基礎(chǔ)工程第8章

地基基礎(chǔ)抗震內(nèi)容提要

地震的成因特征地震區(qū)場(chǎng)地特征地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)概述地震成因地震是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是一種自然現(xiàn)象，是地殼內(nèi)部或外部因素作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)的地質(zhì)現(xiàn)象。全世界每年大約發(fā)生500多次地震，絕大多數(shù)地震都很小，小地震約占一年中地震總數(shù)的99%，剩下的1%才是人們感覺(jué)到的，而現(xiàn)在造成嚴(yán)重破壞的大地震，全世界平均每年大約發(fā)生18次。地震按其成因可分為：構(gòu)造地震、火山地震、陷落地震和誘發(fā)地震。全球地殼由六大塊組成，即歐亞大陸、太平洋、美洲大陸、非洲大陸、印澳與南極板塊。各大板塊內(nèi)還可以劃分為極小的板塊。由于地殼的緩慢變形，各板塊之間發(fā)生頂撞、插入等突變、形成地殼振動(dòng)，即構(gòu)造地震，多發(fā)生在各板塊的邊緣或沿海的島嶼。我國(guó)的臺(tái)灣島和日本都位于大板塊的交接處，所以是多地震區(qū)域。地震波及其特征地震引起的震動(dòng)以波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量，這就是地震波。它包含在地球內(nèi)部傳播的體波和只限于在地球表面?zhèn)鞑サ拿娌?，是一種彈性波。體波包括縱波與橫波兩種，縱波是由震源向外傳播的脹縮波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向一致，從而使得介質(zhì)不斷的壓縮和疏松，也稱為壓縮波或疏密波。在空氣里縱波就是聲波。其特點(diǎn)表現(xiàn)為周期較短，振幅較小。橫波是由震源向外傳播的剪切波，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向相垂直，也稱剪切波。其周期較長(zhǎng)，振幅較大。還應(yīng)指出，橫波只能在固體里傳播，而縱波在固體和液體里都能傳播。

地震波及其特征縱波比橫波的傳播速度要快，在儀器觀測(cè)到的記錄圖上，縱波要先于橫波到達(dá)。一般也把縱波叫P波（即初波），把橫波叫S波（即次波）。體波在地球內(nèi)部的傳播速度隨深度的增加而增大。由于地球的層狀結(jié)構(gòu)，因此體波通過(guò)分層介質(zhì)，在界面上將產(chǎn)生折射和反射；當(dāng)一個(gè)P波入射到一個(gè)界面時(shí)，不但產(chǎn)生折射和反射的P波而且還發(fā)生折射和反射的S波，S波也是如此，此外，由震源發(fā)出的震動(dòng)首先通過(guò)巖層傳到基巖表面，然后再經(jīng)基巖以上的地層傳到地表面，在此過(guò)程中由于重復(fù)反射，地表面的震動(dòng)常常得到放大。地震的震級(jí)和烈度1．震級(jí)地震強(qiáng)度通常用震級(jí)和烈度來(lái)反映。地震震級(jí)是地震固有的屬性，表示地震本身能量大小的尺度，用符號(hào)M表示，其數(shù)值是根據(jù)地震儀記錄的地震波圖確定的。目前，國(guó)際上比較通用的是里氏震級(jí)，原始定義是在1935年由里克特（C.F.Richter）給出震級(jí)表示一次地震釋放能量的多少，也是表示地震強(qiáng)度大小的指標(biāo)，所以一次地震只有一個(gè)震級(jí)。 烈度地震烈度是指地震時(shí)某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強(qiáng)弱程度。一次同樣大小的地震，若震源深度、離震中的距離和土質(zhì)條件的因素不同，則對(duì)地面和建筑物的破壞也不相同。這時(shí)，若僅用地震震級(jí)來(lái)表示地震動(dòng)的強(qiáng)度，還不足以區(qū)別地面和建筑物破壞輕重的程度。雖然一次地震只有一個(gè)震級(jí)，但距離震中不同的地方，地震的影響是不一樣的，及地震烈度不同。一般來(lái)說(shuō)，離震中越近，地震影響越大，地震烈度越高；離震中越遠(yuǎn)，地震烈度越低。震中區(qū)的烈度稱為震中烈度，用I0表示。