工程地震中的场地分类方法及适用性评述
发布日期：2019-03-14
第 31 卷 第 2 期2009年 6月
地 震 地 质
SE ISMOLO GY AND GEOLO GY
Vo l. 31, No. 2
June, 2009
doi: 10. 3969 / j. issn. 0253 - 4967. 2009. 02. 016
工程地震中的场地分类方法及适用性评述
彭艳菊1) 吕悦军1) 黄雅虹1) 施春花1, 2) 唐荣余1)
1) 中国地震局地壳应力研究所 ,北京 100085
2) 海南省地震局 ,海口 570203
摘 要 文中对工程地震中常用的场地类别划分方法分两类进行了对比分析。一类为结构抗震设计规范中用于确定场地影响的标准化方法 ,主要介绍了中国、美国、欧洲及日本抗震规范中的场地类别划分方法、分类指标 ,对比分析了各指标 (如剪切波速、覆盖层厚度等 )存在的问题 ,并对中国新一
代抗震规范中场地条件的划分提出了建议。另一类为地震危险性预测中确定场地影响的区域性的场地类别划分方法 ,主要介绍了目前研究较多的基于地质、地形、地貌等特征 ,并与抗震规范中的场地分类指标 (一般剪切波速居多 )建立对应关系进行区域性场地类别划分的宏观方法 ,同时还介绍了利用强震记录反应谱进行场地分类的方法。最后讨论了各自的优势、局限性以及适用范围。
关键词 场地类别 剪切波速 覆盖层厚度 强震记录 地震工程
中图分类号 : P315. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 4967 ( 2009) 02 - 0349 - 14
0 引言
场地条件对地震动影响的研究源自人们对地震现象的分析与认识 ,在 20 世纪的几次大地震中 ,如 1906年旧金山 813级地震、1976 年唐山 718 级地震、1985 年墨西哥 718 级地震 ,发现了局部场地条件对地震动有很强的放大或缩小作用 ,直接影响到震害程度 ,一般表现为: 软弱场地上的震害较坚硬场地上重 ,自振周期较长的结构在软土场地上的震害重 ,而自振周期较短的结构在硬场地上的震害重。于是众多学者开展了局部场地条件对地震动影响的研究 ,主要集中在场地的覆盖土层、地表地形或基岩面的影响方面。自 20世纪中叶起 ,不同国家开始在抗震规范中考虑场地条件的影响 ,如中国、美国、日本等 ,以便采取合理的设计参数和抗震构造措施 , 减轻地震时工程的结构破坏; 另外 ,随着防震减灾要求的提高 ,需要对重点地区的地震危险性进行预测 ,而且大震发生后需对震害进行快速评估 ,这都需要考虑局部场地条件的影响 ,但与规范中针对单个建筑场地的要求不同 ,需要考虑大范围的区域性场地条件 ,这方面的研究主要是利用场地地质、地形、地貌等条件 ,通过某种方式 ,与抗震规范中的场地划分指标建立关系 ,进行场地分类 ,确定场地影响系数 ,从而考虑场地的影响。本文将介绍这 2 方面的场地划分方法的发展及研究现状 ,对比探讨各自的优势、局限性以及适用范围。
1 场地分类的标准化方法
|
即抗震设计规范中场地类别的划分方法 ,是抗震设计研究的重点内容之一 ,有定性和定量
〔收稿日期 〕 2008 - 08 - 06收稿 , 2009 - 03 - 14改回。
〔基金项目 〕 科研院所基本科研业务专项 ( ZDJ20077)与 2007年公益性行业科研专项 ( 850)共同资助。
之分 ,从指标上看 ,有单指标、双指标及多指标之分 ,本节选取典型的分类标准予以介绍。111 中国规范
1. 1. 1 双指标方法的发展
建筑抗震设计规范是中国结构抗震设计的主导标准 ,可称为其它行业抗震规范之母规范。至今已经历了 6代修订更新。第 1代为《建筑抗震设计规范 》(草案 ) ,未提出具体的场地分类方案 ,仅通过降低或提高基本烈度来考虑抗震有利和不利场地①。第 2 代为《地震区建筑设计规范 》(草案稿 ) ,构建了场地类别划分的基本框架 ,给出了判定地基等级的方法 (相当于场地土和场地分类的标准 ) ,将场地土及对应的场地均分为 4类 ,参考指标为计算强度、单位质量、卓越周期以及纵波速度②。但这 2 部规范都未正式颁布。第 3 代为《工业与民用建筑抗震设计规范 》,是第 1个正式颁布的建筑抗震规范,对场地土、场地和地震影响系数做了明确的规定 ,以岩性为主要依据将场地土划为 3类 (国家基本建设委员会建筑科学研究院 , 1974 ) 。第 4 代为《工业与民用建筑抗震设计规范 》,对场地的规定与第 3 代基本相同 (国家基本建设委员会建筑科学研究院 , 1979) 。第 5代为《建筑抗震设计规范 》(简称 89规范 ) ,提出了比较详细的场地分类方案 ,利用土层平均剪切波速划分场地土类型 ,再依据覆盖层厚度和平均剪切波速确定场地类别 ,划分出 4类场地 (国家技术监督局等 , 1989 ) 。第 6 代为 2001 年颁布的《建筑抗震设计规范 》(简称 01规范 ) ,对场地土和场地类别的划分与 89 规范基本一致 ,但在剪切波速和覆盖层的具体规定上做了改进 ,具体分类见表 1 (中华人民共和国建设部等 , 2001) 。
