地基基础抗震设计的内容

任何建筑物都建造在地基上.地震时,土层中传播的地震波引起地基土体振动,导致土体产生附加变形,强度也相应发生变化.若地基土强度不能承受地基振动所产生的内力,建筑物就会失去支承能力,导致地基失效,严重时可产生像震陷、滑坡、液化、地裂等震害.

地基基础抗震设计的任务就是研究地震中地基和基础的稳定性和变形.其包括地基的地震承载力验算、地基液化可能性判别和液化等级的划分、震陷分析、合理的基础结构形式,以及为保证地基基础能有效工作所必须采取的抗震措施等内容.

《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008)将建筑物按使用功能的重要性和破坏后果的严重性分为四个抗震设防类别:特殊设防类(甲类)、重点设防类(乙类)、标准设防类(丙类)、适度设防类(丁类).各抗震设防类别建筑的抗震设防标准应符合下列要求:

(1)特殊设防类,应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施.但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施.同时,应按批准的抗震安全性评价的结果确定且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用.

(2)重点设防类,应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施.但抗震设防烈度为9度时,应按比9度更高的要求采取抗震措施;地基基础的抗震措施应符合有关规定,同时,应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用.

(3)标准设防类,应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用,达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标.

(4)适度设防类,允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施,但抗震设防烈度为6度时不应降低.一般情况下,仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用.

对于划为重点设防类而规模很小的工业建筑,当改用抗震性能较好的材料且符合《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)对结构体系的要求时,允许按标准设防类设防.

8．2．1 抗震设计的目标和方法

(1)抗震设计的目标.《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)将建筑物的抗震设防目标确定为“三个水准”.其具体表述为:

一般情况下,遭遇第一水准烈度(多遇地震烈度)的地震时,建筑物处于正常使用状态,从结构抗震分析的角度看,可将结构视为弹性体系.采用弹性反应进行弹性分析,规范所采取第一水准烈度比基本烈度约低一度半.

遭遇第二水准烈度(基本烈度)地震时,结构进入非弹性工作阶段,但非弹性变形结构体系的损坏程度控制在可修复的范围.

遭遇第三水准烈度(罕见地震烈度)地震时,结构有较大的非弹性变形,但应控制在规定的范围内,以免倒塌.

相应于第二水准烈度在基本烈度为6度时为7度强,7度时为8度强,8度时为9度弱,9度时为9度强.工程中,通常将上述抗震设计的三个水准简要地概括为“小震不坏、中震可修,大震不倒”的抗震设防目标.为保证实现上述抗震设防目标,《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定在具体的设计工作中采用两阶段设计步骤.

第一阶段的设计是承载力验算,取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应,进行结构构件的承载力验算,即可实现第一、第二水准的设计目标.大多数结构可仅进行第一阶段设计,而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求.

第二阶段设计是弹塑性变形验算,对特殊要求的建筑,地震时,易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构,除进行第一阶段设计外,还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施,以实现第三水准的设防要求.

上述设防原则和设计方法可简短地表述为“三水准设防,两阶段设计”.

(2)地基基础的抗震设计要求.地基基础一般只进行第一阶段设计.对于地基承载力和基础结构,只要满足第一水准对于强度的要求,同时,也就满足第二水准的设防目标.对于地基液化验算则直接采用第二水准烈度,对判明存在液化土层的地基,采取相应的抗液化措施.地基基础相应于第三水准的设防要通过概念设计和构造措施来满足.

结构的抗震设计包括计算设计和概念设计两个方面.计算设计是指确定合理的计算简图和分析方法,对地震作用效应作定量的计算及对结构抗震能力进行验算;概念设计是指从宏观上对建筑结构作合理的选型、规划和布置,选用合格的材料采取有效的构造措施等.20世纪70年代以来,人们在总结大地震灾害的经验中发现,对结构抗震设计来说,“概念设计”比“计算设计”更为重要.由于地震作用的不确定性和结构在地震作用下破坏机理的复杂性,“计算设计”很难全面有效地保证结构的抗震性能,因此必须强调良好的“概念设计”.

