工程结构抗震设计原理第二章场地与地基基础抗震.ppt

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1、工程结构抗震设计原理,南京工业大学土木工程学院 2006.8,目录,第一章 地震工程学概论 第二章 场地与地基基础抗震 第三章 工程结构的地震反应分析 第四章 钢筋混凝土框架结构的抗震设计 第五章 砌体结构的抗震设计 第六章 工程结构隔震与消能减震简介,2.1 地震破坏作用,从破坏性质和工程对策角度，地震对结构的破坏作用可分为两种类型：场地、地基的破坏作用和场地的震动作用。,场地和地基的破坏作用一般是指造成建筑破坏的直接原因是由于场地和地基稳定性引起的。,为此要确定工程场地的设计地震动参数。,场地和地基的破坏作用大致有地面破裂、滑坡、坍塌等。,这种破坏作用一般是通过场地选择和地基处理来减轻地震

2、灾害的。,场地的地震动作用是指由于强烈地面运动引起地面设施振动而产生的破坏作用。,减轻它所产生的地震灾害的主要途径是合理的进行抗震和减震设计和采取减震措施。,第二章 场地与地基基础抗震,2.2 建筑地段的选择,工程地质条件对地震破坏的影响很大。,常有地震烈度异常现象，即,产生的原因是局部地区的工程地质条件不同。,“重灾区里有轻灾，轻灾区里由重灾”,地段划分,水边地的地下水位较高，土质也较松软，容易在地震时产生土壤滑动或地层液化。,山坡地在地震时会产生土壤滑动,用另外的土石來填补地基，常有土壤密实度不足情形，导致建筑物在地震时产生倾斜、沉陷。,冲积地的土质松软，地震时容易塌陷，如果此处有地下水层

3、，还容易发生液化。,临近悬崖，容易滑落,谷地或低地，这里的建筑物容易在地震发生时，受土石崩塌破坏。,萨尔瓦多地震引发了泥石流，数百户人家被埋在泥石里，估计有1200多人遇难,地裂,地段选择,1.选择有利地段；2.避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施；3.不在危险地段建设。,局部突出地形的影响,1994年云南昭通地震，芦家湾某村坐落于山梁上，山梁长150m，顶部最宽15m，最窄5m，高60m.距震中18km。,突出端部的最大加速度为0.632g,鞍部为0.257g，大山根部为0.431g。,烈度为9度,烈度为8度,烈度为7度,局部突出地形的影响,1.高突地形距离基准面的高度愈大，高处

4、的反应愈大；2.离陡坎和边坡顶部边缘的距离大，反应相对减小；3.在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大；4.高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明 显减小;5.边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。,局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数,-局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数,-局部突出地形地震动参数的增大幅度,-附加调整系数,发震断裂的影响,与地下断裂构造直接相关的地裂,与发震断裂间接相关的受应力场控制所产生的地裂,断裂带是地质上的薄弱环节，浅源地震多与断裂活动有关。,发震断裂带附近地表，在地震时可能产生新的错动，使建筑物遭受较大的破坏，属于地震危险地段。,建设时应避开。

5、,发震断裂带上可能发生地表错位的地段主要在高烈度区，全新世以来经常活动的断裂上面。,发震断裂的影响,场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价，并应符合下列要求：,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60m和90m。,2.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下表对发震断裂最小避让距离的规定。,2.3 建筑场地的类别划分,建筑场地指建筑所在地。大体相当于厂区、居民点和自然村的区域范围。,建筑场地按地震对建筑的影响划分

6、为4类。,建筑场地分类的指标是以场地土的类型和覆盖层的厚度。,场地土层的固有周期的简化计算公式为,单一土层时,多层土时,一、场地土层的固有周期与场地的地震效应,1.场地土层的固有周期,2.场地的地震效应,场地土对于从基岩传来的地震波具有放大作用。,坚硬土层上的刚性建筑、软弱土上的柔性建筑破坏严重。,二.建筑场地的类别,场地土的类型,场地类别,场地覆盖层厚度的确定：,1.一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面；,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

7、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。,土层的等效剪切波速,场地类别,例：已知某建筑场地的钻孔土层资料如表所示，试确定该建筑场地的类别。,解：,（1）确定地面下20m表层土的场地土类型,例：已知某建筑场地的钻孔土层资料如表所示，试确定该建筑场地的类别。,解：,（1）确定地面下20m表层土的场地土类型,（2）确定覆盖层厚度,（3）确定建筑场地类别,属于中软土,属于类场地,2.4 天然地基和基础,地基在地震作用下的稳定性对基础及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能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用

8、以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。,一、天然地基的震害特点,1.高压缩性饱和软粘土和承载力较低的淤泥质土在地震 中产生不同程度的震陷，造成上部结构的倾斜或破坏；,2.杂填土、回填土和冲填土等松软填土地基，土质松软 且承载力较低，易产生沉陷，使结构开裂；,3.沟、坑、古河道、坡地办挖半填等非匀质地基在地震 中的不均匀沉降或地裂缝引起上部结构破坏。,二.天然地基的抗震措施,1.软弱粘性土地基：,采用桩基，地基加固；,2.杂填土地基：,换土夯实；地基加固；,3.不均匀地基：,综合建筑体型、荷载、烈度、结构类型等采取合理的结构布局、地基抗震措施。,地基加固处理方法换

9、土垫层法重锤夯实法挤密桩法沉井预压法,三、地基基础抗震设计,1）同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；,2)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；,3)地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性；,4)根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算 时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能 反映地基基础在不同阶段上的工作状态。,地基基础抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力的。,1.地基基础抗震设计的一般要求,2.可不进行地基基础抗震验算的范围,由震害调查得到下面结论：,只有少数房屋是由地基的原因而导致

