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1、第二章场地与地基§21 场地划分与场地区划2.1.1场地及其地震效应场地是指建筑物所在地， 其范围大体相对于厂区、 居民点和自然村的范围。 历史震害资料表明，建筑物震害除与地震类型、 结构类型等有关外， 还与其下卧层的构成、覆盖层厚度密切相关。图 2-1是 1967年委内瑞拉加拉加斯地震的震害调查统计结果。从图中可以看出：在土层厚度为 50m左右的场地上， 3- 5层的建筑物破坏相对较多；而在厚度为 150- 300m的冲积层上， 10- 24层的建筑物震害最为严重。对我国 1975年海城地震、 1976 年唐山地震等大地震的宏观震害调查资料的分析也表明了类似的规律：房屋倒塌率随土层
2、厚度的增加而加大；比较而言，软弱场地上的建筑物震害一般重于坚硬场地。>14层)%(率分百坏1014层破构35层结5 9 层maxmax土层厚度 (m)零应力区图 2-1房屋破坏率与土层厚度关系图 2-2基地压力验算从原理上分析， 在岩层中传播的地震波， 本来就具有多种频率成分，其中， 在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期， 称为地震动的卓越周期。 在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中， 与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大，而另一些频率波群将被衰减甚至被完全过滤掉。这样，地震波通过土层后，由于土层的过滤特性与选择放大作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有周期。当
3、建筑物的固有周期与地震动的卓越周期相接近时，建筑物的振动会加大，相应地，震害也会加重。进一步深入的理论分析证明，多层土的地震效应主要取决于三个基本因素：覆盖土层厚度、土层剪切波速、岩土阻抗比。在这三个因素中，岩土阻抗比主要影响共振放大效应，而其它两者则主要影响地震动的频谱特性。2.1.2覆盖层厚度覆盖层厚度的原意是指从地表面至地下基岩面的距离。从地震波传播的观点看，基岩界面是地震波传波途径中的一个强烈的折射与反射面，此界面以下的岩层振动刚度要比上部土层的相应值大很多。根据这一背景， 工程上常这样判定：当下部土层的剪切波速达到上部土层剪切波速的2.5倍，且下部土层中没有剪切波速小于400m/s的
4、岩土层时，该下部土层就可以近似看作基岩。 由于工程地质勘察手段往往难以取得深部土层的剪切波速数据，为了实用上的方便， 我国建筑抗震设计规范进一步采用土层的绝对刚度定义覆盖层厚度，即：地下基岩或剪切波速大于500m/s的坚硬土层至地表面的距离，称为“覆盖层厚度 ”。2.1.3场地的类别1前已述及， 不同场地上的地震动，其频谱特征有明显的差别。为了反映这一特点，我国建筑设计规范将建筑场地划分为4个不同的类别，见表2-1。从表 2-1可见，场地类别是根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度两个指标综合确定的。场地覆盖层厚度已于上文作了解释。土层等效剪切波速Vse 则应按下式计算。nVsedo /( di
5、 /Vsi )（ 2-1 ）i1式中d0 计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；n 计算深度范围内土层的分层数；Vsi 第 i 层土的剪切波速；di 第 i 层土的厚度。对于 10层和高度 30m以下的丙类建筑及丁类建筑，当无实测剪切波速时，也可以根据岩土性状按表 2-2划分土的类型，并利用当地经验在该表所示的波速范围内估计各土层的剪切波速。表 2-1各类建筑场地的覆盖层厚度(m)等效剪切波速 (m/s)场地类别I 类II 类III 类IV 类Vse 5000500 Vse 250 5 5250 Vse 140 3350 50Vse 140 3315 1580 80表 2-2土的类型划分
6、土的类型岩土名称和性状土层剪切波速范围 (m/s)坚硬土或岩石稳定岩石、密实的碎石土Vs 500中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，中硬土fak >200 的粘性土和粉土 , 坚硬黄土500 Vs 250稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细粉砂，f ak 中软土250 Vs 140200 的粘性土和粉土， f ak 130 的填土、可塑黄土淤泥和淤泥质土 , 松散的砂， 新近沉积的粘性土和粉软弱土土 , f ak 130 的填土，流塑黄土Vs 140表2-2 中， f ak 为由荷载试验等方法得到的地基土静承载力特征值，单位为Kpa。2表 2.1的分类标准主要适用于剪切波速随深度递