目前地震作用对地基基础影响的研究还不足,因此,地基基础的抗震设计更应重视概念设计.

如前所述,场地条件对结构物的震害和结构的地震反映都有很大影响,因此,应考虑场地的选择、处理、地基与上部结构动力的相互作用,以及地基基础类型的选择等都是概念设计的重要方面.

8．2．2 建筑场地类别及场地选择

选择适宜的建筑场地对于建筑物的抗震设计至关重要.

(1)场地类别划分.《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中采用以等效剪切波速和覆盖层厚度双指标分类方法来确定场地类别,具体划分见表8．1.

表8．1 各类建筑场地的覆盖层厚度　m

场地覆盖层厚度的确定方法为:

①一般情况下,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5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2．5倍的土层,且该层及其下卧岩土层的剪切波速均不小于400m/s时,可按地面至该土层顶面的距离确定.

③剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体视同周围土层.

④土层中的火山岩硬夹层当作刚体看待,其厚度应从覆盖土层中扣除.

对土层剪切波速的测量,在大面积的初勘阶段,测量的钻孔应为控制性钻孔的1/3~1/5,且不少于3个.在详勘阶段,单幢建筑不宜少于2个,密集的高层建筑群每幢建筑不少于1个.对于丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过24m的丙类建筑,当无实测剪切波速时,可根据岩土名称和性状,按表8．2划分土的类型,再利用当地经验在表8．2的剪切波速范围内估计各土层剪切波速.

表8．2 土的类型划分和剪切波速范围

场地土层的等效剪切波速,应按下列公式计算:

vse＝d0/t 　(8-1)

式中 vse——土层等效剪切波速(m/s);

d0——计算深度(m),取覆盖层厚度和20m两者的较小值;

t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间(s);

di——计算深度范围内第i土层的厚度(m);

vsi——计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s);

n——计算深度范围内土层的分层数.

【例8-1】 已知某建筑场地的地质钻探资料见表8．3,试确定该建筑场地的类别.

表8．3 场地的地质钻探资料

解:①确定地面下20m范围内土的类型.剪切波从地表到20m深度范围内的传播时间:

等效剪切波速

vse＝d0/t＝20/0．134＝149．3(m/s)

查表8．2等效剪切波速:vse＜150m/s,故表层土属于软弱土.

②确定覆盖层厚度.由表8．3可知68m以下的土层为砾石夹砂,土层剪切波速大于500m/s,覆盖层厚度应定为68m.

③确定建筑场地的类别.根据表层土的等效剪切波速vse＜150m/s和覆盖土层厚度大于50m两个条件,查表8．1则该建筑场地的类别属Ⅲ类.

(2)场地选择.通常,场地的工程地质条件不同,建筑物在地震中的破坏程度也明显不同.因此,在工程建设中适当选取建筑场地,将大大减轻地震灾害.另外,由于建设用地受到地震以外众多因素的限制,除了极不利和有严重危险性的场地以外,往往是不能排除其作为建筑场地的.故很有必要按照场地、地基对建筑物所受地震破坏作用的强弱和特征采取抗震措施,这也是地震区场地分类与选择的目的.

研究表明,影响建筑震害和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,对抗震有利的地段是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.因此,《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中将场地划分为有利、不利和危险地段的具体标准,见表8．4.

表8．4 有场地的划分

在选择建筑场地时,应根据工程需要,掌握地震活动情况和有关工程地质资料,作出综合评价,避开不利的地段,当无法避开时,应采取有效的抗震措施;对于危险地段,严禁建造甲、乙类建筑,不应建造丙类建筑.对于山区建筑的地基基础,应注意设置符合抗震要求的边坡工程,并避开土质边坡和强风化岩石边坡的边缘.

