第二章 场地、地基和基础 工程地质条件对地震的影响 场地 地基抗震验算 液化土和软土地基.

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1 第二章 场地、地基和基础 工程地质条件对地震的影响 场地 地基抗震验算 液化土和软土地基

2 2.1工程地质条件的地震影响 1. 场地选择 震害不仅与地震的大小、结构类型有关，还与场地的工程地质条件有关。
地基失效导致的建筑物破坏，目前为止虽然数量不多，但修复加固困难，一般通过场地选择和地基处理来减轻。 工程建设的第一步就是要通过勘察，结合地震活动情况和工程地质情况对场地条件进行评价。抗震规范把建筑场地划分为有利、一般、不利和危险地段，应尽可能选择有利地段、避开不利地段，无法避开时应采取有效措施，严禁在危险地段上建造甲、乙类建筑，不应建造丙类建筑。

3 2.1 工程地质条件的地震影响

4 2.1 工程地质条件的地震影响 2.局部地形影响 宏观震害和地震反应分析表明，高突地形对地震作用有放大效应，离基准面的高度越大反应越强烈；边坡越陡，顶部的放大效应越大；土质结构的边坡比岩石结构的反应要大。高突地形顶面愈开阔、远离高突地形边缘的中心部位反应明显减小。 在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、边坡等不利地段建造丙类及以上建筑时，除保证地震作用下的稳定外，尚应估计不利地段对地震动参数的放大作用。

5 3.局部地质构造的影响 断裂——地质构造上的薄弱环节 发震断裂——与本地区的地震活动密切相关，具有潜在地震活动的断裂。 断裂的危害与地震震级、覆盖层厚度、土体的地质年代有关。“抗震规范”规定，当设防烈度小于8度、非全新世活动断层或烈度为8、9度且前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖层厚度分别大于60、90米可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响。否则应避开主断裂带。 一般可以不考虑非发震断裂对烈度的增减影响。 烈度 建筑物抗震设防类别 甲 已 丙 丁 8 专门研究 200m 100m - 9 400m

6 另外，地震时地下水位的高低对建筑物的震害也有明显影响，水位越浅影响越大。不过，地下水位的影响与地基土的性状有密切关系，软弱土地基影响程度最大，黏性土地基次之，坚硬土地基影响较小。
4. 场地 场地——是指工程群体所在地，其范围相当于一个厂区、居民点、自然村或不小于1km2的范围。 场地下的土层既是地震波传递的介质，又是结构物的地基。震害调查发现，在同一烈度区的不同场地上，建筑物的震害程度不同。震害不仅与地震的大小、结构类型有关，还与工程地质条件有关。

7 场地条件的主要因素是场地土性状及其分布。场地土的基本特征是其软弱或坚硬程度以及呈层状分布，场地土可能由很多土层组成，每个土层中的土具有不同的软硬等特征。土层的刚度可以反应一个土层的软硬程度，而土的刚度与土的剪切波速相关，可以根据土的剪切波速对土的类型进行划分。

8 从震源传来的地震波由许多频率不同的分量组成。地震波通过场地土传到地表的过程中，与土层固有周期接近的频率群被放大，其它的衰减或被过滤掉。对建筑物有显著影响的是地震波中哪些与上覆土层固有振动周期相接近的波群，称为场地土的卓越周期，T＝4H/V(H为场地覆盖层厚度，V为土的剪切波速）。 若建筑物的固有周期与场地的卓越周期相接近，共振效应使地震作用明显增强，因此，坚硬场地上自振周期短的刚性建筑物和软弱场地上的柔性建筑物的震害会加重。对建于软弱场地上的长周期结构而言，建筑物破坏程度可能逐步加重。 场地（放大/过滤） 地震波 建筑物 软弱地基 地震波中长周期成分放大 地基失效或柔性建筑结构破坏 坚硬地基 地震波中短周期成分放大 刚性建筑不利，通常为结构破坏

9 2.2 场地类别划分 场地条件对地震影响很大，为了方便在工程设计中定量地考虑这一因素，抗震规范对建筑场地进行了类别划分，以便采取合理的设计参数和采取相关的抗震措施。 场地类别是场地条件的基本表征，抗震规范通过场地覆盖层厚度和场地土的等效剪切波速进行划分。

10 1.场地土覆盖层厚度dov 场地土的覆盖层厚度指从地面到基岩顶面的距离。抗震规范规定了覆盖层厚度确定的要求： （1）一般情况按地面至剪切波速大于500m/s且其下卧各层岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离确定； （2）当地面5米以下存在剪切波速大于其上部各土层剪切波速2.5倍的土层，且其下卧层土的剪切波速均不小于400m/s时，可算至该层土表面； （3）剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体应视为周围土层； （4）土层中的火山岩硬夹层应视为刚体，其厚度应从覆盖层中去除。

