《土力学与地基基础》第十一章 地震区的地基基础.docx

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《土力学与地基基础》第十一章地震区的地基基础

第11章地震区的地基基础

1、地震的成因类型

地震按其成因，可分为下列4类：

（1）构造地震

由地壳的构造运动，使岩层移动和断裂，积累的大量能量释放山来，引起地壳振动，称为构造地震。

这种地震的持点：

震动强烈，时间长，具有突发性与灾害性，影响范围广，世界上有90％的地震属于此类地震。

例如，我国1966年河北邢台地震、1970年云南通海地震、1975年辽宁海城地震、1976年河北唐山地震与1988年云南澜沧耿马地震，以及1994年美国北里奇地震和1995年日本阪神地震都属于构造地震。

（2）火山地震

出火山活动引起的地震，称为火山地震。

当高温的岩浆与炽热的气体从火山口喷发出来

时，也能引起地壳的振动。

这类地震占世界地震次数的7％左有，多发生在日本、意大利和印尼等国家。

火山地震能量有限，强度不大，影响范围小。

（3）陷落地震

由地下溶洞塌陷、崩塌或大滑坡等冲击力引起的地震，称为陷落地震。

这类地震次数少，

只占世界地震次数的3％左右。

陷落地震强度微弱，影响范围只有几km。

（4）激发地震

出于人类活动破坏了地层原来的相对稳定性引起的地震，称为激发地震。

例如，修大型水库蓄水（相当于库区地面大范围加水压力）。

深井注水以及核爆炸等所引起的地震。

广东省某大型水库蓄水后，常发生激发地震。

2、地震震级

地震震级是表示地震本身强度大小的等级，作为衡量震源释放出能量大小的一种量度。

每一次地震，具有一个震级，地震震级与能量的关系和地震大小分类。

震级每增加—级，能量约增加32倍。

世界上已知的最大震级为8．6级。

最

早的原子弹爆炸所释放的能量与6级地震相当；氢弹爆炸则相当于7—8级地震。

凡7级以上的浅源大地震，造成的灾害很大。

3、地震烈度的含义

（1）定义：

地震烈度指受震地区地面影响和破坏的强烈程度。

地震烈度与震级为两个不同的含义，不可混淆。

（2）地震烈度大小的因素：

取决于震源释放能量的大小，并与震源深度、距震中的远近、震波传播的介质性质以及场地岩土情况等因素有关。

如唐山地震震中的烈度为11度。

（3）基本烈度

一个地区今后一定时期（100年）内，一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度，称为基本烈度。

这是以当地的地质、地形条件和历史地震情况和长期地震预报为依据的。

100年为一般建筑物的使用年限。

我国地震的基本烈度根据国家地震局编制的《中国地震烈度区划图》确定。

（4）抗震设防烈度

一个地区作为抗震设防依据的地震烈度称为抗震设防烈度，按国家规定权限审批、颁发的文件确定；—般情况下可采用基本烈度，如北京的抗震设防烈度为8度。

（5）设计烈度

各类不同建筑的抗震设计所采用的烈度为设计烈度。

根据建筑物的等级与重要性，在抗震设防烈度的基础上，调整与确定设计烈度。

1）甲类建筑——特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等，如核电站产生放射性物质的污染，剧毒气体的扩散，大爆炸和其它政治、经济、社会的重大影响等。