建筑场地为Ⅰ类时,对甲、乙类建筑允许按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施;丙类建筑允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施,但抗震设防烈度为6度时应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施.建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时,对设计基本地震加速度为0．15g和0．30g的地区,除另有规定外,宜分别按抗震设防烈度8度(0．20g)和9度(0．40g)时各类建筑的要求采取抗震构造措施.另外,抗震设防烈度为10度地区或行业有特殊要求的建筑抗震设计,应按有关专门规定执行.

关于局部地形条件的影响,岩质地形与非岩质地形有所不同.大量宏观调查表明,非岩质地形对烈度的影响比岩质地形的影响更为明显.因此,对于岩石地基的陡坡、陡坎等,相关规范未将其列为不利地段.但对于岩石地基中高度达数10m的条状突出的山脊和高耸孤立的山丘,由于鞭梢效应明显,振动有所加大,烈度仍有增高的趋势.所谓局部突出地形主要是指山包、山梁和悬崖、陡坎等,情况比较复杂.从宏观震害经验和地震反应分析结果所反映的总趋势,大致可以归纳为以下几点:

①高突地形距基准面的高度越大,高处的反应越强烈.

②与陡坎和边坡顶部边缘的距离加大,反应逐步减小.

③从岩土构成方面看,在同样的地形条件下,土质结构的反应比岩质结构大.

④高突地形顶面越开阔,远离边缘的中心部位的反应明显减小.

⑤边坡越陡,其顶部的放大效应越明显.

当场地中存在发震断裂时,尚应对断裂的工程影响作出评价.《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010)在对发震断裂的评价和处理上提出以下要求:

①对符合下列规定之一者,可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响:抗震设防烈度小于8度;非全新活动断裂;抗震设防烈度为8度和9度时,隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m.

②对不符合上述规定者,应避开主断裂带,其避让距离应满足表8．5的规定.

进行场地选择时还应考虑建筑物自振周期与场地卓越周期的相互关系,原则上应尽量避免两种周期过于接近,以防共振,尤其要避免将自振周期较长的柔性建筑置于松软深厚的地基土层上.若无法避免,例如,我国上海、天津等沿海城市地基软弱土层深厚,又需兴建大量高层和超高层建筑,此时宜提高上部结构整体刚度和选用抗震性能较好的基础类型,如箱形基础或桩箱基础等.

表8．5 发震断裂的最小避让距离　m

(3)地基基础方案选择.地基在地震作用下的稳定性对基础和上部结构内力分布的影响十分明显.因此,确保地震时地基基础不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求.地基基础的抗震设计应通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力.对地基基础抗震设计的基本要求如下:

①同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上,尤其不要放在半挖半填的地基上.

②同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基.

③地基有软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时,应估计地震时地基的不均匀沉降或其他不利影响,并采取相应措施.

一般在进行地基基础的抗震设计时,应根据具体情况,选择对抗震有利的基础类型,并在抗震验算时尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响,使之能反映地基基础在不同阶段的工作状态.在决定基础的类型和埋深时,还应考虑下列工程经验:

①同一结构单元的基础不宜采用不同的基础埋深.

②深基础通常比浅基础有利,因其可减少来自基底的振动能量输入.土中水平地震加速度一般在地表下5m以内减少很多,四周土对基础振动能起阻抗作用,有利于将更多的振动能量耗散到周同土层中.

③纵横内墙较密的地下室、箱形基础和筏形基础的抗震性能较好.对软弱地基,宜优先考虑设置全地下室,采用箱形基础或筏形基础.

④地基较好、建筑物层数不多时,可采用单独基础,但最好用地基梁连成整体,或采用交叉条形基础.

⑤实践证明,桩基础和沉井基础的抗震性能较好,并可穿透液化土层或软弱土层,将建筑物荷载直接传到下部稳定土层中,是防止地基液化或严重震陷而造成震害的有效方法.但要求桩尖和沉井底面埋入稳定土层不应小于1~2m,并进行必要的抗震验算.

