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1、第2章 场地与地基第1页，本讲稿共36页2.1 场地划分与场地区划 n场地：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、自然村的或不小于1.0km2的平面面积。(规范中的定义)n场地土：在场地范围内的地基土。场地土是场地表层土的简称。n场地的以下方面对地震灾害有显著影响n(a)地形条件；n(b)地质构造；n(c)地下水位；n(d)场地土类别对。第2页，本讲稿共36页2.1.1场地及其地震效应场地土与震害的一般关系场地土对建筑物的震害，主要与场地土的坚硬程度和土层的组成有关。n在同一地震和同一震中距离时，软弱地基地面的自震周期长，振幅大，震动持续时间长，震害也重(地基的震害
2、)。n软弱地基上的建筑物震害比坚硬地基上的严重(上部结构的震害)。n坚硬土层上的刚性建筑、软弱土上的柔性建筑破坏严重。第3页，本讲稿共36页评价依据：场地土地刚性和厚度n1.覆盖层厚度：覆盖层越厚，震害越大。n2.场地土的刚性(硬度和密度)n场地土的刚性根据土层剪切波速来划分等级。n剪切波速综合反应了场地土硬度和密度，是最能够综合反应场地土动力特性的参数。n 3.岩土阻抗比影响共振效应影响地震效应的三个主要因素第4页，本讲稿共36页2.1.2 场地覆盖层厚度 n覆盖层厚度：从地表到剪切波速为500m/s的坚硬土层或岩层的距离 第5页，本讲稿共36页振动的周期与频率 n振动周期：完成一次振动需要
3、的时间n振动频率：单位时间内的振动次数n周期1/频率n自由振动：体受初始激励后发生的振动。n固有周期(频率)：物体自由振动的周期(频率)n建筑物基本周期：建筑物的固有周期有多个，其中最大的一个称为建筑物基本周期。它只与建筑物本身的动力特性有关，与外力无关。n场地的固有周期：场地的自由振动周期n地震的卓越周期：地面运动主要周期。与场地的固有周期，以及距震中的距离有关。第6页，本讲稿共36页地震动卓越周期地震动三要素：最大幅值;频率成分;持续时间。n地震动的卓越周期n地震动中含有各种频率成分在岩层中地震频谱上与最大频率分量对应的周期。卓越周期是地震的固有特性。n震中距远卓越周期长：地震传播到建筑物
4、的场地时，因途中阻尼作用，高频成分多被衰减。n场地土软卓越周期长：场地的固有周期长的原因。第7页，本讲稿共36页场地固有周期与特征周期n场地的固有周期 4土层厚度/剪切波速n场地固有的动力特性。与具体的地震无关n剪切波速越大、场地的固有周期越短。n覆盖层厚度越大、场地的固有周期越长。n建筑物固有周期与场地固有周期接近时，振害会加大。n场地的特征周期：考虑了近震、远震影响同时考虑场地条件后确定的设计参数。第8页，本讲稿共36页地面运动与建筑物的反应n深圳地王大厦在地震Kobel下的加速度响应和反应功率谱n加速度的衰减是由阻尼决定的，帝王大厦的阻尼比较小，所以衰减比较慢。n地震响应频率主要在0.5
5、2Hz左右，远离其基本频率0.3。第9页，本讲稿共36页场地土覆盖层厚度与建筑物的破坏n建筑物破坏的峰值点是其基本周期与场地的固有周期吻合的结果。覆盖层越厚刚度越小，固有周期越大第10页，本讲稿共36页1.一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面，或者基岩的距离作为覆盖层厚度；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 的下卧土层，且下卧土层的剪切波速不小于400m/s时，可按地面至该下卧土层顶面的距离确定；3.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，其厚度应从覆盖土层中扣除。确定场地土覆盖层厚度的方法
6、第11页，本讲稿共36页2.1.3 场地类别 n不同场地的频谱特性有很大差异n土质越硬、土质越好，剪切波传播速度越快n所以可利用剪切波速反应场地的好坏。第12页，本讲稿共36页剪切波在各种土中的传播 n土质越硬、土质越好，剪切波传播速度越快。淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，的填土，流塑黄土的填土，流塑黄土软弱土软弱土稍密的的砾、粗、中砂稍密的的砾、粗、中砂,除松散外的细、粉砂除松散外的细、粉砂,可塑黄土可塑黄土,的粘性土和粉土的粘性土和粉土,的填土的填土中软土中软土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，中密、稍密的碎石
