工学场地、地基和基础.ppt

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1、第3章 场地、地基和基础,返回总目录,教学提示：场地是指工程群体所在地，为了考虑场地条件对建筑抗震设计的定量影响，通常是将场地按场地土的等效剪切波速和场地覆盖厚度划分为四类，以便采取合理的设计参数和有关的抗震构造措施。为确定地震时地基基础不发生过大变形和不均匀沉降，不仅需选择合理的基础体系，同时还需进行必要的抗震验算。液化使地基土抗剪强度丧失，往往造成建筑物大量下沉或不均匀沉降，并引发建筑物的破坏甚至倒塌，必须加以判别，并对可能液化的地基采取相应的措施。教学要求：本章让学生了解场地类别的划分、天然地基承载力的抗震验算、地基土液化的概念、液化判别及消除液化的措施和桩基的验算等。,本章内容,3.1

2、 场 地3.2 天然地基和基础3.3 液化土地基 3.4 桩基的抗震验算 3.5 习 题,3.1.1 场地选择 场地是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区和自然村的区域，范围不应太小，大致在0.5 km21.0 km2。 在强震区选择建筑场地时，应考虑局部地形、地质构造、地基土质等对建筑物抗震的影响。宜选择对抗震有利地段，避开不利地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施。不应在危险的地段建造甲、乙、丙类建筑。 GB 500112001建筑抗震设计规范对地段类别划分标准见表3-1。,3.1 场 地,表3-1 有利、不利和危险地段的划分,3.1 场 地,3.1.2 场地

3、类别划分在一次地震中，同一类建筑在不同的场地条件下所受的破坏作用明显不同，在相同场地条件下，不同建筑物的破坏程度也不同。因此，为了考虑场地条件对建筑抗震设计的定量影响，通常是将场地按场地土的等效剪切波速和场地覆盖厚度划分为四类，以便选用合理的设计参数和采取相应的抗震构造措施。场地类别划分是地震区的岩土工程勘察中的一项重要内容。1. 场地土剪切波速场地土是指场地范围内深度在20 m左右的地基土。场地土层的软硬对场地反应有较大影响，而它的软硬一般用其剪切波速来反应。(1) 对丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过30 m的丙类建筑，可不进行剪切波速测定，但应根据岩土名称和性状按表3-2估计各层土的

4、剪切波速。,3.1 场 地,表3-2 土的类型划分和剪切波速范围,为地基土静承载力特征值(kPa)；,为岩土剪切波速。,3.1 场 地,(2) 土层剪切波速测试孔的数量要求。在初步勘察阶段，对大面积的同一地质单元，测量土层剪切波速的钻孔数为控制性孔数的1/51/3，山间谷地可减少，但不少于3个；详勘时单幢建筑孔数不少于2个，对同一地质单元的密集建筑群孔数可减少，但每幢高层建筑不得少于一个。剪切波速试验方法可采用跨孔法、单孔法和面波法。各试验方法及要求详见有关的岩土工程勘察设计手册。(3) 根据各层土剪切波速计算场地土等效剪切波速。对于场地土为分层土时，需计算其等效剪切波速，等效剪切波速是规范规

5、定的计算深度范围内的一个假想波速。它通过计算深度所需的时间与计算深度范围内各层土对应的波速穿过相同深度的累计时间相同，即土层的等效剪切波速可按下列公式计算： (3-1) (3-2)式中： 土层等效剪切波速(m/s)； 计算深度(m)，取覆盖层厚度和20 m两者的较小值； 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； 计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s)。,3.1 场 地,2. 场地覆盖层厚度一般情况下，场地覆盖层厚度是指由地面至剪切波速大于500 m/s的土层或坚硬土(不应是孤石)顶面厚度。具体确定时应符合下列要求。(1) 当地面5 m以下存在剪切波速大于相邻上

6、层土剪切波速的2.5倍的土层且剪切波速及其以下各层的剪切波速均不小于400 m/s时，可取地面至该土层顶面的距离和地面至剪切波速大于500 m/s的坚硬土层基或岩层顶面距离二者中的较小值。(2) 剪切波速大于500 m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。(3) 厚度不大于5 m、剪切波速大于500 m/s和剪切波速大于400 m/s且大于相邻上层土剪切波速2.5倍的硬夹层，应视为刚体，从覆盖层中扣除，其厚度也不计入。3. 场地类别根据上述确定的场地土等效剪切波速和场地覆盖层厚度，按表3-3确定建筑场地类别。场地类别划分的原则是按地面加速度反应谱相近者划为一类。这样，对同一类的场地就可以用一个标