⑥桩基宜采用低承台,可发挥承台周围土体的阻抗作用.

8．2．3 地基承载力验算

(1)天然地基承载力验算.地基和基础的抗震验算,一般采用“拟静力法”.其假定地震作用如同静力,然后在该条件下验算地基和基础的承载力和稳定性.承载力的验算方法与静力状态下的验算方法相似,即计算的基底压力应不超过调整后的地基抗震承载力.因此,当需要验算天然地基承载力时,应采用地震作用效应标准组合并符合《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的规定.基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求:

p≤fa E 　(8-3)

pmax≤1．2fa E 　(8-4)

式中 p——地震作用效应标准组合的基础底面平均压力(k Pa);

pmax——地震作用效应标准组合的基础底面边缘最大压力(k Pa);

fa E——调整后的地基抗震承载力,按式(8-5)计算(k Pa).

高宽比大于4的高层建筑,在地震作用下基础底面不宜出现拉应力;其他建筑的基础底面与地基之间的零应力区面积不应超过基础底面面积的15％.

目前,大多数国家的抗震规范在验算地基土的抗震强度时,抗震承载力都采用在静承载力的基础上乘以一个系数的方法加以调整.考虑调整的出发点:

①地震是偶发事件,是特殊荷载,因而,地基的可靠度容许有一定程度的降低.

②地震是有限次数不等幅的随机荷载,其等效循环荷载不超过十几到几十次,而多数土在有限次数的动载下强度较静载下稍高.

基于上述两个方面原因,《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)采用抗震极限承载力与静力极限承载力的比值作为地基土的承载力调整系数,其值也可近似通过动静强度之比求得.因此,在进行天然地基的抗震验算时,地基的抗震承载力应按下式计算:

fa E＝ζafa 　(8-5)

式中 ζa——地基抗震承载力调整系数,按表8．6采用;

fa——深宽修正后的地基承载力特征值(k Pa),应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)采用.

表8．6 地基抗震承载力调整系数

对我国多次强地震中遭受破坏建筑的调查表明,只有少数房屋是由于地基的原因而导致上部结构破坏的.而这类地基大多数是液化地基、易产生震陷的软土地基和严重不均匀的地基.一般地基均具有较好的抗震性能,极少发现因地基承载力不够而产生震害.因此,通常对于量大面广的一般地基和基础可不做抗震验算,而对于容易产生地基基础震害的液化地基、软土地基和严重不均匀地基,则应采用相应的抗震措施,以避免或减轻震害.

《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定,地基主要受力范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算:规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑;一般的单层厂房和单层空旷房屋;砌体房屋;不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋;基础荷载与前相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋.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80k Pa、100k Pa、和120 k Pa的土层.

【例8-2】 某建筑物的室内基础,如图8．1所示,考虑地震作用组合,其内力标准组合值在室内地坪(±0．000)处为:F＝820k N,M＝600k Nm,V＝90k N,基底尺寸b×l＝3．0m×3．2m,基础埋深d＝2．2m,G为基础自重和基础上的土重标准值,G的平均重度γ＝20k N/m3;建筑场地均是红黏土,其重度γ0＝18k N/m3.含水比aw＞0．8,承载力特征值fak＝160k Pa.要求根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)和《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)要求复核地基抗震承载力.

图8．1 某建筑物的室内基础

【解】

①基础底面的压力值.基础自重和基础上土重标准值G

G＝3．2×3．0×2．2×20＝422．4(k N)

N＝F＋N＝820＋422．4＝1242．4(k N)

作用于基础底面的弯矩值M

M＝600＋90×2．2＝798(k Nm)

偏心距

a＝0．5b－e＝0．5×0．3－0．642＝－0．492(m)

②地基承载力设计值.根据含水比aw＞0．8,红黏土的地基承载力修正系数ηb＝1．0, ηd＝1．2,则修正后的地基承载力特征值为:

fa＝fak＋ηdγm(d－0．5)＝160＋1．2×18×(2．2－0．5)＝196．7(k N/m2)

根据表8．6,150k Pa≤fak＜300k Pa的黏性土的地基土抗震承载力调整系数ξa＝1．3.

