第9章地基基础抗震设计工程场地条件与需害天然地基土层动力响应与计算第9章地基基础抗震设计地基抗震设计桩和桩基的动力分析县沙理工大学博学力行中正拓新博学力行中正拓新本章要点9.1工程场地条件与震害20世纪50年代形成的以工程抗震为主题的地震工程学主要关注工程结构的抗爆问题，此时，场地地基的工程场地条件与震膏+抗震性能，以及场地条件对宏观震睿的影响则未引起酱4桩和桩基的动力分析遮的重视。博学力柠守正拓新博学力行守正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害1964年，在阿拉斯加和新泻分别发生了9.4级和7.5工程场地条件一般是指场地的局部地质条件，如近级大地震，引发了大面积砂土液化，造成地基失效而使地表几十米至几百米的地基岩土体的物理力学性质、厚工程结构造受巨大破坏。这两次地震唤起了人们对地基度、地下水理深等，场地局部的地形地貌特征以及附近抗震和场地条件震睿影响的关注，逐渐认识到场地工程断层带或地裂绩等的分布情况等。地质对宏观震睿的影响，并开始进行系统研究。博学力行中正新新博学力行中正拓新
博学 力行 守正 拓新 第 9 章 地基基础抗震设计 博学 力行 守正 拓新 1 工程场地条件与震害 2 天然地基土层动力响应与计算 3 地基抗震设计 4 桩和桩基的动力分析 第 9 章 地基基础抗震设计 博学 力行 守正 拓新 本章要点 工程场地条件与震害 桩和桩基的动力分析 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 20 世纪 50 年代形成的以工程抗震为主题的地震工 程学主要关注工程结构的抗震问题，此时，场地地基的 抗震性能，以及场地条件对宏观震害的影响则未引起普 遍的重视。 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 1964 年，在阿拉斯加和新泻分别发生了 9.4 级和 7.5 级大地震，引发了大面积砂土液化，造成地基失效而使 工程结构遭受巨大破坏。这两次地震唤起了人们对地基 抗震和场地条件震害影响的关注，逐渐认识到场地工程 地质对宏观震害的影响，并开始进行系统研究。 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 工程场地条件一般是指场地的局部地质条件，如近 地表几十米至几百米的地基岩土体的物理力学性质、厚 度、地下水埋深等，场地局部的地形地貌特征以及附近 断层带或地裂缝等的分布情况等
9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害场地的类别地震灾害主要包括地表变形、结构破坏和次生灾害（一）场地土的类型三类，它们都与场地条件密切相关。不同场地上的建筑物震害的差异十分明显。场地条首先，地震地衰变形和引发的崩、滑坡等次生灾件对建筑物震密影响主要是场地土的刚性（坚硬或密实害与场地条件直接相关，并且都能引起大规模的工程结程度，一般用土的剪切波速表示）和覆盖层厚度。构破坏：地震时强烈振动引起的结构破坏又与场地地震我国《水电工程水工建筑物抗震设计规范》将场地动特性密切相关，而场地的地震动特性，如幅值、频谱土按剪切波速划分为五种类型。特性等又很大程度上决定于场地地基土体特性等工程地当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，再质条件以及场地区域地形地貌特征。利用当地经验估计各土层的剪切波速。博学力行中正拓新博学力行中正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害场地的类别场地的类别（）场地土的类型（二）场地的类别表&1主的类型划分和剪切进速值围根据场地土类型和场地覆盖层厚度，场地分为五类。土剪切换速意园新维土的肉型代表性出土名称和性状需石的男切波速成场··量·男··房(ms)主的等效剪销改理(ml)tN.理发坚硬、较理耳完婴的石n>800提发>800破样和收装辞双就，校款的发石，款书.8002g>500.轮岩、保捷纺地主空梗场地土更实的砂串石8002g>500中密，精需的砂象石，击实的想形，中视场地：50028>250.中视场地土中沙，坚提的就土我5002>250精密的球，用，中移，细移和砂，中款场地土2502>150.中靴场驰土敬贴土彩士2502m>150送犹和能无质士，始敢的沙士，软润场地0:150:软乳场地土人工染城土15~50n150博学力行守正拓新博学力行守正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害场地的类别场地的类别（二）场地的类型（二）场地的类型土累的等效剪切波速是一假想的剪切波速，假设单②当地面5m以下存在剪切波速大于其上部各土层剪切波速2.5倍的土层，该层及下卧各层岩土的剪切波速均切波在穿过分层土时速度不变，穿透该深层土层所需时≥400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。间与实际剪切波速与穿越该土层所需时间相等。场地覆盖层厚度井不一定就是地表至基岩的厚度，③剪切波速>500m/s的孤石、透镜体，应视同周围而是应符合下列要求的厚度：土层。①按地面至剪切波速>500m/s且其下卧各层岩土的④土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应剪切波速均≥500m/s的土层顶面的距离确定。从覆益土层中扣除。O博学力行中正拓新博学力行中正拓新
