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1、第三章 地基和基础的抗震设计学习目的1、了解场地分类的目的和选择建筑物地的原则。掌握建筑场地类别划分标准。2、掌握地基基础抗震验算的方法，且要熟悉不需要作抗震验算的建筑。学习重点1、掌握建筑场地类别划分标准和地基基础抗震承载力验算方法。l第三章 地基与基础的抗震设计l l3-1 建筑场地 地震对建筑物的破坏作用是通过场地、地基和基础地震对建筑物的破坏作用是通过场地、地基和基础传递给上部结构的；同时，场地与地基在地震时又支撑传递给上部结构的；同时，场地与地基在地震时又支撑着上部结构，因此具有双重作用。任何一个建筑物，都着上部结构，因此具有双重作用。任何一个建筑物，都坐落和嵌固在建设场地的岩土地基
2、上。研究工程在地震坐落和嵌固在建设场地的岩土地基上。研究工程在地震作用的震害形态、破坏机理，以及抗震设计等问题，都作用的震害形态、破坏机理，以及抗震设计等问题，都离不开对场地土和地基的研究，而研究场地和地基在地离不开对场地土和地基的研究，而研究场地和地基在地震作用下的反应及其对上部结构的影响，正是场地抗震震作用下的反应及其对上部结构的影响，正是场地抗震评价的重要任务。通过对地震地质、工程地质、地形地评价的重要任务。通过对地震地质、工程地质、地形地貌以及岩土工程环境等场地条件的分析，研究场地条件貌以及岩土工程环境等场地条件的分析，研究场地条件对基础和上部结构震害的影响，从而合理地选择有利建对基础
3、和上部结构震害的影响，从而合理地选择有利建筑场地以及地基或结构抗震措施，避免和减轻地震对建筑场地以及地基或结构抗震措施，避免和减轻地震对建筑物或工程设施的破坏。筑物或工程设施的破坏。 l l一、场地一、场地一、场地一、场地 什么是场地呢什么是场地呢? ? 场地是指建筑物所在地，在平面上大体相当于厂区，场地是指建筑物所在地，在平面上大体相当于厂区，居民区或自然村以及一平方公里大小的区域范围。在此居民区或自然村以及一平方公里大小的区域范围。在此范围内，岩土的性状和土层覆盖厚度大致相近。范围内，岩土的性状和土层覆盖厚度大致相近。 场地土则是指场地范围内的地基上。场地土则是指场地范围内的地基上。 历次
4、震害现象表明，不同工程地质条件的场地上，历次震害现象表明，不同工程地质条件的场地上，建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。 另一方面，由于建设用地受到地震以外的许多因素另一方面，由于建设用地受到地震以外的许多因素的限制，除了极不利和有严重危险性的场地以外往往是的限制，除了极不利和有严重危险性的场地以外往往是不能排除其作为建设用场地的。这样就有必要按照场地、不能排除其作为建设用场地的。这样就有必要按照场地、地基对建筑物所受地震破坏作用的强弱和特征进行分类，地基对建筑物所受地震破坏作用的强弱和特征进行分类，以便按照不同场地特点采取抗震措施，这就是地震区场以便按
5、照不同场地特点采取抗震措施，这就是地震区场地选择与分类的目的。地选择与分类的目的。 一般认为，对抗震有利的地段是指地震时地面无残余变形的坚一般认为，对抗震有利的地段是指地震时地面无残余变形的坚硬或开阔平坦密实均匀的中硬土范围或地区；而不利地段为可能硬或开阔平坦密实均匀的中硬土范围或地区；而不利地段为可能产生明显变形或地基失效的某一范围或地区；危险地段指可能发产生明显变形或地基失效的某一范围或地区；危险地段指可能发生严重的地面残余变形的某一范围或地区，生严重的地面残余变形的某一范围或地区，抗震规范抗震规范给出有给出有利、不利、危险地段的划分。利、不利、危险地段的划分。 在选择建筑场地时，应根据工
6、程需要，掌握地震活动情况和在选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，做出综合评价，宜选择有利的地段，避开工程地质的有关资料，做出综合评价，宜选择有利的地段，避开不利的地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施；不应在危险不利的地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施；不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。地段建造甲、乙、丙类建筑。 l l二、场地类别二、场地类别二、场地类别二、场地类别l l1 1、场地土类型、场地土类型 在研究场地类别之前，先来看一下场地土的类型，如前所述，在研究场地类别之前，先来看一下场地土的类型，如前所述，场地土对建筑物震害的影响，主要取决于土的坚硬
7、程度场地土对建筑物震害的影响，主要取决于土的坚硬程度( (也称刚也称刚性性) )，土的刚性一般用土的剪切波速来表示，因为剪切波速是土，土的刚性一般用土的剪切波速来表示，因为剪切波速是土的重要动力参数，最能反映场地土的动力性能。故场地土可根据的重要动力参数，最能反映场地土的动力性能。故场地土可根据工程地质资料按剪切波速来分类。工程地质资料按剪切波速来分类。l l2 2、场地覆盖层厚度、场地覆盖层厚度 许多震害表明，建筑物的震害一般随场地土覆盖层厚度的增许多震害表明，建筑物的震害一般随场地土覆盖层厚度的增加而加重。加而加重。( (如如19761976年唐山大地震，市区西南部基岩深度达年唐山大地震，