由式(8-5)得地基抗震承载力特征值

fa E＝ζafa＝1．3×196．7＝255．7(k N/m2)

③地基土抗震承载力验算.由式8-3和8-4知验算要求

则

p＝129．4k N/m2≤fa E＝255．7k N/m2

pmax＝302k N/m2≤1．2fa E＝1．2×255．7＝306．8(k N/m2)

满足要求.

基础底面与地基土之间零应力区的长度为

b－3a＝3．0－3×0．857＝0．429(m)＜15％×b＝0．15×3＝0．45(m)

满足《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的规定.

(2)桩基础验算.桩基础的抗震性能普遍优于其他类型基础,但桩端直接支承于液化土层和桩侧有较大地面堆载者除外.另外,当桩承受有较大水平荷载时仍会遭受较大的地震破坏作用.《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中关于桩基础的抗震验算和构造的有关规定如下:

①桩基可不进行承载力验算的范围.对于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、淤泥质土和地基土承载力特征值不大于100k Pa的填土时,下列建筑可不进行桩基的抗震承载力验算:

在抗震设防烈度为7度和8度时,一般的单层厂房和单层空旷房屋、不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋、基础荷载与前相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋以及规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑.

②非液化土中低承台桩基的抗震验算.对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％.考虑到一定条件下承台周围回填土有明显分担地震荷载的作用,故规定当承台周围回填土夯实至密度不小于《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)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.

③存在液化土层时的低承台桩基抗震验算.存在液化土层时的低承台桩基,其抗震验算应符合下列规定:

对埋置较浅的桩基础,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,可按下列两种情况进行桩的抗震验算,并按不利情况设计.

桩承受全部地震作用,桩的承载力比非抗震设计时提高25％,液化土的桩周摩阻力及桩的水平抗力均乘以表8．7所列的折减系数.

表8．7 土层液化影响折减系数

地震作用按水平地震影响系数最大值的10％采用,桩承载力仍按非液化土中的桩基确定,但应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的桩周摩阻力.

对于打入式预制桩和其他挤土桩,当平均桩距为2．5~4倍桩径且桩数不少于5×5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击数宜由试验确定,也可按下式计算:

N1＝NP＋100ρ(1－e－0．3Np) 　(8-6)

式中 N1——打桩后的标准贯入锤击数;

ρ——打入式预制桩的面积置换率;

Np——打桩前的标准贯入锤击数.

上述液化土中桩的抗震验算原则和方法主要考虑了以下几种情况:

①不计承台旁土抗力或地坪的分担作用偏于安全,也就是将其作为安全储备,因目前对液化土中桩的地震作用与土中液化进程的关系尚未弄清.

②根据地震反应分析与振动台试验,地面加速度最大的时刻出现在液化土的孔压比小于1(常为0．5~0．6)时,此时土尚未充分液化,只是刚度比未液化时下降很多,故可仅对液化土的刚度作折减.

③液化土中孔隙水压力的消散往往需要较长的时间.地震后土中孔压不会很快消散完毕,往往于震后才出现喷砂冒水,这一过程通常持续几小时甚至一两天,其间常有沿桩与基础四周排水的现象,这说明此时桩身摩阻力已大减,从而出现竖向承载力不足和缓慢地沉降,因此,应按静力荷载组合校核桩身的强度与承载力.

④构造要求.桩基理论分析表明,地震作用下桩基在软、硬土层交界面处最易受到剪、弯损害.在采用的桩身内力计算方法中却无法反映,目前,除考虑桩土相互作用的地震反应分析可以较好地反映桩身受力情况外,还没有简便实用的计算方法保证桩在地震作用下的安全,因此,必须采取有效的构造措施.