11 场地土一般由多层土构成，等效剪切波速反映了土层的综合刚度并用于确定土体类型。
2.等效剪切波速 场地土一般由多层土构成，等效剪切波速反映了土层的综合刚度并用于确定土体类型。 等效剪切波速以地震波在地面至计算深度（地面下20m且不大于覆盖层厚度）各层土中的传播时间不变的原则定义土层平均剪切波速。 d0—计算深度，取覆盖层厚度和20米中的较小值 t—地震波在计算深度内的传播时间(s) di—第i层土的厚度（m) n —土层层数 Vsi —第i层土的剪切波速（m/s)

12 3.场地类别 由于地震效应与场地有关，为了在地震作用计算中定量考虑场地条件对设计参数的影响以及采取适当的构造措施，抗震规范根据等效剪切波速和场地覆盖层厚度将场地分为I、Ⅱ、III、Ⅳ四类。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值位于下表所列场地类别的分界线附近（如±15％）时允许按插值方法确定地震作用计算所用的设计特征周期。 各类场地的覆盖层厚度(m)

13 例： 已知某建筑场地的钻孔土层资料如下表所示，试确定该建筑场地的类别。
层底深度（m） 土层厚度 （m） 土的名称 土层剪切波速vsi 9.50 9.5 砂 170 37.80 28.30 淤泥质粘土 130 43.60 5.80 240 60.10 16.50 200 63.00 2.90 细 砂 310 69.50 6.50 砾混粗砂 520

14 （1）确定覆盖层厚度dov 63m以下的vsi=520m/s>500m/s，故dov=63m。 计算深度采用20m。 （2）确定地面下20m表层土的场地土类型 vse值位于250 vse >140m/s之间，故表层土属于中软场地土。 （3）确定建筑场地的类别 由于表层土为中软场地土，以及dov>50m，该建筑场地类别为III类。

15 2.2 天然地基基础的抗震验算 一般情况下，地基发生震害的情况很少。但高压缩性饱和软粘土和强度较低的淤泥质土，在地震中易发生不同程度的震陷、倾斜。杂填土、回填土，在地震中也会发生震陷。严重不均匀地基、地基液化也会产生较严重的问题。 抗震措施：对软弱粘性土采用桩基或地基加固等处理措施。

16 1.地基不验算的范围 抗震规范规定下述建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算： （1）地基主要持力层范围内不存在软弱粘性土层（设防烈度为7、8、9度时地基承载力特征值分别小于80、100、120kPa)的一般单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层且高度在24m以下的民用框架和框架-抗震墙房屋以及基础荷载相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋； （2）可不进行上部结构抗震验算的建筑。

17 2.地基土抗震承载力的调整 除十分软弱的地基土外，地震作用下一般土的动强度皆比静强度高。在相同基底应力下，地震作用所引起的变形小于静载产生的变形。再加上地震的偶然性和短暂性允许较低的可靠性，抗震规范将地基的静承载力乘以调整系数予以提高。 地基抗震承载力 faE=a•fa a — 抗震承载力调整系数，根据土体性质， a 在1-1.5之间 fa—深宽修正后的地基承载力特征值。

18 3.天然地基抗震验算 地基平均压应力设计值 P≤ faE
地基最大压应力设计值 Pmax ≤ 1.2 faE 高宽比大于4的高层建筑，基础地面不应出现拉应力；其它建筑的零应力区不大于基础底面积的15%。

19 2.3 地基液化与软土地基 1.液化现象 在地下水位以下，砂土或粉土的土体颗粒处于饱和状态，在强烈地震作用下，孔隙水压力急剧增大且来不及消散，土体颗粒间的有效压应力减小甚至消失，此时土体颗粒将处于悬浮状态，抗剪强度散失。由于下部水头压力较大，水在上涌的同时，将土粒带出地面，形成喷水冒砂现象。 2.危害 砂土和粉土液化时，其强度完全丧失从而导致地基失效。场地液化会使建筑整体倾斜、下沉、不均匀沉降、墙体开裂、地面喷水、冒砂、斜坡失稳、滑移等破坏。

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21 3.液化影响因素 土层的地质年代：较老的沉积土不易发生液化 土的组成：细砂、粉砂、粘粒含量少的粉土、级配均匀的砂土更易液化 地震烈度和持时：烈度高、持时长易液化 土层的相对密度：密实程度小的砂更易液化 地下水位：地下水位浅易液化 上覆非液化土层较薄，或者有薄弱部位

