第八章 地基基础抗震

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7/12/2016
地基基础抗震设计
基础在整个建筑物中一般是刚性比较大的部分，又因处于建筑物的最低部 位，周围还有土层的限制，因而振幅较小，故基础本身受到的震害总是较轻的。 加强基础的防震性能目的主要是减轻上部结构的震害。加大基础埋深可以增加 基础侧面土体对振动的抑制作用，从而减少建筑物的振幅，有条件时可建造地 下室，地下室内易设置内横墙，并应切实做好基槽的回填夯实工作。唐山地震 后，凡有地下室的房屋，上部结构破坏均较轻，开滦煤矿地下车库和地下水电 系统在震后仍可照常使用，在救灾工作中发挥了巨大作用。 软土上的基础以整体性较好的筏板基础、箱型基础或十字交叉条形基础较 为理想。对于内框架结构，柱下宜采用刚度较大的墙式条基。平面布置上应尽 可能使基础连续而不间断，并力求取直以防扭断。也可采取加固措施，消除或 减少软土的震陷或可液化地基产生的不均匀沉降。
基础工程
第 8 章 地基基础抗震
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内容提要
地震的成因特征 地震区场地特征 地基基础抗震设计
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概述
地震成因 地震是地球内部构造运动的产物，是一种自然现象，是地壳内部或外部 因素作用下产生强烈震动的地质现象。全世界每年大约发生500多次地震， 绝大多数地震都很小，小地震约占一年中地震总数的99%，剩下的1%才 是人们感觉到的，而现在造成严重破坏的大地震，全世界平均每年大约发 生18次。地震按其成因可分为：构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地 震。 全球地壳由六大块组成，即欧亚大陆、太平洋、美洲大陆、非洲大陆、 印澳与南极板块。各大板块内还可以划分为极小的板块。由于地壳的缓慢 变形，各板块之间发生顶撞、插入等突变、形成地壳振动，即构造地震， 多发生在各板块的边缘或沿海的岛屿。我国的台湾岛和日本都位于大板块 的交接处，所以是多地震区域。
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地震的震级和烈度
• 1．震级 • 地震强度通常用震级和烈度来反映。地震震级是地震固有 的属性，表示地震本身能量大小的尺度，用符号M表示， 其数值是根据地震仪记录的地震波图确定的。目前，国际 上比较通用的是里氏震级，原始定义是在1935年由里克特 （C. F. Richter）给出 • 震级表示一次地震释放能量的多少，也是表示地震强度 大小的指标，所以一次地震只有一个震级。
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场地类别和场地选择
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场地选择
工程地质条件不同，建筑物在地震中的破坏程度也明 显不同。合理选择建筑场地将会大大减轻地震灾害。影响 建筑震害的地震动参数的场地因素很多，其中包括局部地 形、地质构造、地基土质等，影响的方式也各不相同。一 般认为，对抗震有利的地段系指地震时地面无残余变形的 坚硬土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的地基变形或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。抗震规范中将场地划分为有利、不利和危险地段的具 体标准如表8-5所示。
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可液化地基的抗震措施
• 1）全部消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求： • 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 密实粉土尚不应小于0.8m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。 • 采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度 不应小于0.5m。 • 采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）加固时，应 处理至液化深度下界；振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入 锤击数不宜小于规范规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。 • 用非液化土替换全部液化土层，或增加上覆非液化土层的厚度。 • 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。
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烈度
• 地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到 一次地震影响的强弱程度。一次同样大小的地震，若震源 深度、离震中的距离和土质条件的因素不同，则对地面和 建筑物的破坏也不相同。这时，若仅用地震震级来表示地 震动的强度，还不足以区别地面和建筑物破坏轻重的程度。 虽然一次地震只有一个震级，但距离震中不同的地方，地 震的影响是不一样的，及地震烈度不同。一般来说，离震 中越近，地震影响越大，地震烈度越高；离震中越远，地 震烈度越低。震中区的烈度称为震中烈度，用I0表示。