7、增的一般情况。在实际工程中，层状土夹层的影响比较复杂， 很难用单一指标反映。 地震反应分析的研究结果表明， 硬土夹层的影响相对比较小，而埋藏深、厚度较大的软弱土夹层，虽能抑制基岩输入地震波的高频成分，但却能显著放大输入地震波中的低频成分。因此，当计算深度以下有明显的软弱土夹层时，一般应适当提高场地类别。 例题 2-1, 已知某建筑场地的钻孔地质资料如表2-3所示，试确定该场地的类别。表 2-3钻孔资料 (例 2-1)土层底部深度 (m)土层厚度 (m)岩土名称土层剪切波速 (m/s)1.51.5杂填土1803.52.0粉土2407.54.0细砂31015.58.0砾砂520 解 (1) 确定覆
8、盖层厚度因为地表下 7.5m 以下土层的 Vs =520m/s>500m/s ，故 d0 =7.5m. 。(2) 计算等效剪切波速，按式（ 2- 1）有查表 2- 1， Vse 位于 250500m/s之间，且 d0 >5m ，故属于类场地。2.1.4场地区划对于中等规模以上的城市，我国建筑抗震设计规范允许采用经过批准的抗震设防区划进行抗震设防。 这就牵涉到了场地设计地震动的区域划分问题。这种区域划分一般给出城区范围内的场地类别区域划分（又称场地小区划） 、设防地震动参数区划和场地地面破坏潜势区划等结果。这里，仅简单介绍场地小区划的基本内容。场地区划的基本方法与过程是：1 收集城区
9、范围内的工程地质、水文地质、地震地质资料；2 依据上述资料作出所考虑区域的控制地质剖面图，确立场地小区划的平面控制点；3 视具体情况适当进行补充的工程地质勘探和剪切波速测试工作；4 按照工程地质资料统计给出不同类别土的剪切波速随深度变化的经验关系；5 依据控制地质剖面图、剪切波速经验关系，计算各平面控制点的浅层岩土（地表下20m）等效剪切波速，并决定各控制点覆盖层厚度；6e. 根据等效剪切波速和覆盖层厚度按照表2-1 规定对城区范围内的场地作出小区划分。工作深入的场地区划还可以作出场地等效剪切波速等值线和场地固有周期等值线。场地固有周期 T可按照剪切波重复反射理论按下式计算：n4diTVsii
10、 1（ 2-2 ）式中符号说明同（2-1 ）式。细致的场地区划工作可以起到节约投入、 一劳永逸的效果。 建筑抗震设计人员应注意向当地抗震主管部门咨询有关资料，视具体情况应用于设计之中。§2.2地基抗震验算221地基抗震设计原则地基是指建筑物基础下面受力层范围内的土层。对历史震害资料的统计分析表明，一般3土地基在地震时很少发生问题。造成上部建筑物破坏的主要是松软土地基和不均匀地基。因此，设计地震区的建筑物，应根据土质的不同情况采用不同的处理方案。1. 松软土地基在地震区，对饱和的淤泥和淤泥质土、冲填土和杂填土、不均匀地基土，不能不加处理地直接用作建筑物的天然地基。 工程实践已经证明，
11、尽管这些地基土在静力条件下具有一定的承载能力， 但在地震时，由于地面运动的影响，会全部或部分地丧失承载能力，或者产生不均匀沉陷和过量沉陷， 造成建筑物的破坏或影响其正常使用。 松软土地基的失效不能用加宽基础、加强上部结构等措施克服，而应采用地基处理措施（如置换、加密、强夯等）消除土的动力不稳定性，或者采用桩基等深基础避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响。2. 一般土地基房屋震害调查统计资料表明，建造于一般土质天然地基上的房屋，遭遇地震时，极少有因地基强度不足或较大沉陷导致的上部结构破坏。因此， 我国建筑抗震设计规范规定，下述建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：（1）砌体房屋；（2）地
12、基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般厂房、单层空旷房屋、 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。这里， 软弱粘性土层是指设防烈度为 7度、 8度和 9度时，地基土静承载能力特征值分别小于80、 100和 120Kpa的土层；（3）规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。3. 地裂危害的防治当地震烈度为 7度以上时，在软弱场地土及中软场地土地区，地面裂隙比较发育，建筑物特别是砖结构建筑物常因地裂通过面被撕裂。因此，对位于软弱场地土上的建筑物，当基本烈度为 7度以上时，应采取防地裂措施。例如，对于砖结构房屋，可在承重砖墙的基础内设置现浇钢筋混凝土圈梁；
