《高層建筑結構與抗震》輔導材料三

1、高層建筑結構與抗震輔導材料三場地與地基學習目標1. 掌握建筑場地的選擇，場地土類別的劃分；2. 掌握天然地基的抗震驗算；3. 了解地基土液化，地基抗震措施及處理。學習重點1. 建筑場地的選擇，場地土類型的劃分；2. 天然地基的抗震驗算方法；3. 影響地基土液化的因素，液化等級及處理方法。一、 工程地質條件與場地1工程地質條件對地震破壞的影響地震的震害現象表明，在具有不同工程地質條件的建筑場地上，建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的。同時還發(fā)現，大致相同的地層土質條件，對不同類型建筑物震害的影響也是不同的。有時，在建筑物的結構、施工等情況基本相同的條件下，由于地震的作用，其破壞程度會有12度的差

2、別，這也就是局部工程地質條件對工程抗震影響的結果。（1）局部地質構造的影響斷裂帶是地質構造上的薄弱環(huán)節(jié)，淺源地震往往與斷裂活動有關，發(fā)震斷裂帶附近地表，在地震時可能產生新的錯動，使建筑物遭受較大的破壞。因此，對于各種危險地段選擇建筑場地應予以避開。（2）局部地形的影響宏觀現象、儀器觀測和理論分析都說明，局部孤突地形對震害具有明顯的影響，一般來說，局部地形高差大于3050m時，震害就開始出現明顯的差異。因此，孤突的山梁、孤立的山包、高差較大的臺地等，都是明顯影響震害的地形。（3）地下水位的影響宏觀震害現象表明，水位越淺，震害越重。在不同的地基中，地下水位的影響程度也有所差別，對柔軟土層的影響最大

3、，粘性土次之，對卵礫石、碎石、角礫土則影響較小。尤其是當地下水深15m時，對震害的影響最為明顯，當地下水位較深時，則影響不再顯著。2場地場地即指工程群體所在地，具有相似的反應譜特征。其范圍相當于廠區(qū)，居民小區(qū)和自然村或不小于1.0 km2的平面面積。場地土則是指在場地范圍內的地基土。一般認為，場地條件對建筑震害的影響主要因素是：場地土的剛性（即堅硬或密實程度）大小和場地覆蓋層厚度。震害經驗指出，土質愈軟，覆蓋層愈厚，建筑物震害愈嚴重，反之愈輕。場地土的剛性一般用土的剪切波速表示，因為剪切波速是土的重要動力參數，是最能反映場地土的動力特性的，因此，以剪切波速表示場地土的剛性廣為各國抗震規(guī)范所采用

4、。 建筑場地類別： 抗震規(guī)范規(guī)定，建筑場地類別根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度分為4類，見表3-1。各類建筑場地的覆蓋層厚度(m) 表3-1建筑場地覆蓋層厚度的確定，應符合下列要求：一般情況下，應按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。 當地面5m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可取地面至該土層頂面的距離作為覆蓋層厚度。 剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應視同周圍土層。土層中的火山巖硬夾層，應視為剛體，其厚度應從覆蓋土層中扣除。表3-1中vs為巖石或堅硬土的剪切波速；vse為土層等效剪切波速，可根據實

5、測或按下式確定vse=d0ni=1divsi(3-1)式中 d0-計算深度(m)，取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；di-計算深度范圍內第i土層的厚度(m)；n-計算深度范圍內土層的分層數；vsi-計算深度范圍內第i土層的剪切波速(m/s)，宜用現場實測數據。等效剪切波速vse是根據地震波通過計算深度范圍內多層土層的時間等與該波通過計算深度范圍內單一土層所需時間的條件求得的。對丁類建筑以及層數不超過10層且高度不超過30m的丙類建筑，當無實測剪切波速時，可根據巖土名稱和性狀，按表3-2劃分土的類型，再利用當地經驗在表3-2的剪切波速范圍內估計各土層的剪切波速。最后按式（3-1）確定場地計算深度

6、范圍內土層剪切波速。土的類型劃分和剪切波速范圍 表3-2注：fak為由載荷試驗等方法得到的地基承載力特征值，vs為巖土剪切波速。二、 地基基礎的抗震驗算在地震作用下，為保證建筑物的安全和正常使用，地基應同時滿足承載力和變形的要求。但由于在地震作用下地基變形過程十分復雜，目前還沒有條件進行這方面的定量的計算。因此，現行抗震規(guī)范規(guī)定，只要求對地基抗震承載力進行驗算，至于地基變形，則通過對上部結構或地基基礎采取一定的抗震措施來保證。1可不進行天然地基與基礎抗震承載力驗算的建筑歷次震害調查表明，一般天然地基上的下列一些建筑很少因為地基失效而破壞。因此，抗震規(guī)范規(guī)定，建造在天然地基上的以下建筑，可不進行

