化现象。 液化土特征深度d0(m)表2-7 饱和土类别 烈度 7 8 9 粉土 6 7 8 砂土 7 8 9 注: 当区域的地下水位处于变动状态时,应按不利的情况考虑。 地下水位高低时影响喷砂冒水的一个重要因素,实际震害调查表明,当砂土和粉土的地下水位不小于表2-8所列界限值时,未发现土层发生液化想象。 土层不考虑液化时覆盖层厚度duj和地下水位界限值dwj表2-8 烈度 土类及项目 7 8 9 砂土 duj(m) 7 8 9 dwj(m) 6 7 8 粉土 duj(m) 6 7 8 dwj(m) 5 6 7 (4)土的密实程度 砂土和粉土的密实程度是影响土层液化的一个重要因素。 土层密实程度小,则空隙比大,容易发生液化。 1964年日本新泻地震现场分析资料表明,相对密度小于50%的砂土,普遍发生液化,而相对密度大于70%的土层,则没有发生液化。 (5)土层埋深 理论分析和土工试验表明: 侧压力愈大,土层就愈不易发生液化。 侧压力大小反映土层埋深的大小。 现场调查资料表明: 土层液化深度很少超过15m的。 多数浅于15m,更多的浅于10m。 (6)地震烈度和地震持续时间 地震烈度越高的地区,地面运动强度越大,显然土层就越容易液化。 一般在6度及其以下地区,很少看的液化现象。 而在7度及其以上地区,则液化现象就相对普遍。 日本新泻在过去曾经发生过25次地震,在历史记载中仅有三次地面加速度超过0.13g时才发生液化。 1964年那一次地面运动加速度为0.16g,液化就相对普遍。 室内土的动力试验表明,土样振动的持续时间越长,就越容易液化。 因此,某地在遭受到相同烈度的远震比近震更容易液化。 因为前者对应的大震持续时间比后者对应的中等地震持续时间要长。 2.3.3液化土的判别 饱和的砂土和粉土(不含黄土)的液化判别和地基处理,6度时,一般情况下可不进行判别和处理,但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理,7~9度时,乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别和处理。 地面下存在饱和砂土和饱和粉土时,除6度外,应进行液化判别;存在液化土层的地基,应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级,结合具体情况采取相应的措施。 注: 此处饱和土液化要求不含黄土、粉质黏土。 《抗震规范》规定用二阶段判别方案,即初步判别和标准贯入试验判别。 (1)初步判别 《抗震规范》规定,饱和的砂土和粉土(不含黄土),当符合下列条件之一时,可初步判别为不液化或不考虑液化影响: ①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时,7、8度时可判别为不液化。 ②粉土的粘粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率,7度、8度、9度分别不小于10、13和16时,可判别为不液化。 注: 用于液化判别的黏粒含量系采用六偏磷酸钠作分散剂测定,采用其他方法时应按有关规定换算。 ③浅埋天然地基的建筑,当上覆盖非液化土层厚度du和地下水位深度dw符合下列条件之一时,可不考虑液化影响: (2-9) (2-10) (2-11) 式中: dw—地下水位(m),宜按设计基准期内年平均最高水位采用,也可按近期内年最高水采用。 du—上覆盖非液化土层厚度(m),计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除。 db—基础埋深,不超过2m时应采用2m.。 d0—液化土特征深度,见表2-7。 初步判别 初判的作用: 可排除一大批地基情况,少做标贯,省时省钱;适用于初勘地基震害预测和抗震设防区划。 【例题2-3】图2-4为某场地地基剖面图。 上覆非液化土层厚度du=5.5m,其下为砂土,地下水位深度dw=6.0m。 基础埋置深度db=2m,该场地为8度区。 试按初步判别公式和图2-4确定砂土是否考虑液化的影响。 图2-4[例题2-3]附图 【解】①按公式(2-9、2-10、2-11)计算 由表2-8查得液化土特征深度d0=8m,则 1.5d0+2db-4.5=1.5×8+2×2-4.5=11.5m=du+dw=5.5+6=11.5m 另d0+db-3=8+2-3=7m>dw=6.0m d0+db-2=8+2-2=8m>du=5.5m 计算表明,没有一项符合公式要求,故需进一步判别是否考虑砂土液化的影响。 ②按图2-5确定 图2-5土层液化判断图 在图2-4a横坐标轴上找到du=5.5m,在纵坐标轴上找到dw=6.0m,并分别做他们的垂线得交点。 该交点正好位于8度的斜线上。 表明将要进一步进一步判别是否考虑砂土液化的影响。 【例题2-4】条件同[例题2-3],但基础埋置深度db=2.5m。 试按初步判别公式和图2-4确定砂土是否考虑液化的影响。 【解】①按公式(2-9、2-10、2-11)计算 由表2-8查得液化土特征深度d0=8m,则 1.5d0+2db-4.5=1.5×8+2×2.5-4.5=12.5m>du+dw=5.5+6=11.5m 另d0+db-3=8+2.5-3=7.5m>dw=6.0m d0+db-2=8+2.5-2=8.5m>du=5.5m 计算表明,没有一项符合公式要求,故需进一步判别是否考虑砂土液化的影响。 ②按图2-4确定 在图2-4a横坐标轴上找到du-(db-2)=5.5-(2.5-2)=5m, 在纵坐标轴上找到dw-(db-2)=6-(2.5-2)=5.5m,并分别做他们的垂线得交点。 该交点正好位于8度的斜线上。 表明将要进一步进一步判别是否考虑砂土液化的影响。 (2)再判——标准贯入试验判别 当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时,应采用标准贯入试验判别地面下20m范围内土的液化;但前面提出的可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑,可只判别地面下15m范围内土的液化。 当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时,应判为液化土。 当有成熟经验时,尚可采用其他判别方法。 标准贯入试验设备,主要标准贯入器、触探杆、穿心锤三部分组成(图2-6)。 触探杆一般用直径42mm的钻杆,穿心锤重63.5kg。 标贯试验过程及实测锤击数为 第一步: 用钻具钻至试验土层标高以上15cm处。 第二步: 将标贯器打至标高位置。 第三步: 以76cm的落距,用穿心锤打入土层30cm, 记录锤击数为N63.5。 对浅基础,一般要对地面下15m深度范围图2-6标准贯入器 内的土层进行标准贯入试验。 当采用桩基或埋深1-穿心锤,2-锤垫,3-触探杆,4-贯入器头 大于5m深基础时,还应进一步判别15~20m范5-出水孔,6-贯入器身,7-贯入器靴 围内土的液化。 当N63.5(未经杆长修正) 应判为液化土。 Ncr按下面方法确定。 在地面下20m深度范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算: (2-12) 式中: Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值; N0—液化判别标准贯入锤击数基准值;按表2-9采用; ds—饱和土贯入点深度(m); dw—室外地面到地下水位的距离(m); ρc—黏粒含量百分率,小于3或为砂土时,应采用3。 β—调整系数,设计地震第一组取0.80,第二组取0.95,第三组取1.05。 标准贯入锤击数基准值No表2-9 设计基本地震加速度(g) 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 No 7 10 12 16 19 2.3.4液化地基的评价 因为地基土液化程度不同,对建筑的危害
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