基基 础础 工工 程程第第 8 章章地地 基基 基基 础础 抗抗 震震内容提要 地震的成因特征地震的成因特征地震区场地特征地震区场地特征地基基础地基基础抗震设计抗震设计概述地震成因地震成因 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，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，剩下的1%才才是人们感觉到的，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。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、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，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。的交接处，所以是多地震区域。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。 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。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。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。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。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。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。场地类别和场地选择场地选择 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。地基基础抗震设计基本原则抗震设计应贯彻“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。 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。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：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24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋；基础荷载与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。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。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。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。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。软土地基与不均匀地基抗震设计1软土地基的抗震设计当建筑物地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层时，由于其允许承载力低，压缩性大，因此房屋的不均匀沉降也大。如设计不周，就会造成建筑物的大量下沉，从而引起上部结构的破坏和开裂，地震时这种破坏会更加严重，为了保证建筑物的安全，首先应做好静力条件下的地基基础设计，然后再结合场地土的具体情况，经过对软土地基的综合分析后，再考虑采取适当的抗震措施。软土地基可采用的抗震措施有桩基、地基加固处理或减轻液化对基础和上部结构的影响，也可根据软土震陷量的估算而采取相应的抗震措施。采用桩基，如软弱粘性土层不厚时，桩基应穿过软弱土层，进入坚实土层适当的深度；若软弱土层很厚，则应设计经济的桩长。减轻液化对基础和上部结构影响的各种方法同液化地基抗震设计中的减轻液化影响措施。软土地基与不均匀地基抗震设计2不均匀地基的抗震设计不均匀地基主要指液化等级为中等或严重液化的故河道、现代河滨、海滨、自然和人工边坡等。应查明其是否有液化侧向扩展或流滑可能，对有侧向液化或流滑可能性的地段内不宜修建永久性建筑，否则应进行抗滑动验算、采取防土体滑动措施或结构抗裂措施。结构的抗地裂措施易符合下列要求：建筑物的主轴应平行河流放置；建筑的长高比宜小于3；采用筏基或箱基，基础板内应根据需要加配抗拉裂钢筋，抗拉裂钢筋可由中部向基础边缘逐渐减少。