地震區(qū)場(chǎng)地特性1．地震震害地震發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，將引起人們有震動(dòng)的感覺(jué)、自然和人工環(huán)境的變化，通常稱之為地震后的宏觀現(xiàn)象，?？筛爬樗念悾喝藗兊母杏X(jué)、人工結(jié)構(gòu)物的損壞、物體的反應(yīng)和自然狀態(tài)的變化。研究這些現(xiàn)象不僅可以理解地震作用本質(zhì)，更主要的是防止或減少地震所產(chǎn)生的破壞與人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。所以人工結(jié)構(gòu)物的損壞，應(yīng)該說(shuō)是最值得研究的宏觀現(xiàn)象。通過(guò)它的研究不僅能定性地理解地震現(xiàn)象，而且可以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為制定和改進(jìn)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以及制定抗震防災(zāi)對(duì)策措施提供依據(jù)。地震所帶來(lái)的破壞活動(dòng)主要表現(xiàn)在：1）地基震害地基的主要破壞有：地基液化、震陷、山體崩裂、滑坡、地裂等現(xiàn)象。在地下水位較高地區(qū)，地震時(shí)的強(qiáng)烈震動(dòng)會(huì)使飽和粉細(xì)砂、細(xì)砂和粉土層液化，地下水夾著砂子往往經(jīng)裂隙或其他通道蹦出地面，形成噴砂冒水現(xiàn)象。產(chǎn)生液化的原因是由于地層短暫時(shí)間里，孔隙水壓力驟然上升來(lái)不及消散，有效應(yīng)力降至零，土體呈現(xiàn)出近乎液體的狀態(tài)，強(qiáng)度完全喪失，即所謂液化。地基液化能使建筑物產(chǎn)生大量的沉降、不均勻沉降及傾斜，埋在液化土層中的管道及地下罐等則會(huì)上浮。地震使地面產(chǎn)生巨大的附加沉降稱為震陷，多發(fā)生在松砂和軟粘土中，震陷不僅使建筑物產(chǎn)生過(guò)大沉降，而且產(chǎn)生較大的差異沉降和傾斜，影響建筑物的安全使用。地震時(shí)出現(xiàn)的地裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)短和深淺等與地震強(qiáng)度、受力特征有關(guān)，如唐山地震時(shí)，地面出現(xiàn)一條長(zhǎng)10km、水平錯(cuò)動(dòng)1.25m、垂直錯(cuò)動(dòng)0.6m的大地裂，錯(cuò)動(dòng)帶寬約2.5m，致使在該斷裂段內(nèi)的房屋、道路、地下管道等遭到及其嚴(yán)重的破壞，民用建筑幾乎全部倒塌。強(qiáng)烈的地震往往造成地面錯(cuò)動(dòng)、山體崩塌和滑坡泥石流等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞河流，形成地震堰塞湖而使山河改觀。地震區(qū)場(chǎng)地特性2）建筑物的典型震害多層磚房的典型震害為外墻外閃、傾倒，縱橫墻墻面出現(xiàn)X裂縫，縱橫墻開(kāi)裂和屋頂塌落等。多高層鋼筋混凝土房屋的典型震害為梁柱節(jié)點(diǎn)破壞，柱子上混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋外崩，呈燈籠狀，在箍筋數(shù)量不足時(shí)這種情況更加常見(jiàn)。鋼筋混凝土墻的破壞形態(tài)與磚墻差不多，但其裂縫比較分散且寬度較窄。場(chǎng)地因素建筑場(chǎng)地的地形條件、地質(zhì)構(gòu)造、地下水位等對(duì)地震災(zāi)害的程度有顯著的影響。我國(guó)多次地震災(zāi)害調(diào)查表明，局部地形條件對(duì)地震時(shí)建筑物的破壞有較大的影響。一般當(dāng)局部地形高差大于30-50m時(shí)，震害就會(huì)有明顯的差異，位于高處的建筑物震害加重。1920年寧夏海原發(fā)生8.5級(jí)地震時(shí)，處于渭河谷地姚莊的烈度為7度，而2km外的牛家山莊因位于高出百米的黃土梁上，其烈度則達(dá)9度。綜上所述，孤立突出的山梁、山包、條狀山嘴、高差較大的臺(tái)地、陡坡等，均對(duì)建筑物的抗震不利。