故液化土和震陷软土中的桩,应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度范围内配置钢筋,且纵向钢筋应与桩顶部位相同,箍筋应加粗和加密.

处于液化土中的桩基承台周围,宜用非液化土填筑夯实.若用砂土或粉土则应使土层的标准贯入锤击数不小于规定的液化判别标准贯入锤击数的临界值.

【例8-3】 某预制方桩,桩截面尺寸为350mm×350mm,桩长16．5m,桩顶离地面,桩承台底面离地面－1．5m,桩顶0．5m嵌入桩承台,地下水位于地表下－3．0m,8度地震区.土层分布从上向下为:0~－0．5m为黏土,qisk＝－30k Pa;－5~－15m为粉土, qisk＝20k Pa,黏粒含量2．5％;－15~－30m为密砂,qisk＝50k Pa,qps＝－3500k Pa.当地表下－10．0m处实际标准贯入锤击数为7击,临界标准贯入锤击数为10击时,按桩承受全部地震作用,求单桩竖向抗震承载力特征值.

【解】 根据表8．7,实际标准贯入锤击数/临界标准贯入锤击数λN＝7/10＝0．7

地表下5~10m为粉土,折减系数曲φ＝1/3

地表下10~15m为粉土,折减系数曲φ＝2/3

单桩竖向极限承载力特征值为:

Ra＝4×0．35(3×30＋1/3×5×20＋2/3×5×20＋3×50)＋0．352×3500

＝1．4×(90＋33．33＋66．67＋150)＋428．75

＝904．75(k N)

桩的竖向抗震承载力特征值,可比非抗震设计时提高25％

Ra E＝1．25×904．75＝1131(k N)

8．2．4 液化判别及抗震措施

历次地震灾害调查表明,在地基失效破坏中由砂土液化造成的结构破坏在数量上占有很大的比例,因此,有关砂土液化的规定在各国抗震规范中均有所体现.处理与液化有关的地基失效问题一般是从判别液化可能性和危害程度以及采取抗震对策两个方面来加以解决.

液化判别和处理的一般原则是:对饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)地基的液化判别和地基处理,6度时,一般情况下可不进行判别和处理,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;地面下存在饱和砂土和粉土时,除6度外,应进行液化判别,存在液化土层的地基,应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级,结合具体情况采取相应的措施.

(1)液化判别和危险性估计方法.对于一般工程项目,砂土或粉土液化判别及危害程度估计可按以下步骤进行,如图8．2所示.

①初判.以地质年代、黏粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件,具体规定如下:地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及以前的土层,7度、8度时可判为不液化;粉土的黏粒(粒径小于0．005mm的颗粒)含量百分率,在7度、8度和9度时分别大于10、13和16的土层可判为不液化;采用浅埋天然地基的建筑,当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时,可不考虑液化影响:

du＞d0＋db－2 　(8-7)

dw＞d0＋db－3 　(8-8)

du＋dw＞1．5d0＋2db－4．5 　(8-9)

式中 dw——地下水位深度(m),宜按设计基准期内年平均最高水位采用,也可按近期内年最高水位采用;

图8．2 液化判别步骤

du——上覆盖非液化土层厚度(m),计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除;

db——基础埋置深度(m),不超过2m时应采用2m;

d0——液化土特征深度(m),可按表8．8采用.

表8．8 液化土特征深度　m

②细判.当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时,应采用标准贯入试验判别法判别地面下20m范围内土的液化;但对《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的规定可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑,可只判别地面下15m范围内土的液化.当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时,应判为液化土.当有成熟经验时,尚可采用其他判别方法.