7、天然地基和基礎抗震承載力驗算： 砌體房屋。 地基主要受力層范圍內不存在軟弱粘性土層的一般單層廠房、單層空曠房屋和不超過8層，且高度在25m以下的一般民用框架房屋及與其基礎載荷相當的多層框架廠房。這里的地基主要受力層是指條形基礎底面下深度為3b（b為基礎底面寬度），單獨基礎底面下深度為1b，且厚度均不小于5m的范圍（二層以下的民用建筑除外）。 7度、類場地，柱高分別不超過10m，且結構單元兩端均有山墻的鋼筋混凝土柱和磚柱單跨及等高多跨廠房（鋸齒形廠房除外）。 6度時的建筑（建造在類場地上的較高的高層建筑除外。這里較高的高層建筑是指，高度大于40m的鋼筋混凝土框架、高度大于60m的其他鋼筋混凝土民

8、用房屋及高層鋼結構房屋。）。軟弱粘性土層指7度、8度和9度時，地基靜承載力特征值分別小于80、100和120kPa的土層。2天然地基抗震承載力驗算（1） 驗算方法驗算天然地基在地震作用下的豎向承載力時，按地震作用效應標準組合的基礎地面平均壓力和邊緣最大壓力應符合下列各式要求pfaE (3-2)(3-3) pmax1.2faE式中 p -地震作用效應標準組合的基礎底面平均壓力；pmax-地震作用效應標準組合的基礎底面邊緣最大壓力；faE -調整后地基土抗震承載力?？拐鹨?guī)范同時規(guī)定，高寬比大于4的建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現拉應力；其他建筑，基礎底面與地基土之間零應力區(qū)域面積不應超過基底面積

9、的15%。根據后一規(guī)定，對基礎底面為矩形基礎，其受壓寬度與基礎寬度之比則應大于85%，即b'0.85b (3-4)式中 b'-矩形基礎底面受壓寬度（圖3-2）；b-矩形基礎底面寬度。（2） 地基土抗震承載力在地震作用下，建筑物地基土的抗震承載力與地基靜承載力是有差別的。這是因為在靜壓力作用下，地基土將產生彈性變形及永久變形（即殘余變形）。彈性變形可在短時間內完成，而永久變形則需要較長的時間才能完成，因此，在靜載長期作用下，地基中將產生較大的變形。而地震作用時間很短，只能使土層產生彈性變形而來不及發(fā)生永久變形。所以，由地震作用產生的地基變形較靜載產生的地基變形要小得多。而地基承載

10、力是根據地基允許變形值確定的，若地基允許變形值一定，因為靜載產生的變形大，故所需的靜載壓力就小，而地震作用產生的變形小，故所需的地震作用產生的壓力就應該大。因此從地基變形角度來說，地震作用時地基土的抗震承載力應比地基土的靜承載力大，即動強度一般高于靜強度，故在確定地基土抗震承載力時，其取值可以比地基靜承載力大一些。對于地基土抗震承載力的取值我國規(guī)范采取在地基土靜承載力的基礎上乘以提高系數的方法。在進行天然地基基礎抗震驗算時，地基土抗震承載力可按下式計算：faE=afa (3-5)式中 faE -調整后的地基土抗震承載力設計值；a -地基土抗震承載力調整系數，可按表3-3采用；fa -經深寬度修

11、正后，地基土靜承載力特征值，按建筑地基基礎設計規(guī)范（GB50007）（以下簡稱設計規(guī)范）采用。地震作用對軟土的影響較大，土越軟，在地震作用下的變形越大。如我國天津塘沽地區(qū)軟土，其靜承載力約為49kPa，唐山地震后，其動強度還略低于靜強度，因此，在進行抗震強度驗算時，軟弱土的抗震承載力不能提高。三、地基土的液化1液化的概念在地下水位以下的飽和的松砂和粉土受到地震的振動作用，土顆粒間有壓密的趨勢，孔隙水壓力增高以及孔隙水向外運動，這樣，一方面可能引起地面上發(fā)生噴砂冒水現象，另一方面更多的水分來不及排除，使土顆粒處于懸浮狀態(tài)，形成有如“液體”一樣的現象，稱為液化。由土力學原理可知，飽和砂土的地震液化