13、对于单层钢筋混凝土柱厂房， 可沿外墙一圈设置现浇整体基础墙梁或有现浇接头的装配整体式基础墙梁。位于中软场地土上的建筑物，当基本烈度为9度时，也应采取上述的防地裂措施。222 地基土抗震承载力地基土抗震承载力的计算采取在地基土静承载力的基础上乘以提高系数的方法。我国建筑抗震设计规范规定，在进行天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力按下式计算：f aEsf a（2-3 ）式中faE 调整后的地基土抗震承载力；s 地基土抗震承载力调整系数，按表2-4 采用；f a 深宽修正后的地基土静承载力特征值，按现行建筑地基基础设计规范采用。表 2-4地基土抗震承载力调整系数岩土名称和性状岩石，密实的碎石土，密
14、实的砾、粗、中砂，f ak 300kpa 的粘性土和粉土1.5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，150kpa fak <300kpa 的粘性土和粉土，坚硬黄土1.34稍密的细、 粉砂，100kpa f ak <150kpa 的粘性土和粉土， 新近沉积的粘性土和粉土，1.1可塑黄土淤泥、淤泥质土，松散的砂、填土，新近堆积黄土及流塑黄土1.0地基土抗震承载力一般高于地基土静承载力， 其原因可以从地震作用下只考虑地基土的弹性变形而不考虑永久变形这一角度得到解释。223地基抗震验算地震区的建筑物，首先必须根据静力设计的要求确定基础尺寸，并对地基进行强度和沉
15、降量的核算，然后，根据需要进行进一步的地基抗震强度验算。当需要验算地基抗震承载力时，应将建筑物上各类荷载效应和地震作用效应加以组合，并取基础底面的压力为直线分布（图2-2 ）。具体验算要求是：f aE（ 2-4 ）max1.2 faE（ 2-5 ）式中 基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值；max 基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值；同时，对于高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；对于其他建筑，则要求基础底面零应力面积不超过基础底面的15。§ 2.3 地基土液化及其防治231 地基土液化及其危害饱和松散的砂土或粉土（不含黄土） ，地震时易发生液化现象，
16、使地基承载力丧失或减弱，甚至喷水冒砂，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。其产生的机理是：地震时，饱和砂土和粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移，颗粒结构趋于压密，颗粒间孔隙水来不及排泄而受到挤压， 因之使孔隙水压力急剧增加。当孔隙水压力上升到与土颗粒所受到的总的正压应力接近或相等时，土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失，土颗粒便形同 “液体 ”一样处于悬浮状态，形成所谓液化现象。液化使土体的抗震强度丧失，引起地基不均匀沉陷并引发建筑物的破坏甚至倒塌。发生于1964 年的美国阿拉斯加地震和日本新泻地震，都出现了因大面积砂土液化而造成的建筑物的严重破坏，从而，引起了人们对地基土液化及其防治问题的关切。
17、在我国，1975年海城地震和 1976年唐山地震也都发生了大面积的地基液化震害。我国学者在总结了国内外大量震害资料的基础上， 经过长期研究， 并经大量实践工作的校正， 提出了较为系统而实用的液化判别及液化防治措施。232 液化的判别地基土液化判别过程可以分为初步判别和标准贯入试验判别两大步骤。1. 初步判别饱和的砂土或粉土（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）及其以前时且处于7度或 8度区；（ 2）粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率pc (%) 当烈度为 7度、 8度、 95度时分别大于 10、 13、
18、16时；（ 3）地下水位深度和上覆盖非液化土层厚度满足式（2-6 ）、（ 2-7 ）或（ 2-8 ）之一时；d wdodb3（2-6）d udodb2（ 2-7 ）dudw1.5do2db4.5（ 2-8 ）式中dw 地下水位深度（ m），按建筑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位采用；db 基础埋置深度（ m），小于2m时应采用 2m；do 液化土特征深度，按表2-5采用。du 上覆盖非液化土层厚度（m），计算时应注意将淤泥和淤泥质土层扣除。表 2-5液化土特征深度（m）饱和土类别烈度789粉土678砂土7892. 标准贯入试验判别当上述所有条件均不能满足时，地基土存在液化
