工程地震場地分類方法研究進展①

郭宗斌， 陳其峰， 馮恩國， 溫麗媛， 連凱旋， 顏丙囤

(山東省地震局聊城地震監(jiān)測中心站，山東 聊城 252000)

大量地震災(zāi)害研究表明，場地條件對地震動有重大影響，并且不同場地的抗震性能有著較大差別。工程場地條件是工程抗震設(shè)計中確定反應(yīng)譜峰值、特征周期的重要依據(jù)，且對工程抗震設(shè)計的安全性有至關(guān)重要的作用[1-3]。于是，眾多學(xué)者開展場地條件對地震動影響的研究，主要集中在場地的覆蓋土層、地表地形或基巖面的影響[4-5]?，F(xiàn)在不同國家的抗震設(shè)計規(guī)范均有場地特征對地震反應(yīng)譜的研究，而且加入了場地分類的定義。多年的工程實踐和地震后的災(zāi)害調(diào)查已經(jīng)驗證，根據(jù)場地類別推算地震動參數(shù)并進行抗震設(shè)計是減少地震災(zāi)害的有效方法之一。

1 抗震設(shè)計規(guī)范中場地類別劃分方法

1.1 中國規(guī)范

在中國不同行業(yè)的抗震設(shè)計規(guī)范中，建筑抗震設(shè)計規(guī)范可謂是母規(guī)范，它是眾多抗震設(shè)計的領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。中國的建筑抗震設(shè)計規(guī)范于1959年發(fā)行第一版，迄今為止共有7個版本。其中，1989規(guī)范，2001規(guī)范和2010規(guī)范對場地類別的劃分均采用等效(平均)剪切波速和覆蓋層厚度雙參數(shù)指標(biāo)劃分的思路[6-8]。在對目標(biāo)場地進行研究時，覆蓋層厚度愈大，等效剪切波速愈小，就將其劃分為愈高的場地類別。現(xiàn)在中國使用的2010規(guī)范把區(qū)域場地共分為4類(表1)，表中VS代表巖土剪切波速，Vse代表等效剪切波速。

表1 場地分類方法表

1.2 國際規(guī)范

美國從1976年起對場地類別開展研究，1978年出版的抗震設(shè)計規(guī)范根據(jù)巖性特征把場地類別劃分為3類。Borcherdt根據(jù)1989年Loma Prieta地震不同場地上的強震觀測記錄，通過與土層地震反應(yīng)進行分析和比較，提出以表層30 m范圍內(nèi)的等效剪切波速(VS30)為主，同時參考標(biāo)貫擊數(shù)、不排水剪強度等指標(biāo)的場地分類方案[9]。該方案把場地類別劃分為A～F類，這一方案也被1994版及隨后多版的NEHRP采納[10](表2)?！督y(tǒng)一建筑規(guī)范》[11]及《國際建筑規(guī)范》[12]也選用該分類方法。

表2 美國規(guī)范中的場地分類方法

歐洲各國通用的抗震規(guī)范是Eurocode8[13]，該標(biāo)準(zhǔn)與美國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相似，且分類指標(biāo)基本一致，僅在某些分檔細(xì)節(jié)存在不同。該規(guī)范把區(qū)域歸為A～E，S1，S2類，其中S1、S2是需做專門研究的特殊土類，例如高塑性土層、敏感粘土等。

日本現(xiàn)行場地分類方案由《新耐震設(shè)計法》[14]首次頒布，依據(jù)場地土巖性的宏觀描述或相應(yīng)的場地周期為指標(biāo)將場地劃分為3類：硬土和基巖、一般土、軟弱土。另外場地卓越周期通過土層剪切波速計算，深度采用30 m。

2 基于地質(zhì)及地形數(shù)據(jù)的場地分類方法

2.1 地表地質(zhì)法

地質(zhì)法是根據(jù)地質(zhì)圖，以VS30為橋梁，建立地質(zhì)單元和VS30之間的對應(yīng)關(guān)系后推算出區(qū)域性的VS30分布情況，進而獲得區(qū)域性的場地類別分類圖[15]。地質(zhì)圖資料相對豐富易得，許多學(xué)者通過建立巖石類型、土層的地質(zhì)年代與VS30之間的關(guān)系，進行場地條件研究。