12、破壞，關鍵在于飽和砂土孔隙水壓力變化。 飽和砂土的抗剪強度是f=tg=(-u)tg (3-6)式中 -剪切面上有效法向壓應力（粒間壓應力）； -剪切面上總的法向壓應力； u -剪切面上孔隙水壓力； -土的內摩擦角。地震時，由于場地土作強烈振動，孔隙水壓力u急劇增高，直至與總的法向壓應力相等，即有效法向壓應力=-u=0時，沙土顆粒便呈懸浮狀態(tài)。土體抗剪強度f=0，從而使場地土失去承載能力。2影響砂土液化的因素（1） 沙土的組成一般來說，細砂比粗砂容易液化，級配均勻的比級配良好的容易液化，細砂比粗砂容易液化的主要原因是粗砂較細砂的透水性好，即使粗砂有液化現象發(fā)生，但因孔隙水超壓作用時間短，其液化進

13、行的時間也短。（2） 相對密度松砂比密砂容易液化，1964年日本的新瀉地震表明，相對密度Dr為50%的地方普遍看到液化現象，而相對密度Dr70%的地方就沒有液化。在粉土中，由于它是粘性土與無粘性土之間的過渡性土壤，因而其粘性顆粒的含量多少就決定了這類土壤的性質，從而也就影響液化的難易程度。粘性顆粒少的比多的容易液化，即粘性土壤顆粒含量超過表3-4所列指標時，即不會發(fā)生液化。（3） 土層的埋深用應力控制式的動三軸進行試驗及研究結果表明，側限壓力越大，越不容易液化。測限壓力大小實際上反映了土層的埋深。所以砂土層埋深越大，即有效覆蓋壓力越大，砂層就越不容易液化。地震時，液化砂土層的深度一般是在10m

14、以內。（4） 地下水位地下水位淺的比地下水位深的容易發(fā)生液化。對于砂類土液化區(qū)內，一般地下水位深度4m，容易液化，超過此深度后，就沒有液化發(fā)生。對粉土的液化，在7度、8度、9度區(qū)內，地下水位分別小于1.5m、2.5m、6.0m，容易液化，超過此值后，則未發(fā)生液化現象。（5） 地震烈度大小和地震持續(xù)時間多次震害調查表明：地震烈度高，地面運動強度大，就容易發(fā)生液化。一般56度地區(qū)很少看到有液化現象。日本新瀉在過去100年中發(fā)生25次地震，其中只有三次發(fā)生過液化現象，這三次地面加速度都大于0.13g。地面運動強度是砂土液化的重要原因。實驗結果還說明，如地面運動時間長，即使地震烈度低，也可能出現液化。

15、3液化的判別當建筑物地基有飽和砂土或飽和粉土時，應經過勘查試驗確定在地震時是否液化。 基本烈度為6度時，一般情況下可不進行判別和處理，但對液化沉陷敏感的乙類建筑，可按7度的要求進行判別和處理，79度時，乙類建筑可按本地區(qū)抗震設防烈度的要求進行判別和處理。存在液化土層的地基，應根據建筑的抗震設防類別、地基的液化等級，結合具體情況采取相應的措施。液化判別可分二步進行；第一步，初步判別。飽和的砂土或粉土當符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或不考慮液化影響：地質年代為第四季更新世（Q3）及其以前時，可判為不液化土；粉土的粘粒（粒徑小于0.005mm的顆粒）含量百分率c（%）在7度、8度、9度分別不

16、小于10、13和16時，應判為不液化土；采用天然基礎的建筑，當覆蓋在非液化土層上的厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響：dud0+db-2 (3-7) dwd0+db-3 (3-8) du+dw1.5d0+2db-4.5 (3-9)式中 dw-地下水位深度（m），按建筑使用期內年平均最高水位采用，也可按近期內年最高水位采用；du-上覆非液化土層厚度（m），計算時宜將淤泥和淤泥土層扣除；，不超過2m時應采用2m；d0-液化土特征深度（m）。 db-基礎埋置深度（m）第二步，標準貫入試驗判別。凡初判為可能液化或需考慮液化影響時，應采用標準貫入試驗進一步確定其是否液化。當有成熟經驗

17、時，也可采用其他辨別方法。標準貫入試驗設備，主要是由標準貫入器、觸探桿和重63.5公斤的穿心錘三部分組成。操作時先用鉆具鉆至試驗土層標高以上15cm，然后在錘的落距為76cm的條件下，每打入砂層30cm的錘擊數計作N63.5。當飽和砂土或飽和粉土實測標準貫入錘擊數（未經桿長修正）N63.5值小于按式（3-10）確定的臨界值Ncr時，則應判別為可液化土，否則為不液化土。Ncr=N00.9+0.1(ds-dw)3c(3-10)式中 Ncr-液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0 -液化判別標準貫入錘擊數基準值，按表3-7采用；ds -飽和土標準貫入點深度（m）；dw -室外地面到地下水位的距離（m）；

