土力學(xué)第九章

鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院土力學(xué)授課者劉忠玉第九章地震區(qū)地基第一節(jié)概述一、地震的類型1．人工觸發(fā)地震人工觸發(fā)地震指人類工程活動引起的地震，如大型水庫的修建、大規(guī)模人工爆炸、地下核爆炸試驗、各種機械振動等造成的地震。2．天然地震（1）構(gòu)造地震：是由地下深處巖層錯動、破裂所造成的地震。（2）火山地震：是由火山作用，如巖漿活動、氣體爆炸等引起的地震。（3）陷落地震：是由地層陷落引起的地震。二、地震的分布1．地震的分布很廣（1）環(huán)太平洋地震活動帶。環(huán)太平洋帶西部邊緣包括日本、馬里亞納群島、臺灣、菲律賓、印尼，直至新西蘭。它的東部邊緣是南、北美洲的西海岸，包括美國、墨西哥、秘魯、智利等國。該帶所發(fā)生地震數(shù)量占地震總數(shù)的75%~80%以上。（2）地中?！衼喌卣鸹顒訋?。地中海—中亞帶大致呈東西走向，與山脈延伸方向一致，從亞速爾群島經(jīng)過地中海、喜馬拉雅地區(qū)，至我國的云南、四川西部和緬甸等地，與環(huán)太平洋帶相接。這一帶地震能量約占15％～20％。2．我國是多地震的國家中國位于上述世界兩大地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育。20世紀以來，中國共發(fā)生6級以上地震近800次我國的地震活動主要分布在五個地區(qū)的23條地震帶上。這五個地區(qū)是：①臺灣省及其附近海域；②西南地區(qū)，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地區(qū)，主要在甘肅河西走廊、青海、寧夏、天山南北麓；④華北地區(qū)，主要在太行山兩側(cè)、汾渭河谷、陰山–燕山一帶、山東中部和渤海灣；⑤東南沿海的廣東、福建等地。1976年唐山大地震中倒塌的廠房

2008年5月12日汶川地震2010年4月10日玉樹地震三、有關(guān)地震的幾個概念四、地震的震級、烈度（一）地震震級震級標準，最先是由美國地震學(xué)家里克特提出來的，所以又稱“里氏震級”。一次5級地震釋放的能量相當(dāng)于二萬噸黃色炸藥（TNT）爆炸時所釋放的能量。震級相差1.0級，能量相差30倍。一次地震只有一個震級。

（二）地震烈度地震對某一地區(qū)的影響和破壞程度稱地震烈度，簡稱烈度。它是根據(jù)地震造成的地面破壞、建筑物破壞和人的感覺、反應(yīng)等宏觀現(xiàn)象來綜合評定的。當(dāng)然，也可通過儀器的微觀記錄進行有關(guān)計算得出絕對的烈度。基本烈度、建筑場地烈度和設(shè)計烈度

（1）基本烈度。一個地區(qū)今后一定時期（100年）內(nèi)，一般場地條件下可能遭遇的最大地震烈度，稱為基本烈度，它依據(jù)于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地形條件和歷史地震情況和長期地震預(yù)報?；玖叶纫话闶强拷鹬辛叶却螅h離震中烈度小。（2）建筑場地烈度。建筑場地烈度也稱小區(qū)域烈度，它是指建筑場地內(nèi)因地質(zhì)條件、地形地貌條件和水文地質(zhì)條件的不同而引起基本烈度的降低和提高的烈度。一般來說，建筑場地烈度比基本烈度提高或降低半度至一度。3）設(shè)計烈度。各類不同的建筑抗震設(shè)計所采用的烈度稱為設(shè)計烈度。它是根據(jù)建筑物的重要性等級、抗震性以及工程的經(jīng)濟性等條件對基本烈度的調(diào)整。設(shè)計烈度一般采用國家批準的基本烈度。但在遇到不良地質(zhì)條件或有特殊重要意義的建筑物時，經(jīng)主管部門批準，可對基本烈度加以調(diào)整作為設(shè)計烈度。五、建筑場地類別與震害1．場地土的類型《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011）規(guī)定，對于丁類建筑及層數(shù)不超過10層且高度不超過30m的丙類建筑，當(dāng)無實測剪切波速時，可根據(jù)巖土名稱和性狀，按下表劃分土的類型，再利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗在該表的剪切波速范圍內(nèi)估計各土層的剪切波速。土的類型巖土名稱和性狀土層剪切波速范圍（m/s）堅硬土或巖石穩(wěn)定巖石，密實的碎石土vs.>500中硬土中密、稍密的碎石土，密實、中密的礫、粗、中砂，fak>200kPa的粘性土和粉土，堅硬黃土500≥vs>250中軟土稍密的礫、粗、中砂，除松散外的細、粉砂，fak≤200kPa的粘性土和粉土，fak>130的填土，可塑黃土250≥vs>140軟弱土淤泥與淤泥質(zhì)土，松散的砂，新近沉積的粘性土和粉土，fak≤130kPa的填土，、流塑黃土vs≤140建筑場地的類別劃分