综观中国建筑抗震规范的发展 ,场地分
类方法经历了从定性到定量的历程 ,前 4 代属于定性认识阶段 ,自 89规范起进入了一个新阶段 , 采用定量化的双指标划分场地类
表 1 《建筑抗震设计规范 》( GB50011 - 2001)场地分类
Table 1 Site classification in Code fo r Seism ic Design of Buildings( GB5001122001)
别 ,注重地基岩土动力特性的本质 ,虽然土层的平均剪切波速和覆盖层厚度 2 个指标反映了当时国内学者的主流认识,但剪切波速计算按厚度加权 ,计算深度取 15m 和覆盖
等效剪切波速
| V /m·s- 1ⅠⅡⅢ ⅣVS > 5000 500≥V S > 250250≥V > 140< 5< 3≥53～50 > 50 |
S
S
场地类别
层厚度二者中的较小者 ,认为土层越厚对场
地的影响越大 ,物理意义并不明确 ,实际应用中也暴露出覆盖层分档有欠妥之处。为
VS ≤140 < 3 3～15 15～80 > 80
注 表中数据为覆盖层厚度,单位为 m。
此 , 01规范以国际通用的等效波速代替场地平均剪切波速 ,更具物理意义,由于相同深度内平均剪切波速大于等效波速 ,为了保持与当时其它相关规范的协调 ,将计算深度由 15m 提高到20m ,并对覆盖层厚度分档进行了调整 ,缓和了场地类别的突变。
现行场地分类方法主要适用于剪切波速随深度呈递增趋势的一般场地 ,有较厚软夹层的场地对短周期地震动具有抑制作用 , 需进行进一步的研究。自 20 世纪 60 年代起 , 胡聿贤等(1980) 、周锡元等 ( 1965, 1991) ③就注意到不同场地条件、土层结构对地震动参数及震害分布的
|
①中国科学院土木建筑研究所 , 1959, 建筑抗震设计规范 (草案稿 ) 。
②中国科学院工程力学研究所 , 1964, 地震区建筑设计规范 (草案稿 ) 。
③周锡元等 , 1983, 多层场地土分类与抗震设计反应谱 ,中国建筑科学研究院建筑科学研究报告。
影响; 李小军等 ( 1992; 2001a, b)发现 ,硬夹层比软夹层对地震动的影响小得多 ,特殊土层结构的研究主要集中在软厚夹层场地上 ,薄景山等 ( 2003a, b, c; 2004a, b, c) 、翟庆生 ( 2003 ) 、李秀岭( 2003)系统地研究了软弱夹层的厚度、在剖面中的位置对地表加速度反应谱平台值和特征周期的影响 ,提出了 2级场地分类方法: 根据覆盖层厚度和等效剪切波速 ,按现行规范进行一级划分;在此基础上 ,若场地存在软弱层 ,则根据软弱层在剖面中的位置将场地划分为 3 种类型 , 即二级划分。该研究对场地分类中进一步考虑特殊土层结构的研究具有一定的推动作用。
1. 1. 2 单指标法的发展
场地指数法源自中国的《构筑物抗震设计规范 》(国家技术监督局等 , 1993 ) ,它以模糊推论的综合评判方法导出的场地相对隶属度作为场地指数 ,进行场地评定。
该方法主要考虑覆盖层厚度和土层刚度 2个因素: 覆盖层厚度取地面至坚硬土层 (剪变模量 > 500M Pa或剪切波速 > 500m / s的土层 )顶面的距离 ,土层的刚度则用场地的平均剪变模量表示 ,计算深度取覆盖层厚度和 20m 二值中的较小者。由平均剪变模量和覆盖层厚度计算场地指数 ,划分场地类别 (表 2) 。
表 2 采用场地指数法的场地类别划分
Table 2 Site classification by site index method
场地指数 110≥μ > 0180 0180≥μ > 0135 0135≥μ > 0105 0105≥μ > 010
场地分类 硬场地 中硬场地 中软场地 软场地