18、c -粘粒含量百分率，當c3時，取等于3。標準貫入錘擊數基準值注：括號內數值用于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。從式（310）可以看出，公式主要考慮了砂層所處的深度、地下水位深度、飽和土的粘粒含量，及地震烈度等影響，這些都是影響砂土液化的主要因素。4液化的等級以上僅對是否可能出現液化進行了判別，在工程中必須對液化危害性作出定量的評價。實際上，在同一地震強度下，液化層的厚度越大，埋藏越淺，土密度越低，則其液化所造成的危害越大。反之，則危害程度就小。一般是用確定地基的液化等級來進一步做液化危害分析。凡經判定為可液化的土層，應按式（3-11）來確定地基的液化指數IlE，并按表3-8

19、確定地基的液化等級。式中 IlE-液化指數； IlE=Ni 1- Ni=1crindiwi (3-11) n -15m深范圍內每一個鉆孔標準貫入試驗點總數；Ni、Ncri-分別為i點標準貫入錘擊數的實測值和臨界值，當實測值大于臨界值時應取臨界值的數值；di-i點所代表的土層厚度（m），可采用與該標準貫入試驗點相鄰的上、下兩標準貫入點深度差的一半，但上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度；wi-i土層考慮單位土層厚度的層位影響權函數值（m-1），若判別深度為15m，當該層中點深度不大于5m時應取10，等于15m時應取0，515m時應按線性內插法取值；若判別深度為20m，當該層中點深度不大于5

20、m時應取10，等于20m時應取0，520m時應按線性內插法取值。當液化指數IlE較小(0IlE5)，地面無噴水冒砂，或僅洼地、河邊有零星的噴冒點，此時，液化危害性小，場地上的建筑一般沒有明顯的沉降或不均勻沉降。當液化指數增大到515時，液化危害增大，噴冒頻頻出現，從輕微到嚴重均有，多數屬中等噴冒，液化常導致建筑物產生明顯的不均勻沉降或裂縫，在土層和結構條件的不利組合下，液化不均勻沉降可達0.2m，絕對沉降可達0.5m，特別是那些直接用液化土作地基持力層的建筑和農村簡易房屋，受害普遍較重。當液化指數IlE15時，液化危害較嚴重，場地噴冒嚴重，涌砂量大，地面變形明顯，覆蓋面廣，建筑物的不均勻沉降值

21、常達到2030cm，高重心結構可能產生不允許的傾斜，嚴重影響使用，修復工作難度增大。5可液化地基的處理地震時，飽和砂土、飽和粉土的液化將引起地基的不均勻沉降，導致建筑物破壞，傾斜場地或具體土層液化也往往帶來大體積土體滑動而造成嚴重后果。因而，為保障建筑物安全，應根據材料、施工機具、場地環(huán)境等因素綜合考慮選擇恰當的抗液化措施。（1） 一般情況下，除丁類建筑外，應避免用未經加固處理的可液化土層作為天然地基的持力層。（2） 對液化地基，應根據不同的地基液化等級，結合具體等級與具體情況，按表3-7選擇恰當的抗液化措施。（3）全部消除地基液化沉陷的措施，應符合下列要求：采用樁基時，樁端伸入液化深度以下穩(wěn)

22、定土層中的長度（不包括樁尖部分）應按計算確定，對碎石、礫、粗、中砂、堅硬粘性土和密實粉土不應小于0.5m ，其他非巖石土不宜小于1.5m；采用深基礎時，基礎底面埋入液化深度以下穩(wěn)定土層中的深度應不小于0.5m；采用加密法（如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等）加固時，應處理至液化深度下界；振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數N63.5應大于計算的臨界值。采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的1/2，且不小于基礎寬度的1/5。要求部分消除地基液化沉陷時，處理深度應使處理后的地基液化指數減少，當判別深度為15m時，其值不宜大于4，當判別深度為20m

23、時，其值不宜大于5，對獨立基礎與條形基礎，不應小于基礎底面下液化土特征深度和基礎寬度的較大值。另外，抗震規(guī)范對樁基是否需要抗震驗算專門作了詳細的規(guī)定。四、軟弱粘性土地基和不均勻地基的處理1軟弱粘性土地基的處理當建筑物地基主要受力層范圍內存在軟弱粘性土層（7度、8度和9度；其它地基靜承載能力標準值分別小于80、100和120kPa）時，由于其容許承載能力低，壓縮性大，房屋的沉降和不均勻沉降大，如設計不周，就會使房屋大量下沉，造成上部結構開裂，地震時會加劇房屋的破壞，故應首先做好靜力條件下的地基基礎設計，并結合具體情況，綜合考慮適當的抗震措施，這些措施為：（1） 必要時采用樁基或其它人工地基，其它人工地基如：換土墊層，墊層材料可以為砂、碎石、灰土、礦渣等。也可采用化學加固法，即在