中國歐洲美國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場地分類對比研究

張鳳濤

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

不同場地條件對工程結(jié)構(gòu)的抗震性能存在較大的差異[1]。因此，如何合理地劃分場地類別對于工程抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。國內(nèi)外專家學(xué)者針對這一課題開展了大量研究，薄景山等[2]提出了基于土層結(jié)構(gòu)的場地分類初步方案；王祖平[3]對中國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中場地分類進(jìn)行了對比；劉曾武[4]采用場地指數(shù)法進(jìn)行場地類別劃分，但此方法對剪切波速的誤差很敏感。另一方面，不同國家、不同行業(yè)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對場地類別的劃分方法并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。以下將系統(tǒng)地總結(jié)和對比中、歐、美等國多個(gè)行業(yè)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對工程場地的分類指標(biāo)、分類數(shù)目、剪切波速計(jì)算方法、起始面和計(jì)算深度、覆蓋層厚度和分類方法的適用性進(jìn)行分析。

1 場地分類方法對比

1.1 中國規(guī)范

在我國多個(gè)行業(yè)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為是其他行業(yè)抗震規(guī)范的源頭。自1959年第一版《地震區(qū)建筑規(guī)范(草案)》實(shí)施以來已有7個(gè)版本，場地分類逐漸從定性走向定量。現(xiàn)行版本《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010(2016年版))規(guī)定：建筑場地類別應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度，按表1劃分為五類[5]?！惰F路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006 (2009年版))規(guī)定：場地類別根據(jù)場地計(jì)算深度內(nèi)土層等效剪切波速Vse值，按表2劃分為四類[6]。《公路工程抗震規(guī)范》(JTGB02—2013)規(guī)定：場地類別根據(jù)平均剪切波速和場地覆蓋層厚度，按表3劃分為四類[7]?！端姽こ趟そㄖ锟拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35047—2015)規(guī)定：場地類別基于場地土類型和場地覆蓋層厚度，按表4劃分為五類[8]。

表1 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010場地類別

表2 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111—2006場地類別

表3 《公路工程抗震規(guī)范》JTGB02—2013地類別

1.2 歐洲規(guī)范

“結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”(EN1998—1)是歐盟國家工程抗震設(shè)計(jì)的法定規(guī)范，根據(jù)巖土不同的性質(zhì)，把場地劃分為A，B，C，D，E五種基本類別和兩種特殊類別S1(高塑性土)和S2(可液化土)，劃分方法見表5[9]。

對場地條件為S1或S2型的特殊場地，需要對地震作用進(jìn)行特別研究，以確立反應(yīng)譜與軟黏土層的厚度及淤泥vs值之間的關(guān)系，以及反應(yīng)譜與該層和下部地層之間剛度差異間的關(guān)系。對于S2型場地，應(yīng)考慮到地震作用下發(fā)生土體破壞的可能性。對于S1型場地，應(yīng)注意此類土壤通常具有非常低的vs值、較低的內(nèi)阻尼以及異常擴(kuò)大的線性性能范圍，可能引起反常的地震場址放大及土壤結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)。

表4 《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》NB35047—2015場地類別

表5 歐洲規(guī)范場地類型劃分方法

1.3 美國規(guī)范

美國運(yùn)輸部(FHWA)下屬的國家公路研究院(NHI)編制了巖土工程和結(jié)構(gòu)工程的地震分析和LRFD法設(shè)計(jì)指南(FHWA-NHI-11-032: LRFD Seismic Analysis and Design of Transportation Geotech-nical Features and Structural foundations)，根據(jù)地震分析和設(shè)計(jì)指南，場地條件對地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的特征具有重要的作用。場地條件按照場地100英尺內(nèi)地層的平均剪切波速(有時(shí)表示為vs，30，下腳標(biāo)“30”表示30 m，約合100英尺)，劃分為6類(A～F類)。這些場地分類通常被稱為NEHRP場地分類，最初是由NEHRP項(xiàng)目建立起來的，其分類方法如表6所示[10]。

需要說明的是，對于F類場地，需開展針對特定場地特征的地震響應(yīng)分析。對于C、D、E類場地，可以根據(jù)場地的平均標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N或平均不排水剪切強(qiáng)度su確定。

表6 NEHRP場地分類系統(tǒng)

注：1ft=304.8 mm;1psf=47.88 Pa 。

中外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的場地分類方法對比如表7所示。

表7 中外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的場地分類方法對比

由表7可知：

(1)歐洲、美國規(guī)范的場地分類方法基本相同，其中，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)界限值相同，不排水剪切強(qiáng)度界限值略有差別。

(2)中國、歐洲規(guī)范與美國規(guī)范等效剪切波速界限值存在很大差異。美國規(guī)范界限值范圍相對較大，并且關(guān)于堅(jiān)硬場地和軟弱場地類別劃分偏安全。

(3)軟弱場地劃分方面：歐洲、美國規(guī)范有專門針對軟土的場地分類方法，歐洲規(guī)范比美國規(guī)范更詳細(xì)；堅(jiān)硬場地的劃分方面：相較于中國、歐洲規(guī)范，美國規(guī)范劃分更為詳細(xì)。

2 場地分類方法

2.1 分類指標(biāo)

劃分場地類別的指標(biāo)有很多，常用指標(biāo)有等效剪切波速、場地覆蓋層厚度、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)、不排水剪切強(qiáng)度、塑性指數(shù)、天然含水量等。國內(nèi)規(guī)范大多以單指標(biāo)(等效剪切波速)和雙指標(biāo)(等效剪切波速和場地覆蓋層厚度)為主。歐美規(guī)范場地分類方法以平均剪切波速為主，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和不排水剪切強(qiáng)度等指標(biāo)為輔，是一種考慮多種影響因素的綜合場地分類方法，對高黏性土和可液化土等特殊場地，具有較好的適用性。