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• 2）部分消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求： • 处理深度应使处理后的地基液化指数减少，其值不宜大于5；大面积 筏基、箱基的中心区域，处理后的液化指数可比上述规定降低1；对 独立基础和条形基础，尚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。（中心区域指位于基础外边界以内沿长宽方向距外边 界大于相应方向l/4长度的区域） • 采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于按 规范规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。 • 基础边缘以外的处理宽度，应符合规范的要求。 • 采取减小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土层的厚度和改善 周边的排水条件等。 • 3）减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综合采用下列各项措施： • 选择合适的基础埋置深度。 • 调整基础底面积，减少基础偏心。 • 加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形 基础，加设基础圈梁等。 • 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。 • 管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。
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天然地基与基础的抗震验算
• • 1．不进行天然地基与基础抗震验算的建筑 根据对我国多次强地震中建筑遭受破坏资料的分析，下列在天然地 基上的各类建筑极少产生由于地基破坏而引起的结构破坏，故可不 进行地基及基础的抗震承载力验算。 1）规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。 2）地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑： ①一般的单层厂房和单层空旷房屋； ②砌体房屋； ③不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋； ④基础荷载与③项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。 注：软弱黏性土层指7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于 80、100和120kPa的土层。
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地震区场地特性
• 2）建筑物的典型震害 • 多层砖房的典型震害为外墙外闪、倾倒，纵横墙墙面出现 X裂缝，纵横墙开裂和屋顶塌落等。 • 多高层钢筋混凝土房屋的典型震害为梁柱节点破坏，柱子 上混凝土保护层脱落，钢筋外崩，呈灯笼状，在箍筋数量 不足时这种情况更加常见。钢筋混凝土墙的破坏形态与砖 墙差不多，但其裂缝比较分散且宽度较窄。
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地震区场地特性
• • 1．地震震害 地震发生时及发生后，将引起人们有震动的感觉、自然和人工环境的变化，通常称之 为地震后的宏观现象，常可概括为四类：人们的感觉、人工结构物的损坏、物体的反 应和自然状态的变化。研究这些现象不仅可以理解地震作用本质，更主要的是防止或 减少地震所产生的破坏与人民生命财产的损失。所以人工结构物的损坏，应该说是最 值得研究的宏观现象。通过它的研究不仅能定性地理解地震现象，而且可以总结经验 教训，为制定和改进抗震设计规范以及制定抗震防灾对策措施提供依据。地震所带来 的破坏活动主要表现在： 1）地基震害 地基的主要破坏有：地基液化、震陷、山体崩裂、滑坡、地裂等现象。在地下水位较 高地区，地震时的强烈震动会使饱和粉细砂、细砂和粉土层液化，地下水夹着砂子往 往经裂隙或其他通道蹦出地面，形成喷砂冒水现象。产生液化的原因是由于地层短暂 时间里，孔隙水压力骤然上升来不及消散，有效应力降至零，土体呈现出近乎液体的 状态，强度完全丧失，即所谓液化。地基液化能使建筑物产生大量的沉降、不均匀沉 降及倾斜，埋在液化土层中的管道及地下罐等则会上浮。地震使地面产生巨大的附加 沉降称为震陷，多发生在松砂和软粘土中，震陷不仅使建筑物产生过大沉降，而且产 生较大的差异沉降和倾斜，影响建筑物的安全使用。地震时出现的地裂缝的数量、长 短和深浅等与地震强度、受力特征有关，如唐山地震时，地面出现一条长10km、水平 错动1.25m、垂直错动0.6m的大地裂，错动带宽约2.5m，致使在该断裂段内的房屋、道 路、地下管道等遭到及其严重的破坏，民用建筑几乎全部倒塌。强烈的地震往往造成 地面错动、山体崩塌和滑坡泥石流等，严重时还会堵塞河流，形成地震堰塞湖而使山 河改观。