19、可能。此时，应采用标准贯入试验进一步判别其是否液化。标准贯入试验设备由穿心锤（标准重量63.5Kg ）、触探杆、贯入器等组成（图2-3 ）。试验时，先用钻具钻至试验土层标高以上15cm，再将标准贯入器打至试验土层标高位置，然后，在锤的落距为 76cm的条件下，连续打入土层30cm，记录所得锤击数为N63.5 。当地面下 15m深度范围土的实测标准贯入锤击数N63.5 小于按式（ 2-9 ）确定的下限值Ncr 时，则应判为液化土，否则为不液化土。图 2-3 标准贯入试验设备示意图穿心锤；锤垫；触探杆；贯入器头；出水孔；贯入器身；贯入器靴N cr No 0.9 0.1( d s d w ) 3 c
20、（ ds15 ）(2-9)式中N cr 液化判别标准贯入锤击数下限值；6N 0 液化判别标准锤击数基准值，按表2-6 采用；d s 饱和土标准贯入点深度（m）；c 土体粘粒含量百分率，当c (%) 小于 3 或为砂土时，取c 3。一般情况下，仅要判别地面下15m 深度范围内土的液化可能性。而当采用桩基或埋深大于 5m 的深基础时，尚应判别 1520m 范围内土的液化可能性。此时，标准贯入锤击数临界值为：N cr N（o2.4 0.1ds） 3c（ 15d s20 ）（ 2-10 ）表 2-6标准贯入锤击数基准值设计地震分组7 度8 度9 度第一组6（ 8）10（ 13）16第二、三组8（ 10
21、）12（ 15）18注：括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15g 和0.3g的地区。从式（ 2-9 ）与式（ 2-10 ）可以看出，地基土液化的临界指标N cr 的确定主要考虑了土层所处的深度、地下水位深度、饱和土的粘粒含量以及地震烈度等影响土层液化的要素。2 3 3 液化地基的评价当经过上述两步判别证实地基土确实存在液化趋势后，应进一步定量分析、评价液化土可能造成的危害程度。这一工作，通常是通过计算地基液化指数来实现的。地基土的液化指数可按下式确定：nNi )diWiI lE(1（2-11 ）i1Ncri式中I lE 液化指数；n 在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；N i
22、, Ncri 分别为第 i 点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值的数值；di 第 i 点所代表的土层厚度（ m），可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi 第 i 土层单位土层厚度的层位影响权函数值（单位为 m -1 ）。若判别深度为 15m，当该层中点深度不大于5m时应采用 10，等于 15m时应采用零值， 515m时应按线性内插法取值；若判别深度为20m，当该层中点深度不大于 5m时应采用10，等于 20m时应采用零值， 520m 时应按线性内插法取值。根据液化指数 IlE 的大小，可将
23、液化地基划分为三个等级，见表2-7 。表 2-7液化等级7液化等级轻微中等严重判别深度为 15m时的液化指数0< I lE 55< I lE 15IlE 15判别深度为 20m时的液化指数0< I lE 65< I lE 18IlE 18不同等级的液化地基，地面的喷砂冒水情况和对建筑物造成的危害有着显著的不同, 见表2-8 。表 2-8不同液化等级的可能震害液化等级地面喷水冒砂情况对建筑的危害情况轻微地面无喷水冒砂，或仅在洼危害性小，一般不至引起明显的震害地、河边有零星的喷水冒砂点中等喷水冒砂可能性大， 从轻微到危害性较大，可造成不均匀沉陷和开严重均有，多数属中等裂，有
24、时不均匀沉陷可能达到200mm一般喷水冒砂都很严重，危害性大，不均匀沉陷可能大于严重地面变形很明显200mm，高重心结构可能产生不容许的倾斜e2-2 某工程按 8度设防，其工程地质年代属Q，钻孔资料自上向下为：砂土层至2.1m，砂4砾层至 4.4m，细砂至 8.0m，粉质粘土层至15m；砂土层及细砂层粘粒含量均低于8；地下水位深度 1.0m；基础埋深1.5m；设计地震场地分组属于第一组。试验结果如表2-9 ，试对该工程场地液化可能作出评价。 解 （1）初判4;Qdo db3 71dw ;ud =0;1.5d o2db4.511.5 1 d wdu ;c 13 ;故均不满足不液化条件，需进一步判