7、准反应谱确定建筑上的地震作用以进行抗震设计。但是，按表3-3确定场地类别时存在一个缺陷，就是当等效剪切波速与覆盖层厚度的值在分界线附近时，会因微小的差值得出不同的场地类别，从而导致地震作用的巨大差别，为了弥补这一缺陷，GB 500112001建筑抗震设计规范容许当有可靠的和值且其值在分界线附近(与分界线相差15%范围内)时，可以用插入法确定对应的值。,3.1 场 地,表3-3 建筑场地类别划分,3.1 场 地,3.1.3 发震断裂对工程影响的评价建筑场地范围内存在发震断裂时，应对发震断裂的工程影响进行评价。对符合下列规定之一的情况，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

8、度。(2) 非全新世活动断裂。(3) 抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于 60 m、90 m。对不符合本条(1)款规定的情况，应避开主断裂带，其避让距离不宜小于表3-4中对发震断裂最小避让距离的规定。,3.1 场 地,表3-4 发震断裂的最小避让距离 单位：m,【例3.1】 某场地钻孔地质资料见表3-5，试确定该场地类别。 表3-5 某场地钻孔地质资料,3.1 场 地,解：(1) 确定场地覆盖层厚度。由于砾石以下岩层500 m/s的条件，所以基岩以上的土层总厚度就是覆盖层厚度，即=27.5 m。(2) 计算等效剪切波速。计算深度取覆盖层厚度和20 m两者的较

9、小值，即=20 m，则根据覆盖层厚度和等效剪切波速，查表3-3可知场地类别为类。,3.1 场 地,3.2 天然地基和基础,3.2.1 地基基础抗震设计一般要求 在地震作用下，地基基础的受力状态会发生变化，表现为基底压力增加和地基土的承载力发生变化。因此，为确定地震时地基基础不发生过大变形和不均匀沉降，需选择合理的基础体系，同时还需进行必要的抗震验算。 (1) 同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基。 (2) 地基有软弱黏性土，可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强上部结构和基础的整体性和刚性。,3.2.2 可不进行地基基础抗震验

10、算的范围历次房屋震害调查表明，只有少数房屋是因为地基的原因而导致房屋破坏的，而这类地基多是液化地基、软弱黏性土和严重不均匀地基。大量的一般性地基具有较好的抗震性能，极少发生震害。因此，GB 500112001建筑抗震设计规范规定，对下列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) 地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的一般单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层且高度在25 m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(软弱黏性土层是指7度、8度和9度时，地基土承载力标准值分别小于80、100和120 kPa的土层)。(3) 本规范指定可不进行上部结构抗震验算的

11、建筑。,3.2 天然地基和基础,3.2.3 地基抗震承载力验算目前对地基基础的抗震性能的理解还比较肤浅，地基基础的抗震验算一般用不成熟的“拟静力法”。此法假定地震作用如同静力，一般只考虑水平方向的地震作用，只有个别情况下才计算竖向地震作用。承载力的验算方法与静力状态下的相似，即基础底面压力不超过承载力的设计值。验算时应采用地震作用效应标准组合计算基底压力，验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求。 (3-3) (3-4)式中： 基础底面平均压力(kPa)；基础底面边缘最大压力(kPa)；调整后的地基土抗震承载力设计值(kPa)；高宽比大于4的高层建

12、筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力，其他建筑基础底面与地基之间的零应力区面积不应大于基础底面积的15%。,3.2 天然地基和基础,3.2.4 地基土抗震承载力确定地基基础抗震验算时，地基土承载力需在静承载力的基础上乘以一个系数加以调整。一方面因为地震作用的偶然性与瞬时性，以及工程的经济性，认为抗震设计采用的安全系数可比静载时采用的安全系数略低；另一方面因为地震的快速反复变化作用使土来不及产生足够的变形，造成一般土在地震下强度比静载时稍高。因此，GB 500112001建筑抗震设计规范规定，在对天然地基础抗震验算时，地基土抗震承载力按下式计算 (3-5)式中： 调整后的地基抗震承载力设计值；