10、上部结构的破坏。,导致上部结构破坏的地基大多是液化地基、易产生震陷的软土地基和严重不均匀地基。,大量的一般性地基具有良好的抗震性能，极少发现因地基承载力不够而产生震害。,我国抗震设计规范对量大面广的一般地基和基础不作抗震验算，对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规定了相应的抗震措施，以避免或减轻震害。,2.可不进行地基基础抗震验算的范围,1)砌体房屋；,2)地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：1）一般的单层厂房和单层空旷房屋；2）不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋；3）基础荷载与2）项相当的多层框架厂房。,3)规范规定可不进行上部结构抗震验算的建

11、筑。,3.天然地基地震作用下的承载力验算,采用“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要求,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；其它建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。,4.地基土抗震承载力确定,地基抗震承载力在静力设计承载力基础上调整。,调整的出发点：,1）地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；,2）多数土在有限次的动载下，强度较静载下绍高。,4.地基土抗震承载力确定,式中,faE-调整后的地基抗震承载力设计值-地基抗震承载力调整系数fa-深宽修正后的地基承载力特征值，按建筑地基基础设计规范GB5

12、0007采用,2.5 场地土的液化与抗液化措施,一.场地土的液化现象与震害,处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性。这种现象称为液化。,液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。,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

13、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；沿河岸出现裂缝、滑移，造成桥梁破坏，等等。,液化使建筑物产生下列震害：,1.地面开裂下沉使建筑物产生过渡下沉或整体倾斜；,2.不均匀沉降引起建筑物上部结构破坏，使梁板等 水平构件及其节点破坏，使墙体开裂和建筑物体 形变化处开裂；,3.室内地坪上鼓、开裂，设备基础上浮或下沉。,影响场地土液化的主要因素：,1.土层的地质年代；,2.土层的土粒的组成和密实程度；,3.砂土层埋置深度和地下水位深度；,4.地震烈度和地震持续时间。,二.液化判别与危害程度估计,1、液化判别和处理的一般原则：,1）对存在饱和砂土和

14、粉土（不含黄土）的地基，除6度外，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，但对液化敏感的乙类 建筑可按7度的要求进行判别和处理。,2）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。,2、液化判别和危害性估计方法,对一般工程项目砂土或粉土液化判别及危害程度估计可按以下步骤进行：,1）初判,以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件。,（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8 度可判为不液化；,（2）当粉土的粘粒（粒径小于0.005mm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

15、不液化；,（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和 地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液 化影响。,-上覆非液化土层厚度（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；,-地下水位深度（m)，宜按建筑使用期内年平均最 高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；,-液化土特征深度（m)，按右表采用。,上面判别式（db=2)亦可用下图表示：,砂土,db2时，在du、dw中减去（db-2)后再查图确定。,查液化土特征深度表,例1 图示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，地下水位深度为dw=6m.基础埋深db=2m,该场

16、地为8度区。确定是否考 虑液化影响。,解：按判别式确定,需要考虑液化影响。,例1 图示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，地下水位深度为dw=6m.基础埋深db=2m,该场地为8度区。确定是否考虑液化影响。,解：按土层液化判别图确定,需要考虑液化影响。,du=5.5m,dw=6m,查液化土特征深度表,解：按判别式确定,不满足判别式，需要进一步判别是否考虑液化影响。,例2 图示为某场地地基剖面图上覆非液化土层厚度du=5.5m，其下为沙土，地下水位深度为dw=6m.基础埋深db=2.5m,该场地为8度区。确定是否考虑液化影响。,解：按土层液化判别图确定,需要进一步判别

17、是否考虑液化影响。,2）细判,采用标准贯入试验判别,钻孔至试验土层上15cm处,用63.5公斤穿心锤，落距为76cm，打击土层，打入30cm所用的锤击数记作N63.5，称为标贯击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定是否会液化。,1-穿心锤2-锤垫3-触探杆4-贯入器头5-出水孔6-贯入器身7-贯入器靴,规范规定,当饱和可液化土的标贯击数N63.5的值小于Ncr值时，判为液化，否则判为不液化。,-地下水位深度（m),-饱和土标准贯入试验点深度（m),-液化判别标准贯入锤击数基准值，按下表采用。,-粘粒含量百分率，当小于3或是砂土时，均应取3。,括号内数值用于设计基本地震加速度为0.

18、15和0.3g的地区,3.液化场地危害程度的确定,采用土层柱状液化等级判定。,-判别深度内每一个钻孔标准贯入试验点总数；,-分别为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取临界值的取值；,-第i点所代表的土层厚度（m)；,-第i层考虑单位土层厚度的层位影响权系数。若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时采用10，等于15m时应取零值,515m时应按线性内插值法取值;若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时采用10，等于20m时应取零值，520m时应按线性内插值法取值。,液化指数,由液化指数，按下表确定液化等级,液化等级与相应的震害,三、抗液化措施及选择,当液化土层

19、较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施,采用桩基时，桩端深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，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.5m，对其他非岩石尚不应小于1.5m；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0.5m；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，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值不宜大于相应的临界值m；挖除全部液化土层；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。,1、全部消除地基液化沉陷的措施应符合：,2

20、、部分消除地基液化沉陷的措施应符合：,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4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5；对独立基础与条形基础，尚不应小于基础底面下液化特征深度和基础宽度的较大值。,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小于相应的临界值。,3）基础边缘以外的处理宽度与全部清除地基液化沉陷时的要求相同。,1)选择合适的基础埋置深度；,5)管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。,3.减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综合考虑采用下列措施：,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、基础梁系等；,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；,