博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 地震灾害主要包括地表变形、结构破坏和次生灾害 三类，它们都与场地条件密切相关。 首先，地震地表变形和引发的崩塌、滑坡等次生灾 害与场地条件直接相关，并且都能引起大规模的工程结 构破坏；地震时强烈振动引起的结构破坏又与场地地震 动特性密切相关，而场地的地震动特性，如幅值、频谱 特性等又很大程度上决定于场地地基土体特性等工程地 质条件以及场地区域地形地貌特征。 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （一）场地土的类型 不同场地上的建筑物震害的差异十分明显。场地条 件对建筑物震害影响主要是场地土的刚性（坚硬或密实 程度，一般用土的剪切波速表示）和覆盖层厚度。 我国《水电工程水工建筑物抗震设计规范》将场地 土按剪切波速划分为五种类型。 当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，再 利用当地经验估计各土层的剪切波速。 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （一）场地土的类型 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （二）场地的类别 根据场地土类型和场地覆盖层厚度，场地分为五类。 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （二）场地的类型 土层的等效剪切波速是一假想的剪切波速，假设剪 切波在穿过分层土时速度不变，穿透该深层土层所需时 间与实际剪切波速与穿越该土层所需时间相等。 场地覆盖层厚度并不一定就是地表至基岩的厚度， 而是应符合下列要求的厚度： ① 按地面至剪切波速 >500m/s且其下卧各层岩土的 剪切波速均≥500m/s的土层顶面的距离确定。 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （二）场地的类型 ② 当地面5m以下存在剪切波速大于其上部各土层剪 切波速2.5倍的土层，该层及下卧各层岩土的剪切波速均 ≥400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。 ③ 剪切波速>500m/s的孤石、透镜体，应视同周围 土层。 ④ 土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应 从覆盖土层中扣除。 场地的类别
9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害场地的类别场地的类别（三）各类地段的划分（三）各类地段的划分场地地基和发生次生。《抗震规范》中规定，可将建筑地段划分为有利、格投炎型物流活动性边校稳定性大害急险性一般、不利和危险地段。这物区25km高限内无店动盟膜，有利地胶EN水工建筑物场地的选择，应在工程地质和水文地质场址地氧基车烈为度场址Scm益报内无送动断层，场勘探及地震活动性调研的基础上，按构造活动性、场地一股地段较好段小社地展基本型度为训院地基和边坡稳定性及发生次生灾害危险性等进行综合评场这Sm范国内有长室小于价。宜选择对建筑物抗震相对有利和一一般地段，避开不不利地段较差较大10km的活助断量：有M<s圾发震格流，场地震基本冠度为请究利和危险地段；在不利和危险地段进行建设，必须进行场址范国内有长皮小子地震安全性充分论证。急隐地段10km的活助断层：有M>5摄发震大构适，场址地离基本烈度为I度博学力行中正拓新博学力行中正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害地基的震害地基的震客地震时，各种建筑物的损坏，除了由于振动直接造①震陷。地震时，地面产生的巨大沉降称为震成的以外，另一主要原因是由于地基失稳造成的。陷，震陷有几种不同情况。地震引起的地基失稳有多种形式，如震陷、液化、1）处于疏松状态的非饱和无粘性土层在振动作用滑坡、地裂等。下体积变密而引起的震陷。