13、 地基抗震承载力调整系数，应按表3-6采用； 深宽修正后的地基承载力特征值，应按现行国家标准GB 500072002建筑地基基础设计规范采用。,3.2 天然地基和基础,表3-6 地基土抗震承载力调整系数,3.2 天然地基和基础,3.3 液化土地基,3.3.1 液化的机理及危害1. 液化的机理在地下水位以下饱和的砂土和粉土在地震作用下，土颗粒之间有变密的趋势，由于不能及时排水而使孔隙水压力表升，当孔隙水压力达到土粒间的有效压力时，土粒处于没有粒间压力传递的失重状态。粒间联系破坏，成为可以流动的液体，这种现象称为土的液化。根据土力学原理，土的液化是在地震作用时短时间失去强度的现象，其表达式可写成

14、(3-6)式中： 无黏性土的抗剪强度； 土体上覆压力； 孔隙水压力； 上覆有效压力； 无黏性土的内摩擦角。从式(3-6)可以看出，当孔隙水压力与上覆压力相等时，则变为零，土失去强度。,2. 液化的危害液化危害的表现形式主要有以下几种。(1) 液化时孔隙水压力急剧增高，地下水水头随之增高，当其高出地面时就形成先水后砂或水砂一齐涌出地面的喷水带砂现象。喷水带砂造成农田淤泥或大面积地面沉降。(2) 液化使地基土抗剪强度丧失，往往造成建筑物大量下沉或不均匀沉降，并引发建筑物的破坏甚至倒塌。(3) 液化土层多属河流中、下游的冲积层，若液化层面向河心有少许倾斜时，在液化之后，会导致已液化土层和上覆非液化土

15、层一齐流向河心，这种现象称为液化侧向扩展。天然或人工的含液化土的土坡，若其坡度较大，液化时也会产生大规模的滑坡，这种现象称为流滑。液化侧向扩展和流滑会造成地面开裂、桥梁破坏等。,3.3 液化土地基,3.3.2 液化判别与危害性分析1. 液化的判别液化判别以设防烈度为依据，对存在饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的地基，除6度设防外，应进行液化判别。对6度区一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉降敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理。液化判别可分初步判别和标准贯入试验判别两步进行。1) 初步判别满足下列条件之一者，应判为不液化。如不满足则再进行下一步判别。(1) 地质年代为第四纪晚更新世(Q

16、3)及以前时，7、8度可判为不液化。(2) 粉土的黏粒(粒径小于0.005 mm的颗粒)含量百分率在7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化。(3) 采用天然地基的建筑，当上覆可液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。,3.3 液化土地基,(3-7a) (3-7b) (3-7c)式中： 地下水位深(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位采用； 上覆可液化土层厚度(m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除； 基础埋置深度(m)，不超过2m时采用2m； 液化土特征深度(m)，可按表3-7采用。,3.3 液化土地基,表3-7 液化土特征深度/m

17、,3.3 液化土地基,2) 标准贯入试验判别凡不符合初判不液化标准的场地，应采用标准贯入试验进一步判别，当有依据时也可采用静力触探等其他判别方法。对一般基础判别深度为15 m，对桩基与深基础要求判别的最大深度为20 m。判别一个建设场地的液化可能性至少应布置三个标准贯入试验孔，当建筑物愈重要时，试验孔应愈多，而且，在布置钻孔时应尽量考虑土层的变化，使其具有更大的代表性。标准贯入试验是岩土工程中常用的一种原位测试方法，该试验在判别砂土和粉土液化时，必须满足三个要求，即自动落锤、回转钻进和泥浆护壁，不宜采用冲击钻进和拉绳非自动落锤等操作方法。孔内竖向测点间距一般为1 m。试验时先用钻具钻至试验土层

18、标高以上15 cm处，用质量为63.5 kg的穿心锤，以0.76 m的自由落距，将一定规格的标准贯入点先打入土中0.15 m，然后再打入0.3 m，记录0.3 m的锤击数，用N表示。当未经杆长修正的N小于下式计算的时，判为可液化土，否则为不液化土。,3.3 液化土地基,当 (3-8a)当 (3-8b)式中： 标准贯点入点深度(m)； 地下水位深度(m)； 土中黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时取3； 液化判别标准贯入锤击数基准值按表3-8采用。,3.3 液化土地基,表3-8 标准贯入锤击数基准值,注：括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15 g和0.30 g的地区。,3.3 液化土地基,2.