必须按因家规定的批准权限批准。

甲类建筑的地震作用，应按专门研究的地震动参数计算。

甲类建筑的抗震措施，应采用特殊的、规范规定以外的设计方法和构造措施。

2）乙类建筑——国家重点抗震城市的生命线工程的建筑；包括医疗、广播、通讯、交通、供水、供电、供气、消防、粮食等等。

乙类建筑的地震作用，应按本地区的设防烈度计算。

乙类建筑的抗震措施，除抗震设计规范具体规定外，可按本地区设防烈度提高一度采取抗震措施，

3）丙类建筑——甲、乙、丁类以外的建筑，为大量的一般的工业与民用建筑。

地震作用和抗震措施均按当地的设防烈度计算与考虑。

4）丁类建筑——次要的建筑。

如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑等。

抗震计算一般按当地的设防烈度，与人员伤亡无关的建筑酌降。

抗震措施可按本地区设防烈度降低一度采取抗震措施，但设防烈度为5度时可不降低。

4、建筑场地类别与震害

（1）各类场地土的震害

1）坚硬场地土：

稳定岩石是抗震最理想的地基，震害轻微

2）中硬场地土：

为粗粒的砂石，震害较小。

3）软弱场地上：

尤其覆盖层厚度大时，震害最严重。

（2）地基液化失效

1）土质为疏松或稍密的粉砂、细砂或粉土

2）上层处于地下水位以下，呈饱和状态；

3）遭遇大、中地震。

（3）地基液化的机理

饱和松砂与粉土主要是单粒结构，处于不稳定状态。

在强烈地震作用下，疏松不稳定的砂粒与粉粒移动到更稳定的位置；但地下水位下土的孔隙已完全被水充满，在地震作用的短暂时间内，土中的孔隙水无法排出，砂粒与粉粒位移至孔隙水中被漂浮，此时土体的有效应力为零，地基丧失承载力，造成地基不均匀下沉，导致建筑物破坏。

5、地震滑坡和地裂

（1）地震滑坡和地裂的原因

一面临空的河岸、海滨与土坡，在地震加速度作用下产生附加惯性力，使边坡土体的下滑力增加，同时抗滑的内摩擦力降低。

这两个不利因素叠加，可能破坏原来处于平衡状态的土坡的稳定性，发生失稳滑坡。

滑坡体的坡顶由于土层错动，往往产生地裂。

振动对土体的力学影响为：

①土的强度降低；②地基产生附加沉降；

砂土与粉土产生液化，

粘性土产生触变。

其根本原因为振动使土的抗剪强度降低。

（2）振动对土的抗剪强度的影响

1振幅大强度低

②砂土的tgΦ随振动加速度增大而减小。

6、粘性土的触变现象

（1）定义，饱和粘性土在遭受外力扰动下，土的强度急剧降低，甚至发生流动；静置后，随时间的增长，强度又逐渐恢复的现象，称为触变。

对此现象最简要的解释为：

原来粘性土的矿物颗粒表面带负电荷，与阳离子和定向水分子处于静平衡状态。

土受扰动后，破坏了平衡，定向水分子被打乱，土的结构被破坏，因而土的强度降低。

当静置一段时间后，土粒与水分子重新排列，土的结构恢复，出而强度又重新恢复。

这是粘性土结构性的表现，与砂土液化有本质不同。

（2）应用：

软弱地基处理中，如软土基槽下夯入碎石、砂垫层或灰土垫层压实或重锤夯实过程中，可能产生土的触变现象，在粘性土中打桩，可利用触变现象一气呵成打到设计高程；若中途停顿，则阻力会大大增加。

此外，在地霞或其它振动作用下，可能使粘性土强度降低引起边坡滑塌等现象。

都应注意。

7、地基基础抗震设计

（1）抗震设计基本原则

1）方针

抗震设计应贯彻执行“以预防为主”的方针。

使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。

抗震设防是以现有的科学水平和经济条件为前提，要求“小震不坏，大震不倒。

当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理，仍可继续使用；

当遭受本地区设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理，仍可继续使用；

当遭受高于本地区设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

2）选择有利场地

尽量选择对抗震有利的地段，避开不利的地段，禁止在危险地段建设。

对建筑抗震有利的地段：

坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土等。

对建筑抗震不利的地段：

软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸相边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、断层破碎带、暗埋的塘洪沟谷及半填半挖地基）等。