在地面以下20m深度范同内,液化判别标准贯击数临界值可按下式计算:

式中 Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值;

N0——液化判别标准贯入锤击数基准值,可按表8．9采用;

ds——饱和土标准贯入点深度(m);

dw——地下水位(m);

ρc——黏粒含量百分率,当小于3或为砂土时,应采用3;

β——调整系数,设计地震第一组取0．80,第二组取0．95,第三组取1．05.

表8．9 液化判别标准贯入锤击数基准值N0

对存在液化砂土层、粉土层的地基,应探明各液化土层的深度和厚度,按下式计算每个钻孔的液化指数,并按表8．10综合划分地基的液化等级:

式中 Il E——液化指数;

n——在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;

Ni、Ncri——分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值,当实测值大于临界值时应取临界值;当只需要判别15m范围以内的液化时,15m以下的实测值可按临界值采用;

di——i点所代表的土层厚度(m),可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不深于液化深度;

Wi——i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m－1).当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于20m时应采用零值,5~20m时应按线性内插法取值.

表8．10 液化等级与液化指数的对应关系

【例8-4】 某场地的土层分布及各土层中点处标准贯入击数,如图8．3所示.该地区抗震设防烈度为8度,由《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)查得的设计地震分组组别为第一组.基础埋深按2．0m考虑.请按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)判别该场地土层的液化可能性以及场地的液化等级.

图8．3 某场地的土层分布及各土层中点处标准贯入

【解】 ①初判.根据地质年代,土层④可判为不液化土层,其他土层根据式(8-7)~式(8- 9)进行判别如下:

由图可知dw＝1．0m,ds＝2．0m

对土层①,du＝0,由表8-8查得d0＝8．0m,计算结果表明不能满足上述三个公式的要求,故不能排除液化可能性.

对土层②,du＝0,由表8-8查得d0＝7．0m,计算结果不能排除液化可能性.

对土层③,du＝0,由表8-8查得d0＝8．0m,与土层①相同,不能排除液化可能性.

②细判.对土层①,dw＝1．0m,ds＝2．0m,因土层为砂土,取ρc＝3,另由表8．9查得N0＝10,故由公式(8-10)算得标贯击数临界值Ncr为:

Ncr＝N0β[ln(0．6ds＋1．5)－0．1dw]3/ρc

＝10×0．8×[ln(0．6×2＋1．5)－0．1×1]× 3/3

＝7．12(m)

因N＝6＜Ncr,故土层①判为液化土.

对土层②,dw＝1．0m,ds＝2．0m,ρc＝3,ρc＝3,由公式(8-10)算得Ncr为

Ncr＝N0β[ln(0．6ds＋1．5)－0．1dw]3/ρc

＝10×0．8×[ln(0．6×5．5＋1．5)－0．1×1]× 3/8

＝7．69(m)

因N＝10＞Ncr,故土层②判为不液化土.

对土层③,dw＝1．0m,ds＝8．5m,N0＝10,因土层为砂土,取ρc＝3,由公式(8-10)算得Ncr为:

Ncr＝N0β[ln(0．6ds＋1．5)－0．1dw]3/ρc

＝10×0．8×[ln(0．6×8．5＋1．5)－0．1×1]× 3/3

＝14．32(m)

因N＝24＞Ncr,故土层③判为不液化土.

③场地的液化等级.由上面已经得出只有土层①为液化土,该土层中标贯点的代表厚度应取为该土层的水下部分厚度,即d＝3．0m,按式(8-11)的说明,取W＝10.代入式(8-11),有:

查表8．10得,该场地的地基液化等级为轻微.

(2)地基的抗液化措施及选择.液化是地震造成地基失效的主要原因,应减轻这种危害,并应根据地基液化等级和结构特点选择相应措施.目前,常用的抗液化工程措施都是在总结大量震害经验的基础上提出的.即综合考虑建筑物的重要性和地基液化等级,再根据具体情况确定.