8、市区西南部基岩深度达 500500800mm800mm，房屋倒塌近，房屋倒塌近100%100%，而市区东北部一带，则因覆，而市区东北部一带，则因覆盖层较薄，多数厂房虽然也位于极震区，但房屋倒塌率仅盖层较薄，多数厂房虽然也位于极震区，但房屋倒塌率仅50%50%。) )从理论上讲，当下层波速比上层波速大得多时，下层可以当作从理论上讲，当下层波速比上层波速大得多时，下层可以当作基岩，这时从地表反射回来的地震波到达岩土界面时将向上反射，基岩，这时从地表反射回来的地震波到达岩土界面时将向上反射，这个分界面的埋深就是所谓覆盖层厚度或土层厚度。但实际上，这个分界面的埋深就是所谓覆盖层厚度或土层厚度。但实际上
9、，地层的刚度往往是逐渐变化的，如果要求波速比很大时才能当作地层的刚度往往是逐渐变化的，如果要求波速比很大时才能当作基岩，覆盖层势必很厚。基岩，覆盖层势必很厚。 另一方面，由于对建筑物破坏作用最大的主要是地震波中的另一方面，由于对建筑物破坏作用最大的主要是地震波中的中短周期成分，而深层介质对这些成分的影响并不很显著。基于中短周期成分，而深层介质对这些成分的影响并不很显著。基于这些考虑，这些考虑，抗规抗规将覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：将覆盖层厚度的确定，应符合下列要求： (1)(1)一般情况下，应按地面至剪切波速大于一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s500m/s的土层顶的土层顶面
10、的距离确定。面的距离确定。 (2)(2)当地面当地面5m5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.52.5倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速不小于倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速不小于400m/s400m/s时，可按地时，可按地面至该地层顶面的距离确定。面至该地层顶面的距离确定。 (3)(3)剪切波速大于剪切波速大于500m/s500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层的孤石、透镜体，应视同周围土层。 (4)(4)土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土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。层中扣除。l l3 3、土层等效
11、剪切波速、土层等效剪切波速 地表土层的组成通常较为复杂，只有单一性质场地的情况是地表土层的组成通常较为复杂，只有单一性质场地的情况是很少见的，所以场地土的类型，可按土层剪切波速的平均采用更很少见的，所以场地土的类型，可按土层剪切波速的平均采用更有物理意义的等效剪切波速的公式计算。有物理意义的等效剪切波速的公式计算。l l式中：式中： VseVse土层等效剪切波速土层等效剪切波速( (m/sm/s) ) d dO O计算深度计算深度( (取覆盖层厚度和取覆盖层厚度和20m20m二者的较小者二者的较小者)(m)(m) t t剪切波在地面至计算深度之间的传播时间。剪切波在地面至计算深度之间的传播时间
12、。 d di i计算深度范围内第计算深度范围内第i i层土的厚度层土的厚度(m) (m) V Vsi si计算深度范围内第计算深度范围内第i i层土的剪切波速层土的剪切波速( (m/sm/s) ) n n计算深度范围内土层的分层数。计算深度范围内土层的分层数。l l4、场地类别 场地条件对地震的影响已为多次大地震所证实，场地类别是场地条件的表征。为了便于正确的选择场地，减轻震害，同时场地分类也是为了反映不同场地上设计反应谱，在地震作用下定量考虑场地条件对设计参数的影响，抗震规范提出：建筑的场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分为、类。 各类建筑场地的覆盖层厚度（m）l l3-2 3
13、-2 地基和基础的抗震设计地基和基础的抗震设计 地基在地震作用下的稳定性对基础结构乃至上部结构的内力地基在地震作用下的稳定性对基础结构乃至上部结构的内力分布是比较敏感的。因此，确保地震时地基基础始终能够承受上分布是比较敏感的。因此，确保地震时地基基础始终能够承受上部结构传来的竖向地震作用，水平地震作用以及倾覆力矩，而不部结构传来的竖向地震作用，水平地震作用以及倾覆力矩，而不发生过大的沉陷或不均匀沉陷是地基基础抗震设计的一个基本要发生过大的沉陷或不均匀沉陷是地基基础抗震设计的一个基本要求。求。 根据震害规律，地基和基础的抗震设计是通过选择合理的基根据震害规律，地基和基础的抗震设计是通过选择合理的
14、基础体系、地基土的抗震承载力验算、地基基础抗震措施来保证其础体系、地基土的抗震承载力验算、地基基础抗震措施来保证其抗震能力。抗震能力。l l一、可不进行地基基础抗震验算的范围一、可不进行地基基础抗震验算的范围一、可不进行地基基础抗震验算的范围一、可不进行地基基础抗震验算的范围 从我国历次强震中遭受破坏的建筑来看，只有少数建筑物是从我国历次强震中遭受破坏的建筑来看，只有少数建筑物是因为地基的原因而导致上部结构破坏的，而且这类地基主要是液因为地基的原因而导致上部结构破坏的，而且这类地基主要是液化地基、易产生震陷的软弱粘性土地基和严重不均匀地基。大量化地基、易产生震陷的软弱粘性土地基和严重不均匀地基