此种震陷主要是由水平摄动主要发生于疏松砂层、软弱黏土层和成层条件比较造成的，一般来说，震陷量的大小取决于砂土的初始密复杂的不均匀地基。度、土层厚度和履动大小等因素。博学力行守正拓新刀行守正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害地基的震害地基的震害①震陷。地震时，地面产生的巨大（2）液化。地下水位以下的饱和松砂和粉土在地震沉降称为震陷，震陷有几种不同情况。作用下，土顺粒之间有变密趋势，孔隙水来不及排出2）软粘土震陷。软土通常含水量使土颗粒处于最浮状态，如液体一样，这种现象就称为大、压缩性高、强度低，往复应力作用下土的液化，衰现的形式近于流砂。影响液化的因素有：地质年代、土中粘粒含量、上其刚度不断降低，从而发生底陷。3）地下采空区在强震作用下引起的覆非液化土层厚度和地下水位深度、土的密实程度、土层埋深、地震烈度和震级。大量试验表明，土样振动持露陷。这种震陷是突发性的，展陷面积大、震陷量大，往往带来灾难性后果。续时间愈长，愈客昌液化。因此，建筑场地在遗到相同般应避开在这种地区建造建筑物。烈度的远震比近震更容易液化。博学力行中正拓新博学力行守正拓新
博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （三）各类地段的划分 《抗震规范》中规定，可将建筑地段划分为有利、 一般、不利和危险地段。 水工建筑物场地的选择，应在工程地质和水文地质 勘探及地震活动性调研的基础上，按构造活动性、场地 地基和边坡稳定性及发生次生灾害危险性等进行综合评 价。宜选择对建筑物抗震相对有利和一般地段，避开不 利和危险地段；在不利和危险地段进行建设，必须进行 地震安全性充分论证。 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （三）各类地段的划分 场地的类别 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 地震时，各种建筑物的损坏，除了由于振动直接造 成的以外，另一主要原因是由于地基失稳造成的。 地震引起的地基失稳有多种形式，如震陷、液化、 滑坡、地裂等。 主要发生于疏松砂层、软弱黏土层和成层条件比较 复杂的不均匀地基。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 ① 震陷。地震时，地面产生的巨大沉降称为震 陷，震陷有几种不同情况。 1）处于疏松状态的非饱和无粘性土层在振动作用 下体积变密而引起的震陷。此种震陷主要是由水平振动 造成的，一般来说，震陷量的大小取决于砂土的初始密 度、土层厚度和震动大小等因素。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 ① 震陷。地震时，地面产生的巨大 沉降称为震陷，震陷有几种不同情况。 2）软粘土震陷。软土通常含水量 大、压缩性高、强度低，往复应力作用下 其刚度不断降低，从而发生震陷。 3）地下采空区在强震作用下引起的 震陷。这种震陷是突发性的，震陷面积 大、震陷量大，往往带来灾难性后果。一 般应避开在这种地区建造建筑物。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （2）液化。地下水位以下的饱和松砂和粉土在地震 作用下，土颗粒之间有变密趋势，孔隙水来不及排出， 使土颗粒处于悬浮状态，如液体一样，这种现象就称为 土的液化，表现的形式近于流砂。 影响液化的因素有：地质年代、土中粘粒含量、上 覆非液化土层厚度和地下水位深度、土的密实程度、土 层埋深、地震烈度和震级。大量试验表明，土样振动持 续时间愈长，愈容易液化。因此，建筑场地在遭到相同 烈度的远震比近震更容易液化。 地基的震害
9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害地基的震害地基的震害液化的标志。液化判别。砂土液化的宏观标志衰现在以下几个方面：由上可知，液化是否发生与上述多种因素有关，比1）地表裂缩中喷水雷砂；较复杂，不确定性较大，因此判别只能是一种估计，预2）地基失效与过大的沉降，这种形式的液化震膏是测土层在一定假设条件下是否发生液化的总趋势。水工建筑物中最常见的震害液化可分两步判断”，即初步判断和标准贯入试验3）液化向扩展与流滑、液化引起的土体滑场判别。凡经初步判别为不液化或不考虑液化影响，可不进行第二次判别，以减少勘察工作量。博学力行中正拓新力行中正拓市9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害心地基的震害地基的震客（3）滑坡。土质边坡在强烈震动下，使土体下滑力（3）滑坡。增加，抗滑的内摩擦力降低，导致土坡失去稳定而发生滑坡，造成大量的土、石、砂的和滑移，这种现象叫滑坡。地震滑坡来得突然，规模巨大，伤套严重。