（1）確定場地土層覆蓋層厚度。一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定；當(dāng)?shù)孛?m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，且其下臥層土的剪切波速均不小于400m/s時，可按地面至該土層頂面的距離確定。另外，剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層；土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視同剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋層中扣除。（2）按下式計算土層的等效剪切波速vse式中d0——計算深度，m，取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；t——剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間，s；di——計算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度，m；vsi——計算深度范圍內(nèi)第i土層剪切波速，m/s；n——計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。（3）建筑的場地類別，應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度按表6–5劃分為四類。當(dāng)有可靠的剪切波速和覆蓋層厚度且其值處于該表所列場地類別的分界線附近時，應(yīng)允許按插值方法確定地震作用計算所用的設(shè)計特征周期。等效剪切波速(m/s)場地類別ⅠⅡⅢⅣvse>5000500≥vse>250<5≥5250≥vse>140<33~50≥50vse≤140<33~15>15~80>802．各類場地土的震害堅硬場地土、穩(wěn)定巖石和I類場地是抗震最理想的地基，震害輕微；中硬場地土和Ⅱ類場地，為較好的抗震地基，震害較?。卉浫鯃龅赝梁廷纛悎龅?，震害最嚴重。六、地震效應(yīng)地震發(fā)生時，地面會出現(xiàn)各種震害和破壞現(xiàn)象，也稱地震效應(yīng)，即地震的破壞作用。地震區(qū)對場地的地震效應(yīng)主要有：地震力效應(yīng)、地震破裂效應(yīng)、地震液化效應(yīng)和地震激發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的效應(yīng)等。第二節(jié)土的動力性質(zhì)一、土的動應(yīng)力應(yīng)變性能

土的動力參數(shù)主要是阻尼比和動剪切模量。動剪切模量是動剪切力與動剪切應(yīng)變的比值，常根據(jù)土在在彈性界限內(nèi)應(yīng)力與動應(yīng)力之比即動彈性模量換算而得。阻尼是指阻礙物體的相對運動、并把運動能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他可以耗散能量的一種作用。

阻尼比為阻尼與臨界阻尼（在臨界阻尼下即開始進入非振動狀態(tài)）之比。土的動彈性模量可以通過現(xiàn)場波動試驗，或用室內(nèi)動力三軸試驗等加以測定。

二、土的動強度

加荷時間效應(yīng)：沖擊荷載、振動荷載與靜荷載的加荷時間不同，加荷時間的長短也就是加荷速度或者相應(yīng)的應(yīng)變速度的快慢。速度不同，土的反應(yīng)也不一樣。振次效應(yīng)：周期性的循環(huán)荷載，隨著其循環(huán)的次數(shù)不同，土的強度反應(yīng)也不同。振次愈少，動強度愈高，隨著動荷載的反復(fù)作用，土變軟弱。當(dāng)壓實土在動應(yīng)力反復(fù)作用100次時，其動強度幾乎等于靜強度。若動荷載繼續(xù)反復(fù)作用，則動強度將會低于靜強度。