Park等通過土層的地質(zhì)年代來進行場地研究，發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)、古近紀(jì)與新近紀(jì)、中生代地層之間的VS30可以區(qū)分開，據(jù)此劃分為沉積層、軟巖、硬巖3類場地，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫[16]。Wills等利用加州地區(qū)1 000個鉆孔波速數(shù)據(jù)和1∶25萬地質(zhì)圖統(tǒng)計得出場地類別與VS30間的對應(yīng)關(guān)系，劃分美國加州地區(qū)的場地類別[17]。在此基礎(chǔ)上，Lee等根據(jù)1∶50萬及1∶20萬的地質(zhì)資料，對中國臺灣地區(qū)進行場地分類[18]。近年來國內(nèi)學(xué)者也開展了這方面的研究工作，溫瑞智、史大成等利用全國地質(zhì)調(diào)查資料，基于GIS技術(shù)完成了中國全國范圍的場地分類圖[19]。

2.2 地形坡度法

該方法是通過地形資料來對場地進行分類的方法，即根據(jù)地形坡度和VS30之間的關(guān)系，計算出該地區(qū)的VS30分布情況，根據(jù)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對場地進行分類。Wald等選取實測剪切波速資料豐富的地區(qū)，建立地形坡度和VS30之間的經(jīng)驗關(guān)系，依據(jù)NEHRP中對VS30的場地分類標(biāo)準(zhǔn)，推算出4類場地類別中地形坡度值的經(jīng)驗范圍[20]。在此基礎(chǔ)上，Wald等研發(fā)了烈度速報系統(tǒng)(ShakeMap)。利用地形坡度法，Allen等對全球大部分國家和區(qū)域進行了場地劃分[21]，其結(jié)果已運用于Shakemap系統(tǒng)的場地校正模塊。國內(nèi)一些學(xué)者也對該方法進行了研究，陳鯤等根據(jù)中國數(shù)字高程資料得到地形坡度[22]，對四川省區(qū)域進行了場地分類，張雨婷利用多重地形特征的分離方法提升了分類的準(zhǔn)確率[23]。

3 利用強震動記錄反應(yīng)譜的場地分類方法

3.1 反應(yīng)譜形狀法

Borcherdt等提出利用強震動記錄對場地進行劃分，并稱之為反應(yīng)譜形狀法(RSS法)。在假設(shè)基巖場地對地震動無放大的前提下，該方法將土層場地與參考基巖場地的反應(yīng)譜記錄對比估計土層反應(yīng)[24]。Seed等利用不同地震中的強震動資料，計算出巖石、硬土、無黏性土、軟—中粘土及砂土4種場地條件下的5%阻尼比平均加速度反應(yīng)譜曲線[25](圖1)，由于當(dāng)時利用的強震動數(shù)據(jù)較少，計算出的曲線準(zhǔn)確度還有待提高。后來Lee等采用了11個大地震中捕獲的1 676條強震動記錄，根據(jù)NEHRP中定義的場地描述，繪出一組更加合理的平均加速度反應(yīng)譜曲線[18]。國內(nèi)學(xué)者Wen等提出采用反應(yīng)譜峰值周期和周期1 s的譜值2項指標(biāo)劃分場地類別，并且運用到中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)的場地類別劃分工作中[26]。

圖1 Seed等給出的四種場地條件下的平均反應(yīng)譜曲線

3.2 水平/豎向譜比法

為了消除震源和傳播路徑的影響，Nakamura在1989年提出一種基于同一地表測點地脈動水平分量與豎向分量傅里葉幅值譜比來估計場地特征的方法，即水平/豎向譜比法(HVRS法)，也稱Nakamura方法[27]。Yamazaki等將這種方法擴展到利用強震記錄評估場地特征進行場地分類[28]，并驗證了同一場地的水平與豎向速度反應(yīng)譜譜比值受地震震級、震中距離與震源深度的影響不大。目前，利用水平/豎向譜比法(HVRS法)進行場地分類的方法包括卓越周期劃分法，譜比曲線匹配法，譜比形狀一致法等[29-30]。

卓越周期劃分法最早由Zhao提出[31]，此分類方法是參考日本抗震規(guī)范中各類場地的卓越周期，利用不同臺站記錄到的地震數(shù)據(jù)計算出4種場地對應(yīng)的經(jīng)驗譜比曲線(圖2)，其峰值周期分別為0.15、0.25、0.5和0.8 s。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)ukushima等增加了2種分類標(biāo)準(zhǔn)[32]，主要是針對不能判別卓越周期的場地區(qū)域。國內(nèi)專家Wen對四川強震動臺站進行場地劃分也采用這種方法[26]。