地质导致滑坡的原因，一是地展时边坡滑换承受了附加惯性力，下滑力加大，二是，土体受覆趋于密实，孔随水压力增高，有效应力降低，阻止滑动的内摩操力减少。这两方面因素对边坡稳定都是不利的。博学力行守正拓新博学力行守正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害地基的震害场地条件对震害的影响（4）地裂。地震后地表往往场地条件对震客的影响主要体现在以下几点：（1）地表形变的影响出现大量裂缝，称为地裂。地裂强烈地震一般可产生规模巨大的地表断裂、朋塌和可使铁轨移位、管道扭曲、基础断裂、基至拉裂房屋。地裂给建滑坡，也可引起地基变化和震陷变形。场地条件是这些筑物及各种工程造成的破坏往往现象发生的物质基础和决定性因素。由于上述地表变形一般抗震措施所能抵御，因此在规模上和能量上往往甚为巨大，非一般的结构措施所建筑场地选择十分重要，应尽能抵御，因而常造成大规模的工程结构破坏。因此，工避开容易出现地裂的地段。程设计选址时，露对场地工程地质条件进行详细勤察和评价，以避开上述不利地段。0博学力行中正拓新博学力行中正拓新
博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 液化的标志。 砂土液化的宏观标志表现在以下几个方面： 1）地表裂缝中喷水冒砂； 2）地基失效与过大的沉降，这种形式的液化震害是 水工建筑物中最常见的震害； 3）液化侧向扩展与流滑、液化引起的土体滑塌。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 液化判别。 由上可知，液化是否发生与上述多种因素有关，比 较复杂，不确定性较大，因此判别只能是一种估计，预 测土层在一定假设条件下是否发生液化的总趋势。 液化可分“两步判断”，即初步判断和标准贯入试验 判别。凡经初步判别为不液化或不考虑液化影响，可不 进行第二次判别，以减少勘察工作量。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （3）滑坡。土质边坡在强烈震动下，使土体下滑力 增加，抗滑的内摩擦力降低，导致土坡失去稳定而发生 滑坡，造成大量的土、石、砂的坍塌和滑移，这种现象 叫滑坡。 地震滑坡来得突然，规模巨大，伤害严重。地震导 致滑坡的原因，一是地震时边坡滑楔承受了附加惯性 力，下滑力加大；二是，土体受震趋于密实，孔隙水压 力增高，有效应力降低，阻止滑动的内摩擦力减少。这 两方面因素对边坡稳定都是不利的。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （3）滑坡。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 （4）地裂。地震后地表往往 出现大量裂缝，称为地裂。地裂 可使铁轨移位、管道扭曲、基础 断裂、甚至拉裂房屋。地裂给建 筑物及各种工程造成的破坏往往 非一般抗震措施所能抵御，因此 建筑场地选择十分重要，应尽量 避开容易出现地裂的地段。 地基的震害 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 场地条件对震害的影响主要体现在以下几点： （1）地表形变的影响 强烈地震一般可产生规模巨大的地表断裂、崩塌和 滑坡，也可引起地基变化和震陷变形。场地条件是这些 现象发生的物质基础和决定性因素。由于上述地表变形 在规模上和能量上往往甚为巨大，非一般的结构措施所 能抵御，因而常造成大规模的工程结构破坏。因此，工 程设计选址时，需对场地工程地质条件进行详细勘察和 评价，以避开上述不利地段。 场地条件对震害的影响
9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害场地条件对震害的影响场地条件对震害的影响场地条件对震客的影响主要体现在以下几点：场地条件对震睿的影响主要体现在以下几点：（2）地面运动的间接影响（3）场地与结构的协同作用地麗宏观震害最常见的就是工程结构的破坏，除地上述两种影响均是考虑场地条件对宏观震睿的单向衰形变引起的结构损毁外，地震时强烈的地面运动是造作用，而在实际地震中，建筑物与其场地地基是一个相成结构破坏量主要的直接原因。互作用、相互影响的统一运动系统，两者的相互作用或地工程中常以运动的幅值、频谱特征及持续时间协同作用也往往对宏观震害产生较大的影响，主要体现来表征地震动的特性，而这些物理量除与震源及传播途在以下几个方面。共振或类共振效应、大范圈波动效应、能量互递及径有关外，很大程度上取决于场地的地层结构、地形与消散效应。地质条件等场地条件的综合影响。博学力行中正拓新博学力行中正拓新9.1工程场地条件与震害9.1工程场地条件与震害心场地条件对馨害的影响场地条件对愿害的影响场地条件对震睿的影响主要体现在以下几点：场地条件对震害的影响主要体现在以下几点：（3）场地与结构的协同作用（3）场地与结构的协同作用共振或类共振效应。