中國地域面積大，高黏性土和可液化土等特殊場地多，在特殊場地應(yīng)適當(dāng)考慮標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和不排水剪切強(qiáng)度等原位測試和試驗(yàn)指標(biāo)，以細(xì)化可液化土和高黏性土等特殊場地分類。

歐洲、美國規(guī)范均未采用覆蓋層厚度這一指標(biāo)，在工程實(shí)際中，準(zhǔn)確的覆蓋層厚度往往因缺乏詳細(xì)的地質(zhì)資料而不易獲得，實(shí)踐中經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)值，受人為因素影響較大。另一方面，采用等效剪切波速和場地覆蓋層厚度雙指標(biāo)的分類方法容易引起場地類別的突變。

2.2 分類數(shù)目

由表7可知，國內(nèi)規(guī)范大多將場地類別分成4～5類，歐美規(guī)范分成6～7類。從抗震設(shè)防的角度出發(fā)，場地類別劃分越詳細(xì)越好。但依據(jù)現(xiàn)有的基礎(chǔ)資料無法做到，應(yīng)通過強(qiáng)震觀測、現(xiàn)場勘察等手段，為將來的場地細(xì)化分類積累資料。

3 剪切波速

剪切波速是場地分類中的一個(gè)重要指標(biāo)，中外規(guī)范均采用了該指標(biāo)，但不同規(guī)范對剪切波速的具體規(guī)定是不一樣的。以下對剪切波速計(jì)算方法、起始面、計(jì)算深度進(jìn)行分析討論。

3.1 計(jì)算方法

在89規(guī)范[11]中，通過厚度加權(quán)法計(jì)算土層的平均剪切波速，總厚度取地面以下15 m。由于按地層厚度加權(quán)方法缺乏物理意義，而且不能與土層共振周期建立等效關(guān)系。因此，在2001規(guī)范[12]和2010規(guī)范中采用了國際通用計(jì)算公式?，F(xiàn)行中外規(guī)范中等效剪切波速和平均剪切波速只是名稱不同，其含義相同。

3.2 起始面

場地類別是一個(gè)宏觀的區(qū)域地質(zhì)概念，需要考慮大范圍區(qū)域場地條件的影響，一般的建筑、公路、鐵路工程，規(guī)模相對較小，工程施工僅是小范圍改變地質(zhì)環(huán)境，不會(huì)影響場地類別，故采用地面作為起始面是合理的，工程規(guī)模較大時(shí)，施工會(huì)影響區(qū)域場地條件，起始面應(yīng)采用基礎(chǔ)面作為起始面；故起始面的選擇與工程規(guī)模是否影響區(qū)域場地條件有關(guān)。

3.3 計(jì)算深度

中外規(guī)范各種場地分類方法中，均將剪切波速作為主要指標(biāo)，但在不同的規(guī)范中，計(jì)算等效剪切波速采用了不同的深度：89規(guī)范采用覆蓋層厚度和地面下15 m兩者中的較小值；2001規(guī)范和2010版規(guī)范采用覆蓋層厚度和地面下20 m兩者中的較小值；鐵路抗震規(guī)范采用地面下25 m；水電規(guī)范采用覆蓋層厚度；而歐洲和美國規(guī)范不考慮覆蓋層厚度，采用地面以下30 m。有學(xué)者通過研究指出：地面下30 m深度范圍內(nèi)地層特性是影響地震效應(yīng)的關(guān)鍵性因素[13]；薄景山等的研究表明[14]：上覆30 m土層對地震動(dòng)峰值和特征周期影響顯著，大于30 m土層的影響明顯減弱；黃雅虹等[15]指出，基于30 m資料的分類結(jié)果更加可靠。因此，場地分類方法中剪切波速計(jì)算深度采用30 m顯然比20 m更準(zhǔn)確。

4 覆蓋層厚度的確定

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010、《公路工程抗震規(guī)范》JTGB02—2013和《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》NB35047—2015場地分類方法中均采用了覆蓋層厚度這一指標(biāo)。覆蓋層原本是地質(zhì)學(xué)上的概念，一般指從地面到基巖面的第四系地層。在場地分類中，覆蓋層的定義發(fā)生了改變。當(dāng)下臥的巖土層和土層剪切波速遠(yuǎn)大于上層時(shí)，下臥層可按基巖考慮。但是，采用這種方式確定的巖土界面往往較深，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程勘察的范圍。因此，可以考慮以剪切波速500 m/s或特定條件下400 m/s作為界限值。

5 分類方法的適用性

中國抗震規(guī)范對場地的分類主要考慮土層厚度和剛度，土層的剪切波速通常具有隨深度增大的趨勢。因此，在一般工程勘察深度范圍內(nèi)，采用實(shí)測剪切波速的某一種平均值來表示場地的相對剛度，這種方法是相對合理的。然而，具有較厚軟夾層的場地對短周期地震動(dòng)有抑制作用，適用性相對較差，還需進(jìn)行深入的研究。

6 結(jié)論建議

(1)中國規(guī)范中的場地分類方法可適當(dāng)考慮標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和不排水剪切強(qiáng)度等指標(biāo)，細(xì)化可液化土和高黏性土等特殊場地分類。

(2)可借鑒歐美30 m深度范圍的等效剪切波速計(jì)算方法來改進(jìn)我國現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算深度取值，使其更加合理。

(3)在進(jìn)一步的場地分類研究中，可通過強(qiáng)震觀測、現(xiàn)場勘察等手段積累基礎(chǔ)資料，為將來的場地細(xì)化分類提供支持。