7、土，密实、中密的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土，坚硬黄土的粘性土和粉土，坚硬黄土中硬土中硬土稳定岩石，密实的碎石土稳定岩石，密实的碎石土坚硬土坚硬土或岩石或岩石等效剪切波等效剪切波速范围速范围(m/s)岩土名称和性状岩土名称和性状土的土的类型类型-地基土静承载力标准值地基土静承载力标准值第13页，本讲稿共36页剪切波速的试验和计算 n剪切波速的数据需要通过现场实测获得。n实测方法有：跨孔法、单孔法和面波法。n等效剪切波速：场地土是分层的，每层中剪切波速都不同，所以场地土的剪切波速就用一种平均的或等效的剪切波速来综合描述，称为等效剪切波速。n 等效剪切波速需要用规范中公试计算第14页，本讲稿共36
8、页剪切波速的现场测试L第15页，本讲稿共36页等效剪切波速的计算公试n注意：计算时用计算深度，查表时用覆盖层厚度。第16页，本讲稿共36页关于剪切波速的若干说明 n计算公式就是距离除以时间得到速度。n第二式中实际上是剪切波穿过各层时间的和。n其中d0采用20m和覆盖层厚度两者之间最小的。89规范中采用15m。n每层土的剪切波速要采用试验来确定。如果没有实测资料时，对于丙丁抗类建筑，可以采用下表通过岩土名称和性状确定剪切波速 第17页，本讲稿共36页划分场地类别的方法小结n1确定场地覆盖层厚度和计算深度d0n2根据实测的土层剪切波速资料获得等效剪切波速。(2.1)n3用覆盖层厚度查表2-2获得场
9、地类别。第18页，本讲稿共36页场地土类别的计算实例第19页，本讲稿共36页场地土类别的计算实例第20页，本讲稿共36页场地土类别的计算实例第21页，本讲稿共36页例：已知某建筑场地的钻孔例：已知某建筑场地的钻孔土层资料如表所示，试确定土层资料如表所示，试确定该建筑场地的类别。该建筑场地的类别。层底深度层底深度(m)土层厚度土层厚度(m)土的名称土的名称剪切波速剪切波速m/s9.59.5砂砂17037.828.3淤泥质粘土淤泥质粘土13043.65.8砂砂24060.116.5淤泥质粘土淤泥质粘土200632.9细砂细砂31069.56.5砾混粗砂砾混粗砂520解：解：（1 1）确定地面下）确
10、定地面下2020m m表层土表层土的场地土类型的场地土类型（2 2）确定覆盖层厚度）确定覆盖层厚度（3 3）确定建筑场地类别）确定建筑场地类别属于中软土属于中软土属于属于类场地类场地第22页，本讲稿共36页2.1.4 场地区划n略 对于对于类场地，第一、二、三组类场地，第一、二、三组的设计特征周期分别为：的设计特征周期分别为：0.350.35s s、0.40s0.40s、0.45s.0.45s.第23页，本讲稿共36页2.2 地基抗震验算地基和基础的震害n震害调查表明，震害的形式是不均匀沉降或液化失稳，极少发现一般工业与民用建筑因地基承载力不足而发生震害。n因基础破坏而导致的破坏就更少。n一般
11、土地基与基础地震破坏的可能性比静力作用时大大降低。原因有三：n1.地基在设计时有较大的安全储备；n2.长期的固结作用，使地基承载力有所提高；n3.地震是持时较短的动力作用。第24页，本讲稿共36页软土地基及其抗震设计原则n软土地基在地震作用下可能部分或全部丧失承载力。或产生不均匀沉降。n软土地基需要处理并且需要验算。n采用桩基础和深基础是最有效的方法。第25页，本讲稿共36页(1)软土地基及其抗震特点n软弱地基指主要由淤泥、淤泥质土、充填土和杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。n软弱地基不能不加处理直接作为天然地基。n软土地基的影响n稳定方面：不均匀沉降，液化 n动力方面：自振周期长，振幅大，