19、 液化危害性分析标准贯入试验是对可能液化土层柱状内间隔一定距离逐点进行判别，在一个土层柱状总的液化水平是场地液化危害程度评价的关键。一般液化土层土质越松，土层越厚，位置越浅，地震强度越高，则液化危害越大。GB 500112001建筑抗震设计规范采用液化指数来衡量液化危害程度。对存在液化土层的地基，按下式计算每个钻孔的液化指数： (3-9)式中： 液化指数；在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；、 分别为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； 点所代表的土层厚度(m)，可采用与该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；

20、 土层单位土层厚度的层位影响权函数值，若判别深度为15 m，当该层中点深度不大于5 m时应采用10，等于15 m时应采用零值，515 m时应按线性内插法取值；若判别深度为20 m，当该层中点深度不大于5 m时应采用10，等于20 m时应采用零值，5 m20 m时应按线性内插法取值。,3.3 液化土地基,液化指数反映了液化造成地面破坏的程度，液化指数越大，则地面破坏越严重，房屋的震害就越大。因此，根据液化指数按表3-9确定液化等级。,表3-9 液化等级,3.3 液化土地基,3.3.3 地基抗液化措施及选择依据1. 抗液化措施抗液化措施选择应根据建筑物重要性类别及地基的液化等级综合确定。当液化土层

21、较平坦且均匀时，宜按表3-10选用。,表3-10 抗液化措施选择原则,3.3 液化土地基,2. 具体抗液化措施的要求全部消除液化沉陷的措施，应符合下列要求。(1) 采用桩基时，桩端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，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬黏性土和密实粉土不应小于0.5 m，对其他非岩石土不应小于1.5 m。(2) 采用深基础时，基础底面埋入深度以下稳定土层中的深度不应小于0.5 m。(3) 采用加密法(如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等)加固时，应处理至液化深度下界，且处理后的土层的标准贯入锤击数的实测值，不宜大于相应的临界值。(4) 挖除全部液化土层。(

22、5) 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且不小于基础宽度的1/5。部分消除地基液化沉陷的措施，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15 m时，其值不宜大于4；当判别深度为20 m时，其值不宜大于5；对独立基础与条形基础，不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。,3.3 液化土地基,(2) 处理深度范围内，应挖除其液化土层或采用加密法加固，使处理后土层的标准贯入锤击数实测值不宜小于相应原临界值。(3) 基础边缘以外的处理宽度与全部消除地基液化沉陷时的要求相同。减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综

23、合考虑采用下列各项措施。(1) 选择合适的基础埋置深度。(2) 调整基础底面积，减少基础偏心。(3) 加强基础的整体性和刚性，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土十字形基础，加设基础圈梁、基础系梁等。(4) 减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。(5) 管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。【例3.2】 某场地设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.2，基础埋深2 m，地下水位深度=2 m。钻孔的地质资料见表3-11。试计算该场地液化指数并确定它的液化等级。,3.3 液化土地基,表3-11 钻孔的地质资料,3.

24、3 液化土地基,解：1) 计算各测点标准贯入锤击数临界值(1) 粉砂层 计算。查表3-8可知标准贯入锤击数基准值N0=10。代入式(3-8)，查求出各点锤击数临界值，并进行液化判别如下。 ，不液化。 ，液化。 ，不液化。 粉土层的黏粒含量百分率=13.5，可判为不液化土，故不必计算值。 细砂层计算。 ，液化。 ，液化。2) 计算液化指数并判定液化等级只需计算三个可液化的标准贯入试验点，计算结果见表3-12。,3.3 液化土地基,因为液化指数,=3.02在05之间，故该场地的液化等级属于轻微。,表3-12 液化指数及液化等级,3.3 液化土地基,因为液化指数,=3.02在05之间，故该场地的液化