对建筑抗震危险的地段：

地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及震断裂带上可能发生地表错位的部位。

为保证建筑物的安全，还应考虑建筑物的基本周期避开地层的卓越周期，以防止共振危害。

（3）做好基础设计

在建筑物设计中，将基础埋在土中一定的深度，周围土体会对基础起约束的作用，因此，地震时基础的振幅小、灾害轻。

若地基良好，在7度与8度地震烈度区，基础本身的强度可不进行核算。

做好基础设计，不仅为基础本身的抗震所需要，而且可以减轻上部结构约震害。

适当加大基础埋深

选择较好的基础类型

除上述的箱基与筏基以外，桩基础的震沉小，动力反应也不敏感，是一种良好的抗震基础形式。

设计时注意桩基应穿过液化土层并插入非液化的坚实土层一定深度，以保持稳定。

（4）加强建筑物整体性

在设计中加强基础与上部结构的整体性，对建筑物抗震十分有利。

例如，砖混结构条形基础．在基础上面设置一道钢筋混凝土地梁、把内外墙的基础连成整体。

必要时在楼房层与层之间设置钢筋混凝土圈梁，或隔层设一道圈梁。

同时，在建筑物的四角与内外墙交接设置竖向钢筋混凝土构造柱，并与地梁和各层之间的圈梁牢固连接，将上部结构与基础连成整体，这对抗震极为有效。

8、天然地基抗震验算

（1）地基土抗震承载力

天然地基基础抗震验算时，在荷载组合中废计入地震荷载。

据国外有关资料分析，考虑地基土在有限次循环动力作用下，动强度一般较静强度略高；同时考虑地震荷载属于持殊荷裁，作用时间短，在地震作用下可靠度允许降低。

因此，除淤泥与可液化土等软弱土以外，地基土抗震承载力高于静承载力，应按下式计算：

式中

fsE——调整后的地基土抗震承载力设计值，kPa；

ζs——地基土抗震承载力调整系数；

fs——地基土承载力设计值，已经过基础宽度和埋深修正，kPa。

（2）基础底面压力

验算天然地基地震作用的竖向承载力时，应符合下列各项要求：

1）基础底面平均压力

2）基础底面边缘最大压力

式中

P——基础底面地震组合的平均压力设计值，kPa；

Pmax——基础边缘地震组合的最大压力设计值，kPa。

3）基础底面与地基土之间零应力区面积，不应超过基础底面积的25%；烟囱基础零应力区，应符合现行国家标准《烟囱设计规范》的要求。

（3）不需抗震承载力验算的建筑

根据我国历年来的震害宏观调查总结，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，多层内框架砖房，底层框架砖房，水塔；

2）地基主要受力层范围内，不存在软弱粘性土层（指烈度为7度、8度和9度时，地基土静承载力标准值分别小于80，100和120kPa的土层）的一般单层厂房、单层空旷房屋和多层民用框架房屋及与其基础荷载相当的多层框架厂房；

3）7度和8度时，高度不超过100m的烟囱；

4）《建筑抗震设计规范》规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。

9、软弱粘性土地基抗震设计

当建筑物地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层时，应结合具体情况，综合考虑，采用下列抗震措施。

（1）桩基

如软弱粘性土层厚度时，桩基应穿过软弱土层，进入坚实土层适当的深度。

若软弱土层很厚，则设计经济的桩长。

（2）地基加固处理

软弱粘性土地基处理．应根据建筑物的规模法，详见第9章。

（3）改进基础和上部结构设计

1）选择合适的并适当加大基础埋置深度；

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废：

如采用箱基、校基或钢筋混凝土十字交叉基础，加设基础圈梁、基础连系梁及设置构造柱等；

4）减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称住，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。

10、饱和砂土与粉土地基抗震设计

（1）各类建筑的抗液化措施

液化地基是否需要采取抗液化措施和应当采取何种措施?

应根据建筑的重要性、地基的液化等级，结合具体情况综合确定。

当液化土层较乎坦且均匀时，可按下表选用。

除丁类建筑外，不应将未经处理的液化土层作为天然地基的持力层。

（2）全部消除地基液化沉陷的措施

1）采用桩基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，坚硬粘性土则不应小于500mm；对其它非岩石土则不应小于2m。

2）采用深基础要求深基础底面埋入液化深度以下稳定土层中的深度，不应小于500mm。

3）采用加密法如采用振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯法等加固时度下界，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值应大于相应的临界值。

4）挖除全部液化土层。

上述4类全部消除地基液化沉陷的措施，应根据建筑类别、工程规模、液化土的深度与层厚、地下水位，以及邻近建筑物的距离等条件，进行技术经济比较，选择一种最佳方案。

若加固的面积较大，深度为l0m左右周围空旷，则可考虑强夯法。

若处理范围较小，液化土浅埋又厚度不大，则可考虑挖除。

（3）部分消除地基液化沉陷的措施

采取各种措施，宜符合下列要求：

1）处理的深度

处理后的地基液化指数不大于4，属于轻微液化等级；②对独立基础与条形基础，处理的深度不应小于基础底面下5m和基础宽度的较大值。

2）处理的方法①将处理深度内液化土层控除；②采用各类加密法加固，使处理深度范围内，标准贯入锤击数实测值大于相应的临界值，即N63.5>Ncr，成为不液化土。

（4）需注意的问题

采取抗液化措施，对液比地基进行综合治理，以达到安全与经济的要求，要注意下列问题：

1）如液化地基位于倾斜场地，则土层液化往往带来大面积土体滑动，造成严重后果，需专门研究c

2）通常甲类建筑，不论地基的液化等级，都必须全部消除液化沉陷，以确保安全。

3）液化等级属于轻微老，除甲、乙类建筑出于其重要性需确保安全外，一般丙、丁类建筑不作特殊处理，因为这类场地可能不发生喷水冒砂，即使发生也不致造成建筑物的严重震害c