地中，当建筑物的固有周期能量互递及消散效应。地震运动总是先经由地基传与地基周期相近时，两者就会产生共援或类共效应，递到建筑物的，同时，摄动起来的结构对于地基来说又是一个相对的次生震源，反过来对地基有“能量反馈"作从而大大增加了地震中建筑物破坏的可能性。大范圈波动效应。地震发生时，横波和面波引起的用。此时，场地的工程地质条件决定著其接受反馈能量的程度，即所调地基的“能量逸散性”。这种特性反过来场地区域性的整体性波动也可诱发较大规模的震睿。这种波动不一定有很高强度，但对长度较大的线性工程或又影响建筑物的振动特性，从而影响结构可能产生的破独立的高算建筑物则可能造成致命伤容。坏即宏观震客程度。博学力行守正拓新博学力行守正拓新9.2天然地基土层动力响应与计算9.2天然地基土层动力响应与计算地基的地震反应分析有两方面的意义：基于剪切波向上传播的地基反应分析方法，主要有第一，它可以分析地层的地震动，如从基岩地震动如下三种：推地春土层的地露动，或者从地寿土层的地震动特性①剪切层法。通过弹性介质的剪切震动微分方程和推算基岩地展动：边界条件，求出地基的地震反应。第二，研究地基本身的抗震性，例如地基的液化分②集中质量法。把地基看做有限个集中质量体系，析、动强度分析等等。采用结构动力学方法求出地震反应。关于地基的地震反应分析方法，目前大多数是考虑③有限单元法。将地基看作有限多个单元组成的体由基岩发生的剪切波通过地基土层向上传播到地面的作系，采用结构动力学方法求解。该法能考虑复杂地形、用，基于剪切波向上传播的分析方法。土的非线性、弹塑性、土中孔隙水影响等。博学力行中正拓新博学力行中正拓新
博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 场地条件对震害的影响主要体现在以下几点： （2）地面运动的间接影响 地震宏观震害最常见的就是工程结构的破坏，除地 表形变引起的结构损毁外，地震时强烈的地面运动是造 成结构破坏最主要的直接原因。 地震工程中常以运动的幅值、频谱特征及持续时间 来表征地震动的特性，而这些物理量除与震源及传播途 径有关外，很大程度上取决于场地的地层结构、地形与 地质条件等场地条件的综合影响。 场地条件对震害的影响 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 场地条件对震害的影响主要体现在以下几点： （3）场地与结构的协同作用 上述两种影响均是考虑场地条件对宏观震害的单向 作用，而在实际地震中，建筑物与其场地地基是一个相 互作用、相互影响的统一运动系统，两者的相互作用或 协同作用也往往对宏观震害产生较大的影响，主要体现 在以下几个方面。 共振或类共振效应、大范围波动效应、能量互递及 消散效应。 场地条件对震害的影响 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 场地条件对震害的影响主要体现在以下几点： （3）场地与结构的协同作用 共振或类共振效应。地震中，当建筑物的固有周期 与地基周期相近时，两者就会产生共振或类共振效应， 从而大大增加了地震中建筑物破坏的可能性。 大范围波动效应。地震发生时，横波和面波引起的 场地区域性的整体性波动也可诱发较大规模的震害。这 种波动不一定有很高强度，但对长度较大的线性工程或 独立的高耸建筑物则可能造成致命伤害。 场地条件对震害的影响 博学 力行 守正 拓新 9.1 工程场地条件与震害 场地条件对震害的影响主要体现在以下几点： （3）场地与结构的协同作用 能量互递及消散效应。地震运动总是先经由地基传 递到建筑物的，同时，振动起来的结构对于地基来说又 是一个相对的次生震源，反过来对地基有“能量反馈”作 用。此时，场地的工程地质条件决定着其接受反馈能量 的程度，即所谓地基的“能量逸散性”。这种特性反过来 又影响建筑物的振动特性，从而影响结构可能产生的破 坏即宏观震害程度。 场地条件对震害的影响 博学 力行 守正 拓新 9.2 天然地基土层动力响应与计算 地基的地震反应分析有两方面的意义： 第一，它可以分析地层的地震动，如从基岩地震动 推算地表土层的地震动，或者从地表土层的地震动特性 推算基岩地震动； 第二，研究地基本身的抗震性，例如地基的液化分 析、动强度分析等等。 关于地基的地震反应分析方法，目前大多数是考虑 由基岩发生的剪切波通过地基土层向上传播到地面的作 用，基于剪切波向上传播的分析方法。 博学 力行 守正 拓新 9.2 天然地基土层动力响应与计算 基于剪切波向上传播的地基反应分析方法，主要有 如下三种： ① 剪切层法。通过弹性介质的剪切震动微分方程和 边界条件，求出地基的地震反应。 ② 集中质量法。把地基看做有限个集中质量体系， 采用结构动力学方法求出地震反应。 ③ 有限单元法。将地基看作有限多个单元组成的体 系，采用结构动力学方法求解。该法能考虑复杂地形、 土的非线性、弹塑性、土中孔隙水影响等