22 土的年代：老于第四纪晚更新世（Q3）及以前的土，7、8度时可判为不液化。
4.液化的判别 抗震规范采用两步判别法来判别液化。 初步判别（符合下列条件之一） 土的年代：老于第四纪晚更新世（Q3）及以前的土，7、8度时可判为不液化。 粉土的粘粒（粒径小于0.005mm）含量：7度、8度、9度分别不小于10%、13%、16%时，可判为不液化。 上覆非液化土层厚度和地下水位深度满足下列条件之一时，可不考虑液化。 基础埋置深度， 小于2m时取2m 液化土特征深度 地下水位深度 上覆非液化土层厚度 du d0+ db-2 dw d0+ db-3 du+ dw 1.5d0+ 2db-4.5

23 液化土特征深度 饱和土类别 烈度 7 8 9 粉土 6 砂土 当不满足上述要求时，需进一步判别。 基础埋深默认值为2M。
式（2-14）~（2-16）及表2-6与图2-6等效。

24 应判别到地面下20m深度范围，对于不需进行天然地基及基础抗震承载力验算的各类建筑，可只判别到地面下15m范围内的土层。
标准贯入试验判别 标准贯入试验设备包括标准贯入器、触探杆和重63.5kg的穿心锤等组成。用钻具钻至试验土层标高以上15cm处，将贯入器打至标高位置，再在锤落距为76cm条件下，连续打入土层30cm，记录锤击数N63.5。 应判别到地面下20m深度范围，对于不需进行天然地基及基础抗震承载力验算的各类建筑，可只判别到地面下15m范围内的土层。 当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于标准贯入锤击数Ncr时，应判别为液化土。 63。5为穿心锤的重量。若为轻便触探，锤击数表示为N10。 落距为76cm，每30cm的锤击数。

25 贯入试验满足下式判为液化： N63.5 — 标准贯入锤击数实测值（未经杆长修正） N0 — 标准贯入锤击数基准值
ds —饱和土标准贯入点深度（m） rc —粘粒含量百分率，小于3或砂土取3 b ——调整系数，设计地震第一、二、三组分别取0.8、0.95、1.05。 当采用桩基或基础埋深大于5米，尚应判别15－20m范围内的液化。 63。5为穿心锤的重量。若为轻便触探，锤击数表示为N10。 落距为76cm，每30cm的锤击数。

26 液化判别标准贯入锤击数基准值是震级7. 5、液化概率0. 32、水位2m、埋深3m时的液化临界锤击数。通过比较N63
液化判别标准贯入锤击数基准值是震级7.5、液化概率0.32、水位2m、埋深3m时的液化临界锤击数。通过比较N63.5和Ncr可以获得关于土层液化可能性的认识。 标准贯入锤击数基准值No

27 5.液化地基危害程度评价 通过上述判别可以确定是否是液化地基，但由于影响液化的因素众多，尚不能据此预估液化发生时可能造成的危害程度。抗震规范用液化指数ILE简化描述液化的危害程度。 相对贯入锤击数反应土层密实度和液化的可能性，F越大沉降量越大。

28 用液化指数综合反应土层密实度和液化层厚度
W＝10 n — 判别深度范围内（15或20m）每一个钻孔标准贯入试验点的总数； Ni，Ncri — 第i点的实测值与临界值； di — i点代表的土层厚度（m）可采用与该点相邻的上下两个试验点深度差值的一半，但上界不高于地下水位高，下界不超过液化深度； wi — 第i层土的层位影响权函数值。 0m 5m 20m

29 液化等级及危害 液化等级 液化指数ILE 对建筑物的危害情况 轻微 0<ILE≤6 危害性小，一般不致引起明显震害 中等 6<ILE≤18 危害性大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm 严重 ILE>18 危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不容许的倾斜

30 例：某建筑场地的设防烈度为8度（地面运动加速度0. 20g），设计地震分组为II组，基础埋深2m，上部为高度22
例：某建筑场地的设防烈度为8度（地面运动加速度0.20g），设计地震分组为II组，基础埋深2m，上部为高度22.5m的7层框架结构。该场地一钻孔的地质钻探资料如下表所示，试确定该建筑场地的液化等级。

31 （1）液化判别 地下水位深度dw=1.1m，基础埋深db=2.0m，液化土特征深度d0=8m，上覆非液化土层厚度du=0，根据初步判别条件知道需要进一步判别是否可液化，为此计算各测点的标准贯入锤击数临界值Ncr,i，以第一测点为例，标准贯入锤击数N0=12，Ncr,1为： Ncr,1=12x0.95x[ln(0.6x )-0.1x1.1]x1=8.44 测点1的标准贯入锤击数实测值N1=2<Ncr,1，为液化土。其余测点的计算类似 。 （2）计算各测点相对标贯值Fi 对第一测点：