粘性土的動強度

在地震荷載作用下（相當(dāng)于10次至15次的循環(huán)荷載），飽和粘性土的強度可增可減，其變動范圍約為靜強度的90～110％，而非飽和壓實土的強度則為靜強度的100～90％。一般來說，地震作用下的粘性土的強度變化不大。但軟粘土在地震作用下變形較大，其強度也會有一定的降低。因此，建在軟土地基上的建筑物，將產(chǎn)生震陷，尤其是土層內(nèi)部夾有軟土的不均勻地基，由于軟土強度下降，變形率劇增，造成地基嚴重的不均勻沉陷，致使上部建筑物破壞。三、土體液化的預(yù)測及判別

液化：振動時，粒間有效壓力趨近于零。影響砂土液化的主要因素：土的類型、級配和密實度；周圍壓力和地下水位；地震烈度大??；地面振動的歷時

砂土液化可能性的判別

1．初步判別：飽和的砂土或粉土，當(dāng)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：①地質(zhì)年代為第四世紀晚更新世（Q3）及其以前時，可判為不液化土；②粉土的粘粒含量百分率，7度、8度和9度烈度區(qū)分別不小于10，13和16時，可判為不液化土；③采用天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層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：du——上覆非液化土層厚度（m）；計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；dw——地下水位深度（m）；宜按設(shè)計基準期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用；db——基礎(chǔ)埋置深度（m）；不超過2m時取2m；d0——液化土特征深度（m）；可按表9.5取值。液化液化土特征深度d0

飽和土類別7度8度9度粉土678砂土7892．標準貫入試驗判別法

地下15m深度范圍內(nèi)

地下15~20m深度范圍內(nèi)

標準貫入錘擊數(shù)基準值N0

設(shè)計地震分組7度8度9度第一組6（8）10（13）16第二、三組8（10）9（15）18（四）地基的液化等級

1．液化指數(shù)

n——15m深度范圍內(nèi)，每一個鉆孔標準貫入試驗點的總數(shù)；Ni、Ncri——分別為i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值；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、下兩標準貫入試驗點深度差的一半；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(quán)函數(shù)(m–1)。若判別深度為15m，當(dāng)土層中點深度不大于5m時應(yīng)采用10，等于15m時應(yīng)采用零值，5m~15m時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值；若判別深度為20m，當(dāng)該層中點深度不大于5m時應(yīng)采用10，等于20m時應(yīng)采用零值，5～20m時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。2．地基的液化等級

液化等級液化指數(shù)對建筑的危害情況地面噴水冒砂情況輕微0~5危害性小，一般不至引起明顯的震害地面無噴水冒砂，或僅在洼地、河邊有零星的噴水冒砂點0~6中等5~15危害性較大，可造成不均勻沉陷和開裂，有時不均勻沉陷可能達到20mm噴水冒砂可能性大，從輕微到嚴重均有，多數(shù)屬中等5~16嚴重>15危害性大，不均勻沉陷可能大于200mm，高重心結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不容許的傾斜一般噴水冒砂都很嚴重，地面變形很明顯>16注：上、下分別為判別深度為15m、20m時的液化指數(shù)