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液化土地基抗震设计
• 液化的判别 • 当建筑物的地基有饱和砂土或饱和粉土时，也经过勘察试 验预测其在未来地震时是否会出现液化，并确定是否需要 采取相应的抗液化措施。规范规定当基本烈度为6度时， 一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉陷敏感的乙 类建筑可按7度的要求进行判别和处理，当基本烈度在7-9 度时，乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别 和处理。
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地震波及其特征
• 纵波比横波的传播速度要快，在仪器观测到的记录图 上，纵波要先于横波到达。一般也把纵波叫P波（即初 波），把横波叫S波（即次波）。体波在地球内部的传播 速度随深度的增加而增大。由于地球的层状结构，因此 体波通过分层介质，在界面上将产生折射和反射；当一 个P波入射到一个界面时，不但产生折射和反射的P波而 且还发生折射和反射的S波，S波也是如此，此外，由震 源发出的震动首先通过岩层传到基岩表面，然后再经基 岩以上的地层传到地表面，在此过程中由于重复反射， 地表面的震动常常得到放大。
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场地因素
• 建筑场地的地形条件、地质构造、地下水位等对地震灾害的程度有显著的影 响。我国多次地震灾害调查表明，局部地形条件对地震时建筑物的破坏有较 大的影响。一般当局部地形高差大于30-50m时，震害就会有明显的差异，位 于高处的建筑物震害加重。1920年宁夏海原发生8.5级地震时，处于渭河谷地 姚庄的烈度为7度，而2km外的牛家山庄因位于高出百米的黄土梁上，其烈度 则达9度。综上所述，孤立突出的山梁、山包、条状山嘴、高差较大的台地、 陡坡等，均对建筑物的抗震不利。 断层是地质构造的薄弱环节，可将其分为发震断层和非发震断层，前者为 具有潜在地震活动的断层，后者在地震作用下不会产生新的错动。地震时， 发震断层附件地表可能发生新的错动，若在其上修建建筑物必招致严重破坏。 因此在具体进行场地布置时，不宜将建筑物横跨在断层上，以免可能发生的 错动和不均匀沉降带来危害。 地震对建筑物的危害程度与地下水位有明显关系，水位越浅震害越重。地 下水位深度在5m以内时，对震害影响最明显，当地下水位较深时影响较小。 对于不同类别的地基土，地下水位的影响程度也有差别。例如软弱土层（粉 砂、细砂、淤泥质土等）影响程度最大，对粘性土影响次之，对碎石、角砾 等影响较小。
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地震波及其特征
• 地震引起的震动以波的形式从震源向各个方向传播并释 放能量，这就是地震波。它包含在地球内部传播的体波 和只限于在地球表面传播的面波，是一种弹性波。 体波包括纵波与横波两种，纵波是由震源向外传播的 胀缩波，质点的震动方向与波的前进方向一致，从而使 得介质不断的压缩和疏松，也称为压缩波或疏密波。在 空气里纵波就是声波。其特点表现为周期较短，振幅较 小。横波是由震源向外传播的剪切波，介质质点的震动 方向与波的前进方向相垂直，也称剪切波。其周期较长， 振幅较大。还应指出，横波只能在固体里传播，而纵波 在固体和液体里都能传播。
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液化指数和液化等级
• 为了衡量液化场地的危害程度，规范规定对于存在液化土 层的地基，应在探明各液化土层的深度和厚度后，确定液 化场地的液化指数，然后再根据液化指数来划分场地的液 化等级，以反映场地液化可能造成的危害程度。一般来说， 液化指数越大，场地的喷水冒砂情况和建筑物的液化危害 就越严重。其分级结果及相应震害情况见表8-7所示。
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地基基础抗震设计
基本原则
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抗震设计应贯彻“预防为主”的方针，并力争做到“小震不坏，中 震可修、大震不倒”的设防要求。当遭受低于本地区设防烈度的多 遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；当 遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可受损坏，但经 一般修理即可恢复正常使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地 震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。为了 提高建筑物的抗震能力，在建筑规划上应合理布局，上部结构设计 应遵循“简、匀、轻、牢”的原则，同时地基基础设计应符合下列 要求。 尽量选择有利地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的中 硬场地土等地段；避开不利地段，如软弱场地土、易液化场地土等， 如无法避开时宜采用适当的抗震措施；而不得在危险地段进行建设。