斷層是地質(zhì)構(gòu)造的薄弱環(huán)節(jié)，可將其分為發(fā)震斷層和非發(fā)震斷層，前者為具有潛在地震活動(dòng)的斷層，后者在地震作用下不會(huì)產(chǎn)生新的錯(cuò)動(dòng)。地震時(shí)，發(fā)震斷層附件地表可能發(fā)生新的錯(cuò)動(dòng)，若在其上修建建筑物必招致嚴(yán)重破壞。因此在具體進(jìn)行場(chǎng)地布置時(shí)，不宜將建筑物橫跨在斷層上，以免可能發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)和不均勻沉降帶來(lái)危害。地震對(duì)建筑物的危害程度與地下水位有明顯關(guān)系，水位越淺震害越重。地下水位深度在5m以內(nèi)時(shí)，對(duì)震害影響最明顯，當(dāng)?shù)叵滤惠^深時(shí)影響較小。對(duì)于不同類別的地基土，地下水位的影響程度也有差別。例如軟弱土層（粉砂、細(xì)砂、淤泥質(zhì)土等）影響程度最大，對(duì)粘性土影響次之，對(duì)碎石、角礫等影響較小。場(chǎng)地類別和場(chǎng)地選擇場(chǎng)地選擇工程地質(zhì)條件不同，建筑物在地震中的破壞程度也明顯不同。合理選擇建筑場(chǎng)地將會(huì)大大減輕地震災(zāi)害。影響建筑震害的地震動(dòng)參數(shù)的場(chǎng)地因素很多，其中包括局部地形、地質(zhì)構(gòu)造、地基土質(zhì)等，影響的方式也各不相同。一般認(rèn)為，對(duì)抗震有利的地段系指地震時(shí)地面無(wú)殘余變形的堅(jiān)硬土或開(kāi)闊平坦密實(shí)均勻的中硬土范圍或地區(qū)；而不利地段為可能產(chǎn)生明顯的地基變形或失效的某一范圍或地區(qū)；危險(xiǎn)地段指可能發(fā)生嚴(yán)重的地面殘余變形的某一范圍或地區(qū)。抗震規(guī)范中將場(chǎng)地劃分為有利、不利和危險(xiǎn)地段的具體標(biāo)準(zhǔn)如表8-5所示。地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)基本原則抗震設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹“預(yù)防為主”的方針，并力爭(zhēng)做到“小震不壞，中震可修、大震不倒”的設(shè)防要求。當(dāng)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，建筑物可受損壞，但經(jīng)一般修理即可恢復(fù)正常使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴(yán)重破壞。為了提高建筑物的抗震能力，在建筑規(guī)劃上應(yīng)合理布局，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“簡(jiǎn)、勻、輕、牢”的原則，同時(shí)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求。盡量選擇有利地段，如開(kāi)闊平坦的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻的中硬場(chǎng)地土等地段；避開(kāi)不利地段，如軟弱場(chǎng)地土、易液化場(chǎng)地土等，如無(wú)法避開(kāi)時(shí)宜采用適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?；而不得在危險(xiǎn)地段進(jìn)行建設(shè)。

地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在整個(gè)建筑物中一般是剛性比較大的部分，又因處于建筑物的最低部位，周圍還有土層的限制，因而振幅較小，故基礎(chǔ)本身受到的震害總是較輕的。加強(qiáng)基礎(chǔ)的防震性能目的主要是減輕上部結(jié)構(gòu)的震害。加大基礎(chǔ)埋深可以增加基礎(chǔ)側(cè)面土體對(duì)振動(dòng)的抑制作用，從而減少建筑物的振幅，有條件時(shí)可建造地下室，地下室內(nèi)易設(shè)置內(nèi)橫墻，并應(yīng)切實(shí)做好基槽的回填夯實(shí)工作。唐山地震后，凡有地下室的房