15、。大量的一般地基具有良好的抗震性能，极少发现因地基承载力不足而的一般地基具有良好的抗震性能，极少发现因地基承载力不足而导致上部结构破坏的震害现象。基于上述事实，我国导致上部结构破坏的震害现象。基于上述事实，我国抗震规范抗震规范对于量大面广的一般地基，地基和基础都不做抗震验算。而对对于量大面广的一般地基，地基和基础都不做抗震验算。而对于容易产生地基基础震害的液化地基、软土地基和严重不均匀地于容易产生地基基础震害的液化地基、软土地基和严重不均匀地基，则规定了相应的抗震措施，以避免或减轻震害。基，则规定了相应的抗震措施，以避免或减轻震害。抗震规范抗震规范规定，下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载
16、力验算：规定，下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：l l1 1、砌体房屋；、砌体房屋；、砌体房屋；、砌体房屋；l l2 2、地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、单层空矿房屋和不超过单层空矿房屋和不超过单层空矿房屋和不超过单层空矿房屋和不超过8 8层且高度在层且高度在层且高度在层且高度在25m25m以下的一般民用框架房以下的一般民用框架房以下的一般民用框架房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
17、厂房；屋及与其基础荷载相当的多层框架厂房；屋及与其基础荷载相当的多层框架厂房；屋及与其基础荷载相当的多层框架厂房；l l 3 3、本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。、本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。、本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。、本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。(6(6度时，建度时，建造于造于类场地土上较高的高层建筑与高耸结构以外的建筑类场地土上较高的高层建筑与高耸结构以外的建筑) ) l l二、天然地基抗震承载力验算二、天然地基抗震承载力验算二、天然地基抗震承载力验算二、天然地基抗震承载力验算l l1 1、天然地基的抗震验算、天然地基的抗震验算l l
18、 在地震作用下，为了保证上部结构的安全，仅对地基的有关在地震作用下，为了保证上部结构的安全，仅对地基的有关要求而言，和静力计算一样，应该同时满足地基变形和承载力两要求而言，和静力计算一样，应该同时满足地基变形和承载力两个条件要求。但是，由于在地震作用下地基变形过程十分复杂，个条件要求。但是，由于在地震作用下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，因此目前还没有条件进行这方面的定量计算，因此抗震规范抗震规范只要只要求对地基土进行抗震承载力验算，至于地面变形验算，则是通过求对地基土进行抗震承载力验算，至于地面变形验算，则是通过对上部结构或地基采取一定的抗震措施来弥补。一般地基是由
19、对上部结构或地基采取一定的抗震措施来弥补。一般地基是由、类场地土构成的，这类场地土具有良好的抗震性能。可作类场地土构成的，这类场地土具有良好的抗震性能。可作为天然地基。天然地基土的抗震承载力验算，一般采用为天然地基。天然地基土的抗震承载力验算，一般采用“ “拟静力拟静力法法” ”。 此法假定地震作用如同静力作用，然后在静力作用条件下验此法假定地震作用如同静力作用，然后在静力作用条件下验算地基及基础的承载力和稳定性。验算天然地基地震作用下的竖算地基及基础的承载力和稳定性。验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，作用于建筑物上的各类荷载与地震作用向承载力时，作用于建筑物上的各类荷载与地震作用( (一
20、般只考一般只考虑水平地震作用虑水平地震作用) )组合后，在基础底面所产生的压力可认为呈直组合后，在基础底面所产生的压力可认为呈直线分布。其平均压力线分布。其平均压力P P和边缘最大压力和边缘最大压力P Pmaxmax应符合下列要求应符合下列要求, ,如图如图3-13-1所示：所示：PfPfaEaEP Pmaxmax1.2f1.2faEaE 式中： P基础底面平均压力(KPa) Pmax基础底面边缘最大压力(KPa) faE调整后的地基抗震承载力特征值。图3-1 地震作用标准组合作用下基础底面压力l l2、地基土抗震承载力确定 世界上多数国家抗震规范在验算地基上的抗震强度时，抗震允许承载力都采用在静力设计承载力的基础上乘以一个系数的方法加以调整，考虑调整的出发点是：(1)地震是偶发事件，是特殊荷载，历时短暂因而地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；(2)地震是有限次数不等幅的随机荷载，其等效循环荷载不超过十几次到几十次，而多数土在有限次数的动载下强度较静载下稍高。基于这两方面原因，新规范延续采用抗震承载力与静力允许承载力的比值作为地基土承载力调整系数，其值也可通过动静强度之比求得： l l抗震规范抗震规范规定，地基土抗震承载力按下式计算规定，地基土抗震承载力按下式计算