圖2 HVRS譜比經(jīng)驗曲線

譜比曲線匹配法是為了應(yīng)對卓越周期劃分法中對較硬或較軟場地難判別的問題，Zhao等人提出了另一種分類方法[31]，使用分類參數(shù)SI,

(1)

譜比形狀一致法是在Zhao等人的研究思路上，根據(jù)斯皮爾曼秩相關(guān)理論，Ghasemi等提出了新的分類參數(shù)SI[33],

(2)

式中，k是場地類別；n是周期點數(shù)量；xi,yik分別是目標(biāo)區(qū)域譜比曲線和第k類場地標(biāo)準(zhǔn)曲線在第i個擺動周期處譜比值的秩；di是xi和yik的差。SIk取值范圍在-1和1之間，當(dāng)目標(biāo)場地譜比曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線完全重合時，SIk=1。相似的，分別計算4種場地類別對應(yīng)的SI值，4個結(jié)果中最大的就是待分類場地的類別。

冀昆等基于蘆山余震強震記錄計算41個固定臺站的場地H/V譜比曲線，并按照中國建筑抗震設(shè)計規(guī)范中的場地分類標(biāo)準(zhǔn)，首次得出我國3類場地的H/V譜比曲線及標(biāo)準(zhǔn)差[34]。黃俊等根據(jù)2016年青海門源MS6.4地震的強震數(shù)據(jù)，計算出4個高鐵站的H/V速度反應(yīng)譜比曲線，采用中國強震臺站經(jīng)驗場地分類方法，利用譜比曲線的卓越周期、峰值和譜形匹配指標(biāo)3個參數(shù)完成4個高鐵站的場地分類[35]。

4 各種分類方法的適用性及存在問題

4.1 抗震設(shè)計規(guī)范中的方法

通過對中國、美國、歐洲和日本的抗震規(guī)范進行對比研究，發(fā)現(xiàn)不同國家采用的分類參數(shù)基本相似，包括等效剪切波速、卓越周期、覆蓋層厚度、標(biāo)貫擊數(shù)、不排水剪強度等。不同國家通常選取一種或多種參數(shù)對場地類別進行劃分，大多分為2～5類場地類別。自1989年以來，中國抗震設(shè)計規(guī)范主要選取等效剪切波速和覆蓋層厚度2個參數(shù)來對場地類別進行劃分。美國和歐洲場地類別劃分以平均剪切波速為主，標(biāo)貫擊數(shù)和不排水剪切強度等指標(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，具有很好的適用性。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)貫擊數(shù)和不排水剪切強度等原位測試和試驗指標(biāo)，以細(xì)化特殊場地分類。

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，實踐中經(jīng)常采用經(jīng)驗值，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。

4.2 基于地質(zhì)及地形數(shù)據(jù)法

隨著對場地分類方法研究的不斷深入，地震災(zāi)后救援、烈度速報等工作要求不斷提高，傳統(tǒng)抗震規(guī)范中的場地類別劃分方法已不能滿足實際要求，因此許多學(xué)者對估計區(qū)域性場地類別劃分開展了研究。其中地表地質(zhì)法、地形坡度法對于大面積場地分類取得比較好的效果。這兩種分類方法在對大面積區(qū)域性場地進行劃分時，不需要獲取鉆孔數(shù)據(jù)，因而降低了經(jīng)濟支出。在發(fā)生地震后，通過地質(zhì)和地形資料得到的場地分類圖能夠迅速估計對區(qū)域的影響，可為地震救援等震后工作提供參考依據(jù)。

地表地質(zhì)法受地質(zhì)圖的影響較大，地質(zhì)編圖可能會忽略較薄的風(fēng)化層，而風(fēng)化層對地面運動的影響較大；另外，該方法對同一類地質(zhì)單元只分配一個VS30，容易忽略單元內(nèi)部的變化。地形坡度法不適用于大陸冰川作用的地區(qū)、未風(fēng)化的火山巖高原區(qū)或者平坦的碳酸鹽區(qū)。地表地質(zhì)法和地形坡度法得到的分類結(jié)果普遍精度不高，適用于較大區(qū)域的場地分類，無法反應(yīng)工程中所關(guān)心的具體局部場地情況。