12、衰减慢。n软土的破坏特点：震陷、液化、滑动、开裂。第26页，本讲稿共36页(2)一般地基土一般地基土上的建筑很少有因地基承载力不足而导致上部结构的破坏n不进行天然地基及基础抗震验算的建筑n1.砌体房屋。其上部结构的抗震能力很小。n2.主要受力层范围内不存在软弱土层的某些建筑。n8层、高度25m以下的一般民用框架房屋n一般厂房和但曾空旷厂房n3.规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。n注意：不进行抗震承载力验算，不等于不进行抗震设计。尽管不验算还是要采取适当的抗震措施。n在其它情况下，还是要进行地基的抗震承载力验算。原因是，尽管地基的承载力有所提高，但与此同时，地震作用会在地基上施加附加的荷载
13、，如果原有荷载加上附加荷载超过了地基承载力(尽管是提高了)，同样会使地基失效。第27页，本讲稿共36页2.2.2 地基土抗震承载力n地基土抗震承载力一般大于静承载力，但是这并不意味着地震时地基会更安全。因为地震作用大于静力作用。n地基土抗震承载力为静承载力抗震承载力提高系数 第28页，本讲稿共36页地基抗震承载力的特点n地基土的抗震承载力比静承载力大。动荷载之下都有这个问题。动荷载的峰值尽管大，但是持续时间很短。n土的强度随加载速率的增加而提高，无粘性土提高较少，粘性土则大幅度提高试验研究的结果。n影响土承载力的重要因素是内摩擦角和地震系数，理论研究表明，随着地震作用的加强，地基的承载力将有明
14、显下降。我们考虑软土的灵敏度，在地震的扰动下，引起其承载力的下降。n地基地震作用下的可靠性可以比静力荷载下的适当降低。原因是地震作用随机性强、偶然性、短暂性，同时考虑工程结构的经济性。n两个相反因素共同作用的结果，承载力提高或不降低。第29页，本讲稿共36页2.2.3 地基抗震验算n设计与验算过程n根据静力需要设计基础尺寸n根据静力计算/验算地基的承载力和沉降量n验算地基的抗震承载力n1.地基抗震承载力验算时，要把地震作用与其它荷载进行组合。组合后再验算地基承载力。n2.假设基础底面所产生的压力是直线分布的，验算底面的平均压力p和基础边缘最大压力pmax。第30页，本讲稿共36页第31页，本讲
15、稿共36页地基抗震承载力验算地基抗震承载力验算地基抗震承载力验算地基抗震承载力验算采用采用“拟静力法拟静力法”规范规定：基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式规范规定：基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式式中式中p-基础底面地震效应组合的平均压力（基础底面地震效应组合的平均压力（kPa)kPa)pmaxmax基础底面边缘地震效应组合的最大压力基础底面边缘地震效应组合的最大压力(kPa)kPa)faEaE-地基土抗震允许承载力地基土抗震允许承载力除此以外尚要求：高宽比大于4的高层建筑，基底不宜出现拉应力其他基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基底面积的15%。第32页，本讲稿共36页2
16、.3.1 地基土的液化 n砂土液化(直接液化)的原因：饱和砂土诱导振动后趋于密实，导致土体中孔隙水压力骤然上升，减小了有效应力，降低了土体的抗剪强度。在周期性的振动作用下，孔隙水压力逐渐积累(来不及耗散)，最终导致有效应力为零，完全丧失抗剪强度，土颗粒处于悬浮状态。注意：砂土的c=0。土颗粒处于悬浮状态液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。第33页，本讲稿共36页 唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂量0.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。液化的震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，淘空路基；液化的震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，淘空路基；沿河岸出现裂缝、滑移，造成桥梁破坏等。沿河岸出现裂缝、滑移，造成桥梁破坏等。第34页，本讲稿共36页液化的影响因素n土层的地质年代：越久越不容易；n土的相对密度：越大越不容易；n粘性颗粒含量：越高越不容易液化；n砂土层埋深：越大越不易n地下水位：越高越不易n地震烈度：越小越不容易液化 n持时：越短越不容易液化；第35页，本讲稿共36页nEND第36页，本讲稿共36页