四、土體液化的防治措施

建筑抗震設(shè)防類別地基的液化等級輕微中等嚴重乙類部分消除液化沉陷，或?qū)A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理全部消除液化沉陷丙類基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，亦可不采取措施基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，或更高要求的措施全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理丁類可不采取措施可不采取措施基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理或其他經(jīng)濟的措施第三節(jié)地基基礎(chǔ)抗震概念設(shè)計和抗震驗算1．建筑抗震設(shè)防標準抗震設(shè)防是以現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟條件為前提的，現(xiàn)行建筑抗震設(shè)防的基本原則是“三水準的設(shè)防目標”。（1）小震不壞。當(dāng)建筑物遭受低于本區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。建筑物處于正常狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震分析角度，可視為彈性體系，采用彈性反應(yīng)譜進行彈性分析。（2）中震可修。當(dāng)建筑物遭受相當(dāng)本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需要修理仍可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)進入非彈性工作階段，但非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系的損壞控制在可修復(fù)范圍。（3）大震不倒。當(dāng)建筑物遭受本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時，不致于倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。結(jié)構(gòu)有較大非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以免倒塌。2．選擇有利場地選擇建筑場地時，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況、工程地質(zhì)條件和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，按下表劃分對抗震有利、不利和危險地段。對不利地段，應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效措施；不應(yīng)在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。地段類型地質(zhì)、地形、地貌有利地段穩(wěn)定基巖，堅硬土，開闊、平坦、密實、均勻的中硬土等不利地段軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（如故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基）等危險地段地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表位錯的部位3．地基抗液化、抗震陷、抗滑移措施對有可能發(fā)生液化的地基，消除或減少震害的地基處理方法主要有：采用樁基礎(chǔ)或其他深基礎(chǔ)，將樁端和深基礎(chǔ)底面深入非軟土層；挖除或加固處理軟土層，挖除或處理范圍應(yīng)達到基礎(chǔ)底下一定深度（基礎(chǔ)寬度的1～2倍）和一定寬度（基礎(chǔ)寬度的2～3倍）。在無條件采取地基處理措施時，可將軟土地基的承載力折減后進行基礎(chǔ)設(shè)計，折減系數(shù)一般可取0.8。對于可能發(fā)生震陷的地基，采取基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施也是一種合適的對策。對于地基土性質(zhì)變化明顯，屬于嚴重不均勻地基的情況，為避免地震時基礎(chǔ)傾斜，首先應(yīng)考慮避開，不然則應(yīng)采取類似于震陷地基的處理措施。對于地基土偏硬的部分，有時可加設(shè)“褥墊”。對于可能在地震時產(chǎn)生滑動的地基土，應(yīng)采取地基加固或抗滑樁等抗震措施。4．做好基礎(chǔ)設(shè)計（1）適當(dāng)加大基礎(chǔ)埋深d。基礎(chǔ)埋深d加大，可以增加地基土對建筑物的約束作用，從而減小建筑物的振幅，減輕震害。還可以提高地基的強度和穩(wěn)定性，有利于減少建筑物的整體傾斜，防止滑移及傾覆。實踐表明，地下結(jié)構(gòu)物具有良好的抗震性能。（2）選擇較好的基礎(chǔ)類型?；A(chǔ)類型不同，產(chǎn)生的震害可能不同。地震區(qū)的軟土地基上應(yīng)該選擇剛度大、整體性好的箱形基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)。箱基與筏基能有效地調(diào)整與減輕震陷引起的不均勻沉降，從而減輕對上部結(jié)構(gòu)的破壞。除箱基與筏基以外，樁基礎(chǔ)的動力反應(yīng)也不敏感，是一種良好的抗震基礎(chǔ)形式。設(shè)計時注意樁基應(yīng)穿過液化土層并插入非液化的堅實土層一定深度，以保持穩(wěn)定。5．加強建筑物整體性在設(shè)計中加強基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的整體性，對建筑物抗震十分有利。例如，磚混結(jié)構(gòu)條形基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上面設(shè)置一道鋼筋混凝土地梁，把內(nèi)外墻的基礎(chǔ)連成整體。必要時在樓房層之間設(shè)置鋼筋混凝土圈梁，同時在建筑物的四周與內(nèi)外墻交接處設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，并與地梁和各層之間的圈梁牢固連接，將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連成整體，這對抗震極為有利。二、抗震驗算時土壓力的計算

物部–岡部方法（水平地震）（水平和豎向地震）三、地基抗震強度驗算

可不進行天然地基及基礎(chǔ)的抗震驗算的建筑：1）砌體房屋，多層內(nèi)框架房屋，水塔；2）地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層的一般單層廠房和單層空曠房屋、不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋及與之基礎(chǔ)荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。這里，所謂軟弱粘性土主要是指7、8和9度時，地基靜承載力特征值分別小于80kPa、100kPa和120kPa的土層；3）可不進行上部結(jié)構(gòu)抗震驗算的建筑。對于承受豎向荷載為主的低承臺，當(dāng)基底下無可液化土層，且承臺周圍無淤泥、淤泥質(zhì)土和地基靜承載力特征值不大于100kPa的填土?xí)r，上列的第1）、3）條規(guī)定的建筑及7度和8度時的第2條規(guī)定的建筑，可不進行樁基抗震承載力驗算。1．天然地基的抗震強度驗算和加固處理

p——地震作用效應(yīng)標準組合的基礎(chǔ)底面平均壓力（kPa）；pmax——地震作用效應(yīng)標準組合的基底邊緣處最大壓力（kPa）；fa——深寬修正后的地基承載力特征值（kPa），應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《建筑地基基