25、等级属于轻微。,3.3 液化土地基,3.4 桩基的抗震验算,3.4.1 桩基不验算范围震害表明，平时主要承受竖向荷载的低承台桩基(桩基承台埋于地下)，其抗震效果较好。基于这种情况，GB 500112001建筑抗震设计规范规定，对低承台桩基当地面下无液化土层，且桩承台周围无淤泥、淤泥质土和地基土静载力标准值不大于100 kPa的填土时，下列建筑可不进行桩基抗震承载力验算。(1) 砌体房屋。(2) 7度和8度时的下列建筑：一般的单层厂房和单层空旷房屋；不超过11层且高度在25 m以下的一般民用框架房屋； 基础荷载与第项相当的多层框架厂房。当验算时，应进行效应组合，作用于桩基的作用效应采用地震作用标

26、准组合。,3.4.2 低承台桩基的抗震验算1. 非液化土中的桩基非液化土中低承台桩基的抗震验算方法与静载时的桩基验算相同，同时应符合下列规定。(1) 单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可比非抗震设计时提高25%。(2) 当承台周围的回填土夯实至干密度不小于GB 500072002建筑地基基础设计规范对填土的要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用，(或由经验公式求出分担比，或用法求土抗力或由有限元法计算)，但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力。,3.4 桩基的抗震验算,2. 存在液化土层的桩基存在液化土层的桩基抗震验算方法因桩与液化土的情况不同而异，一般分为下列两种情况。1) 多桩基

27、础的验算若采用打入式预制桩或其他挤土桩，当桩数超过55且平均桩距为2.54倍桩径时，则可考虑桩的挤土效应与遮栏效应的有利影响。按下列步骤对桩基进行验算：(1) 由按静载设计确定的桩数和置换率，按下式计算打桩后桩间土的标准贯入锤击数。 (3-10)式中： 打桩后的标准贯入锤击数； 打入式预制桩的面积置换率； 打桩前的标准贯入锤击数。,3.4 桩基的抗震验算,(2) 判定桩间土是否满足不液化的要求，即 。若小于，宜可增加桩数减小桩间距或以碎石桩等方法加密桩间土至满足上式要求。(3) 与非液化土中的桩基验算方法相同，校核单桩的竖向、水平向承载力及桩身强度。对单桩承载力不作折减。(4) 将桩基视为墩基

28、，墩的平面尺寸为桩平面的包络线，按地基规范校核下卧层地基的强度。2) 折减系数法验算液化土中的桩基当桩基不满足多桩基础所要求的条件，但桩承台底面上、下分别在厚度不小于1.5 m和1 m的非液化土或非软弱土时，可分两种情况分别对桩基进行验算，并按不利情况设计。(1) 桩承受全部地震作用，考虑到这种土尚未充分液化，桩承载力可按非液化桩基土规定的原则确定，但液化土层的桩周摩擦力、水平抗力均宜乘以液化影响折减系数，其值按表3-13采用。,3.4 桩基的抗震验算,表3-13 土层的液化影响折减系数,为液化土层的标准贯入锤击数实测值与相应的临界值之比。,3.4 桩基的抗震验算,(2) 部分地震作用验算。主

29、震后可能会发生余震，GB 500112001建筑抗震设计规范规定，这时地震作用按地震影响系数最大值的10采用，桩承载力仍可按非液化桩基规定的原则确定，但应扣除液化土层的桩周摩擦力和桩承台下2 m深度范围内非液化土层的桩周摩擦力。3.4.3 桩的构造要求液化土中的配筋范围应自桩顶至液化深度以下符合全部消除沉陷所要求的深度，其纵向钢筋与桩顶相同，箍筋应加密。即在液化层界面上下至少约2倍桩径范围内，纵筋与箍筋配置与桩顶相同。,3.4 桩基的抗震验算,3.5 习 题,1. 什么是场地，怎样划分场地的类别？2. 什么是土层等效剪切波速？什么是场地覆盖层厚度？3. 哪些建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载

30、力验算？天然地基及基础抗震承载力验算内容有哪些？4. 什么是土的液化？怎样判别土的液化？如何确定土液化的严重程度？5. 某场地典型地层条件如表3-14所示，试确定该场地类别。,表3-14 场地地质资料,注：11.0 m以下均为岩层，剪切波速为750 m/s 。,3.5 习 题,6. 某场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为 0.15 g。基础埋深在地面下2 m，场地地下水位深度为1.0 m，钻孔的地质材料如表3-15所示。试计算该场地液化指数并确定相应的液化等级。,表3-15 钻孔的地质资料,3.5 习 题,注：12 m以下黏土，钻孔20 m未钻穿。,3.5 习 题,