4）对于液化等级属于中等的场地，尽量多采用较易实施的基础与上部结构处理的构造措施；不—定要加固处理液化土层。

5）在液化层深厚的情况下，消除部分液化沉陷的措施，即处理深度不一定达到液化下界，而残留部分未经处理的液化层，从我国目前的技术、经济发展水平上看是较合适的。

6）未加固处理的液化土层作为天然地基的持力层，可能造成地基失稳，故一般情况下不采用。

11、不均匀地基抗震设计

（1）不均匀地基的类型

1）故河道、暗藏的沟坑的边缘地带；

2）边坡地的半挖半填地段；地形起伏，大面积平整场地地区‘

3）山区岩层与土层交界地段；

4）局部的或不均匀的液化土层及其它成因、土质或状态明显不同的严重不均匀土层；

5）河岸、山坡、海滨。

在基础—侧具有临空面的地带。

（2）不均匀地基的震害

1）产生不均匀沉降，引起建筑物的开裂、倾斜等事故；

2）具有临空面的地带，可能引起边坡滑动，使建筑物倾倒。

（3）不均匀地基抗震设计

1）基本原则：

避开不均匀地段，

2）若无法避开时，应采取下列措施：

①详细勘察，查明不均匀地基的范围和性质；

②建筑物周围的沟坑应认真填平、压实，邻近的沟渠应作坚实的文档或改为暗渠；

软硬相差悬殊的地基应认真处理。

尽可能使软硬差别缩小，如采用局部换土、重锤夯实，必要时可设置沉降缝。

若不处理，即使采用钢筋混凝土筏板基础，也将发生基础断裂事故。

12、基础工程抗震设计

为了避免震害，确保建筑物的安全，除／在地基的设计中采取必要的抗震措施外，同时也应当在基础工程设计中采用有利于抗震的类型。

（1）高层或多层建筑，尽量扩大基础底面面积，减小单位面积荷载，如采用箱形基础与筏板基础等有利于抗震的基础类型。

（2）多层或低层建筑，如采用砖混结构、条形基础，则设计时应加强建筑物的整体性．如设置水平方向的封闭式地梁、各楼层之间的因梁和竖直方向在外墙四角和内外墙交接处设置钢筋混凝土构造柱，并使构造柱的钢筋句地图与上部层间圈梁的钢筋相连接。

（3）不良地基可采用桩基与石灰桩，以深层坚实土层作为持力层，有利于抗震。

例如，天津市某工厂地基为海河故道、唐山地震引起该厂地基液化，两层办公楼整体向西倾斜，沉降差达200mm。

但该厂容量为60m3的水塔，高度为28．81m，霞后结构出乎意料的基本完好，

分析其原因：

水塔采用筏板基础、埋深2m：

并用石灰桩、校长24m，直径15Dcm，间距25cm，取得良好的抗震效果。

如用混凝土或钢筋混凝土桩，则抗震性能优良；必要时，还可以打斜桩，以承受水平荷载。

（4）加强基础与上部结构的连接

在唐山震害调查中，发现很多工厂车间的房屋在住根处折断，这不仅是因为住于的截面面积比基础小得多，而且截面是突变的。

在地震水平荷载作用下，基础周围有土支档，而桩四周无支挡，因此在柱根处发生剪切破坏。

为解决此问题，在框架结构独立基础设计中，可在柱底端做水平向连系梁，并与基础相连接，形成串间整体结构，以利抗震。

（5）抗震工程的材料应有足够强度

1）粘土砖的强度等级不宜低于Mu7.5；砖砌体的砂浆强度等级不宜低于M2.5；砖烟囱的砂浆强度等级不宜低于M50

2）混凝土砌块的强度等级，中砌块不得低于MU10；小砌块不宜低于MU5.0.砌块砌体的砂浆强度等级不宜低于M5。

3）混凝土的强度等级：

抗震等级为一级的框架梁、柱和节点不宜低于C30；构造柱、芯柱、圈梁和基础（桩除外）；不宜低于C15；其它各类构件不宜低于C20。

4）钢筋的强度等级：

纵向钢筋宜采用

、

级变形钢筋，钢箍宜采用

、

级钢筋；构造柱、芯柱可采用I级或

级钢筋。