4.3 利用強震記錄反應(yīng)譜的方法

利用強震資料的反應(yīng)譜劃分場地類別的方法是建立在豐富強震動記錄的基礎(chǔ)上，這種方法更直觀的考慮場地條件對地震反應(yīng)譜的影響。對于含有強震記錄較多的美國、日本等地區(qū)，H/V譜比法對于強震臺站的場地分類取得較為理想的效果，是目前基于場地分類的一種較為成熟可靠的方法。對于缺乏鉆孔數(shù)據(jù)的區(qū)域，該方法可以做為很好的補充。與傳統(tǒng)場地分類方法相比，強震記錄反應(yīng)譜法不僅更為經(jīng)濟高效，而且場地劃分結(jié)果可以應(yīng)用于實際工程中。

卓越周期劃界法的優(yōu)點是簡單易操作，但是不足之處也較明顯，例如HVRS曲線出現(xiàn)多個相近的峰值時，場地卓越周期并不唯一，這種現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)于土層性質(zhì)分層差異較明顯的場地。實際情況下，對于SC IV 類和SC III類場地，軟弱土層對于地震動在長周期放大十分顯著，卓越周期能較好地體現(xiàn)這種場地特征。相反對于SC I類和SC II類場地，地震動在高頻部分雖有放大但不是很顯著，而且往往出現(xiàn)多個峰值，用卓越周期確定場地是SC I類還是SC II類顯然很模糊。另外，HVRS計算需要單一臺站的多條強震動記錄才能較清楚的確定其場地卓越周期，如果臺站記錄很少量，該方法成功率將大大降低。

譜比曲線匹配法相比于卓越周期法，大大提高了場地分類的成功率，尤其是對于SC I類、SC III類和SC IV類場地，但對與SC II類場地?zé)o明顯改變，如果配合S波在場地上覆蓋層 20 m 內(nèi)的傳播時間成功率會有明顯提升。在劃分強震動臺網(wǎng)場地類別時，SC I類場地劃分錯誤為SC II類和SC III類的20%，SC III類場地的劃分錯誤是SC II類場地的35%以上。

譜比形狀一致法相比于譜比曲線匹配法，除SC II類場地，其他類別場地分類成功率略有提高。該方法實質(zhì)上是目標(biāo)HVRS曲線與四類場地的HVRS曲線之間的形狀相似度比較，并沒有考慮兩者譜比值的大小。

5 結(jié)論與討論

工程場地分類是抗震設(shè)計的基礎(chǔ)性工作。中國和美國、歐洲、日本抗震設(shè)計規(guī)范中的場地類別劃分所選用的參數(shù)對應(yīng)本國的場地及經(jīng)濟發(fā)展情況，國家科技水平越高，經(jīng)濟發(fā)展越好，實際場地分類中所使用的參數(shù)指標(biāo)要求越高。而且，不同年代關(guān)于場地類別劃分的最新研究方法也基本應(yīng)用到同年代建設(shè)抗震設(shè)計規(guī)范中對于場地類別劃分的要求中。我國現(xiàn)在使用的建筑抗震設(shè)計規(guī)范[6]經(jīng)過7次的修訂和更新，已通過大量實際工程的檢驗，根據(jù)場地覆蓋層厚度和等效剪切波速的雙參數(shù)分類法適用于我國工程抗震和巖土工程勘察的實際情況。

隨著防震減災(zāi)要求的提高，需要對重點地區(qū)的地震危險性進行預(yù)測，而且大震發(fā)生后需對震害進行快速評估，這都需要考慮大范圍的區(qū)域型場地條件。因此基于地質(zhì)地形數(shù)據(jù)的方法應(yīng)運而生，通過利用地質(zhì)或地形資料推算不易獲得的VS30分布實現(xiàn)區(qū)域性的場地分類。這2種方法目前主要為震后快速響應(yīng)和地震災(zāi)害評估服務(wù)。

對基于強震記錄的H/V譜比場地分類方法已經(jīng)用于中國、日本、伊朗、意大利、美國等強震臺站的場地分類，并取得了較為理想的效果。盡管我國強震動觀測在臺網(wǎng)規(guī)模和密度、強震動記錄的獲取能力和質(zhì)量、數(shù)據(jù)積累等方面與日本、美國等發(fā)達國家尚有一定的差距，但近年來我國強震動記錄數(shù)量增加較快，譜比法在我國工程場地分類中應(yīng)用也越來越得到重視，并可作為與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計規(guī)范場地分類方法的一種有益補充。同時，隨著強震動臺站鉆孔資料的逐漸完善，適用于我國場地的譜比法場地分類方法將進一步得到發(fā)展。