理论分析与振动台试验均已证明液化的主要危害来自基础外侧,液化土层范围内位于基础正下方的部位其实最难液化.由于最先液化区域对基础正下方未液化部分产生影响,使之失去侧边土压力支持并逐步被液化,此种现象称为液化侧向扩展.已有的工程实践表明,将轻微和中等液化等级的土层作为持力层在一定条件下是可行的.但工程中应经过严密的论证,必要时应采取有效的工程措施予以控制.另外,在采用振冲桩或挤密碎石桩加固后桩间土的实测标贯值仍低于相应临界值时,不宜简单地判为液化.许多文献或工程实践均已指出振冲桩和挤密碎石桩有挤密、排水和增大地基刚度等多重作用,而实测的桩间土标贯值不能反映排水作用和地基土的整体刚度.因此,规范要求加固后的桩间土的标贯值不宜小于临界标贯值.《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)对于地基抗液化措施及其选择具体规定如下:

①当液化土层较平坦且均匀时,宜按表8．11选用地基抗液化措施;尚可计入上部结构重力荷载对液化危害的影响,根据对液化震陷量的估计适当调整抗液化措施.不宜将未处理的液化土层作为天然地基持力层.

表8．11 抗液化措施

②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)加同时,应处理至液化深度下界,振冲或挤密碎石桩加固后,桩间土标贯击数不宜小于前述的液化判别标贯击数的临界值;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以下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5.

③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小,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的特征深度和基础宽度的较大值;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前述液化判别标贯击数的临界值;基础边缘以外的处理宽度应超过基础底面以下处理深度的1/2,且不小于基础宽度的1/5.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.

④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;管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采用柔性接头等.

(3)对于液化侧向扩展产生危害的考虑.为了有效地避免和减轻液化侧向扩展引起的震害,《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)根据国内外的地震调查资料,提出对于液化等级为中等液化和严重液化的古河道、现代河滨和海滨地段,当存在液化扩展和流滑可能时,在距常时水线(宜按设计基准期内平均最高水位采用,也可按近期最高水位采用)约100m以内不宜修建永久性建筑,否则应进行抗滑验算(对桩基亦同)、采取防土体滑动措施或结构抗裂措施.

①抗滑验算可按下列原则考虑:非液化土覆土层施加于结构的侧压相当于被动土压力,破坏土楔的运动方向是土楔向上滑而楔后土体向下,与被动土压力发生时的运动方向一致;液化层中的侧压相当于竖向总压的1/3;桩基承受侧压的面积相当于垂直于流动方向桩排的宽度.

②减小地裂对结构影响的措施包括:将建筑的主轴沿平行于河流的方向设置;使建筑的长高比小于3;采用筏基或箱基,基础板内应根据需要加配抗拉裂钢筋,筏基内的抗弯钢筋可兼作抗拉裂钢筋,抗拉裂钢筋可由中部向基础边缘逐段减少.

地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层与湿陷性黄土时,应结合具体情况综合考虑,采用桩基、地基加固处理等措施,也可根据对软土震陷量的估计采取相应措施.

思考题

一、简答题

1．什么是地震? 地震按成因如何分类? 地震按震源深度如何分类?

2．震级和烈度的概念是什么?工程设计常用的烈度有哪些?

3．地基的震害有哪些常见类型?基础的震害有哪些常见类型?

4．地基液化的原因是什么? 全部消除地基液化沉陷的措施有哪些?

5．对应抗震设防的三水准目标,地基基础的抗震设计包含哪些内容?

6．地基基础的抗震概念性设计包含哪些内容?

7．如何确定建筑场地的类别?不同类别的建筑场地抗震设防要求如何?

二、计算题:

某厂房的柱独立基础埋深3m,基础底面为边长4m的正方形.现已测得基底主要受力层的地基承载力特征值为fak＝190k Pa,地基土的其余参数如图8．4所示.考虑地震作用效应标准组合时计算得基底形心荷载为:N＝4850k N,M＝920k Nm(单向偏心).试按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)验算地基的抗震承载力.

图8．4 地基土的其余参数