25、别。（2）标准贯入试验判别：1）按式（ 2-9 ）计算 N cri ，式中 N0=10（ 8度、第一组）， dw =1.0, 题中已给出各标准贯点所代表土层厚度，计算结果见表2-9 ，可见 4点为不液化土层；2）计算层位影响函数。第一点，地下水位为1.0m，故上界为1.0m，土层厚 1.1m，故Z1 1.01.1,w1101.552第二点，上界为砂砾层，层底深4.4m，代表土层厚 1.1m，故Z2 4.41.1 4.95 ,w1102余类推。83）按式（ 2-11 ）计算各层液化指数，结果见表2-9 。最终给出 I lE =12.16 ，据表 2-7 ，液化等级为中等。表 2-9液化分析表（例
26、题2-2）测测源深度测点土层di 的中点深度标贯值标贯下限值点dsi (m)厚 di (m)Zi (m)11.451.19.41.55105.1525.071.1134.95105.0836.0111.0146.091.9347.0161.0152 3 4液化地基的抗震措施对于液化地基，要根据建筑物的重要性、地基液化等级的大小，针对不同情况采取不同层次的措施。当液化土层比较平坦、均匀时，可依据表2-10 选取适当的抗液化措施。表 2-10抗液化措施建筑地基的液化等级类别轻微中等严重部分消除液化沉陷， 或对基全部消除液化沉陷， 或部分乙类消除液化沉陷且对基础和全部消除液化沉陷础和上部结构进行处理
27、上部结构进行处理对基础和上部结构进行处对基础和上部结构进行处全部消除液化沉陷， 或部丙类理，或采用更高要求的措施分消除液化沉陷且对基理，亦可不采取措施础和上部结构进行处理对基础和上部结构进行丁类可不采取措施可不采取措施处理，或采用其他经济的措施表 2-10 中全部消除地基液化沉陷、 部分消除地基液化沉陷、 已进行基础和上部结构处理等措施的具体要求如下：1. 全部消除地基液化沉陷（ 1）此时，可采用桩基、深基础、土层加密法或挖除全部液化土层等措施。采用桩基时， 桩基伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分）应按计算确定，对碎石土、砾、粗、中砂，坚硬粘性土不应小于0.5m，其他非岩石不宜小
28、于1.5m；（ 2）采用深基础时，基础底面埋人液化深度以下稳定土层中的深度不应小于0.5m；（ 3）采用加密方法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）对可液化地基进行加固时，应处理至液化深度下界， 且处理后土层的标准贯人锤击数实测值应大于相应下限值；（ 4）当直接位于基底下的可液化土层较薄时，可采用全部挖除液化土层，然后分层回填非液化土。 在采用加密法或换土法处理时， 在基础边缘以外的处理宽度， 应超过基础底面下处理深度的 1/2 ，且不小于处理宽度的 1/5 。2部分消除液化地基沉陷此时，应符合下列要求；（ 1）处理深度应使处理后的地基液化指数减少， 当判别深度为 15m时，其值不宜大于
29、4，当判别深度为 20m时，其值不宜大于 5；对于独立基础和条形基础， 尚不应小于基础底面9下液化土特征深度和基础宽度的较大值。（ 2）在处理深度范围内，应使处理后液化土层的标准贯人锤击数大于相应的临界值。3基础和上部结构处理对基础和上部结构，可综合考虑采取如下措施：（ 1）选择合适的地基埋深，调整基础底面积，减少基础偏心；（ 2）加强基础的整体性和刚性；（ 3）增强上部结构整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝；（ 4）管道穿过建筑处采用柔性接头。一般情况下，除丁类建筑外，不应将未经处理的液化土层作为地基的持力层。习题 :2 1 场地土的固有周期和地震动的卓越周期有何区别与联系？2 2 为什么
30、地基的抗震承载力大于静承载力？2 3 影响土层液化的主要因素是什么？2 4 试判断下述论断的正误：（ 1）中软土的场地类别比中硬土的场地类别差。（ 2）粉土的粘粒含量百分率越大，越不容易液化。（ 3）液化指数越小，地震时地面喷砂冒水现象就越严重；（ 4）地基的抗震承载力是指其承受水平力的能力。2 5 试按下表计算场地的等效剪切波速，并判定场地类别。表 2-11土层的剪切波速土层厚度2.25.88.24.54.3Vs （ m/s）1802002604205302 6 某工程按 7度设防。其工程地质年代属Q4，钻孔地质资料自上向下为：杂填土层1.0m，砂土层至 4.0m，砂砾石层至 6m，粉土层至 9.4m，粉质粘土层至16m；其他实验结果见下表。该工程场地地下水位深1.5m，结构基础埋深 2m,设计地震分组属于第二组。试对该工程场地进行液化评价。表 2-12工程场地标贯试验表测值测点深度 (m)标贯值 Ni粘粒含量百分率12.05423.07537.011848.014910