32 （3）计算各标贯点代表土层的厚度di、土层中点的深度zi及权重系数ωi
第一测点:d1= =0.7m，z1=1.1+d1/2=1.45m，z1<5，故ω1=10 第二测点:d2=( )/2-3.9=0.7m，z2=3.9+d2/2=4.25m，z2<5，故ω2=10 第三测点:d3=( )/2=1.0m，z3=z2+(d2+d3)/2=5.1m，z3>5，ω3=10-1.5x(5.1-5)=9.85 第四测点:d4=( )/2=1.0m，z4=z3+(d3+d4)/2=6.1m，z4>5，ω4=10-1.5x(6.1-5)=8.35 第五测点:d5=( )/2=1.0m，z5=z4+(d4+d5)/2=7.1m，z5>5，ω5=10-1.5x(7.1-5)=6.85 第六测点:d6=( )/2=1.2m，z6=z5+(d5+d6)/2=8.2m，z6>5，ω6=10-1.5x(8.2-5)=5.2 第七测点:d7=10.2-（ )/2=1.4m，z7=z6+(d6+d7)/2=9.5m，z7>5，ω7=10-1.5x(9.5-5)=3.25

33 （4）计算液化指数ILE ILE =16.66 据此判断该建筑场地的液化等级为中等。

34 6.地基抗液化措施 抗震规范将处理措施分为三个档次，根据液化等级和建筑类别选取。 ①全部消除地基液化沉降的措施 桩基、深基础、加密法（振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）、用非液化土替换等。 ②部分消除液化地基沉陷的措施 一定深度范围内处理 ③通过对基础和上部结构处理，减轻液化沉降的影响。 合理的基础埋深、调整基础底面宽度并减小偏心、加强基础刚度和整体性、减轻荷载、增强上部结构整体性和均匀对称性、合理设置沉降缝等。

35 抗震设防类别 地基液化等级 轻微 中等 严重 乙类 部分消除液化沉陷，或对基础和上部结构处理 全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理 全部消除液化沉陷 丙类 基础和上部结构处理，亦可不采取措施 基础和上部结构处理，或更高要求的措施 丁类 可不采取措施 基础和上部结构处理，或其它经济的措施

36 2.4 桩基抗震设计 1.桩基可不进行抗震承载力验算的条件
承受竖向荷载为主的低承台桩基，当地面下无液化土层，且桩承台周围无淤泥、淤泥质土和地基承载力特征值不大于100kPa的填土时，下列建筑可不进行桩基抗震承载力验算： 7度和8度时的一般单层厂房和单层空旷房屋、不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋或基础荷载与之相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。 地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土的一般单层厂房和单层空旷房屋、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。

37 2.非液化土低承台桩基的抗震验算 非液化土低承台桩基的抗震验算应符合下列规定： （1）单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值均可比非抗震设计时提高25%。 （2）当承台周围的回填土夯实至干密度不小于《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）对填土的要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用，但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力。

38 3.液化土桩基抗震验算 液化土层中桩基承载力与非液化土层有很大差异，由于液化，土层对桩基的支撑作用减小了。 承台较浅时，不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用。 当桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土层或非软弱土层时，可按两种情况分别进行抗震验算，并按不利情况设计： 桩承受全部地震作用，单桩抗震承载力特征值提高25%，但液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力，均应乘以折减系数； 地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用，单桩的承载力特征值提高25%，但扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土层的桩周摩阻力。

39 打入式预制桩及其它挤土桩，当平均桩距为2.5～4倍桩径且桩数不少于5X5时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。当打桩后桩间土的标准贯入锤击数值达到不液化的要求时，单桩承载力可不折减，但对桩尖持力层作强度校核时，桩群外侧的应力扩散角应取为零。打桩后桩间土的标准贯入锤击数宜由试验确定，也可按下式计算： 式中 N1——打桩后的标准贯入锤击数； r——打入式预制桩的面积置换率； Np——打桩前的标准贯入锤击数。 桩基的抗震构造等级及具体构造要求详见《构筑物抗震规范》第4.5.6～4.5.10条。

40 1.场地土因素如何对建筑物的地震影响发挥作用？
2.如何进行建筑场地的选择？ 3.如何进行场地类别的划分？ 4.某场地土层构成如下，试判断该场地类别。

41 5.何谓场地土的液化？如何判别？ 6.如何进行场地土液化危害性评价？ 7.如何采取抗液化措施？ 8.查阅资料，了解工程中由于软弱地基造成地震灾害的实例。 9.查阅资料，了解工程中地基处理的方法。