场地指数的连续性避免了分类边界波动带来的场地类别突变 ,且评定结果较细 ,能较充分地反映场地条件的变化 (刘曾武 , 1991;刘曾武等 , 1992) 。但由于剪变模量非现场测试参数 ,而是由土层厚度、密度和剪切波速换算而来 ,且对剪切波速的误差很敏感; 另外 ,平均剪变模量的物理意义不明确。
由于大部分行业的抗震规范都是以《建筑抗震设计规范 》为指导建立的 ,因此 ,场地指数法仅在《电力设施抗震设计规范 》中得到了应用 (国家技术监督局等 , 1996 ) 。为了与其它规范衔接 ,新修订的《构筑物抗震设计规范 》也采用了 vS 和覆盖层厚度方法 (国家技术监督局等 , 2006) 。
112 美国规范
美国关于场地划分的研究始于 1976年 ( Seed et a l. , 1976a) , 1978年编制的抗震设计规范根据岩性特征将场地划分为 3 类 (ATC, 1978 ) 。1985 年墨西哥地震时发现了软弱场地对地震动和震害的影响 ,随后在 1988年版的 NEHRP中增加了含软黏土夹层类的场地 (BSSC, 1988 ) 。该分类方法没有定量化的指标。1989年 Lom a Prieta地震记录到了不同场地上的强震观测记录 , 通过与土层地震反应分析结果比较 , Borcherdt ( 1994 )提出了以表层 30m 内的等效剪切波速为主 ,同时参考标贯击数、不排水剪强度等指标的场地分类方案 ,将场地分为 6 类 (表 3 ) ,该方案随即应用到 1994年版及随后多版的 NEHRP中 (BSSC, 1994, 1997, 2000) ,自此进入了定量化阶段。《统一建筑规范 》及《国际建筑规范 》也采用了这一方案 ( ICBO , 1997; ICC, 2000) 。
113 日本规范
日本 1980年颁布了《建筑抗震设计规范 》, 1990年和 2000年经过 2次修订 ,但仍以场地土的特征周期为指标简单地将场地分为 3 类: 即硬土和基岩、一般土、软弱土 (表 4 ) (BCJ, 2000;
表 3 美国规范场地类别划分
Table 3 Site classification in US code
场地
分类指标
类别 一般描述
VS30
/m·s- 1 N
SPT
su / kPa
A 硬岩石 > 1 500 — —
B 岩石 760～1 500 — —
C 硬或非常坚硬土 ,大多为砾石 ,
符合标准的软岩石
360～760 > 50 > 100
D 硬土 (砂、黏土及某些砾石 ) 180～360 15～50 50～100
VS30 < 180m / s或有 H > 3m的软黏土 ( PI > 20,
E 土剖面中含厚度 H的软黏土
F1: 地震易塌陷或破坏的高灵敏黏土 ,黏结性差的土
w > 40% , su
—
< 25kPa)
F F2: 泥岩或高有机质黏土 H > 3m
F3: 极高塑性的黏土 H > 8m, 且 PI > 75 F4: 非常厚的软 —中等刚度黏土 H > 36m
注 V S30等效剪切波速; N 标准贯入锤击数; su未排水剪强度; w 湿度百分比; H 覆盖土层厚度; PI塑性指数。
L hi
Hi- 1 + Hi
| ∑ |
安雪晖等 , 2008) 。特征周期 T = 32 2 , 与基础面到基岩的土层数 L、土层厚
| V |
g 2
i = 1 i
度 hi 、深度 Hi 及层内剪切波速度 Vi 有关。
114 欧洲规范
| 1 |
| 2 |
表 4 日本规范场地类别划分
Table 4 Site classification in Japan code
场地类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Tg / s 014 016 018
可液化土、敏感的黏土 ,需做专门研究 ,前 4 类给出了土
层剪切波速 (基础面以下 30m内土层的等效波速 ) 、标贯击数、不排水剪切强度的范围。
2 场地分类的宏观方法
211 剪切波速与地表地质法
地质图中涵盖了地层的年代、岩性、成因等信息 ,与表层土的剪切波速存在较大的相关性 , 而且与实测波速相比 ,地质图资料相对丰富易得 ,许多学者试图建立土层的年代、岩性等与剪切波速的关系 ,进行场地条件研究。
Petersen等 ( 1997)根据加利福尼亚州洛杉矶等地的地质图概括划分出 3 类场地 (硬岩石、软岩石和沉积层 ) ,各分配 1 个 VS30 ,与地震动衰减关系中的场地条件相对应计算地面运动参数。Park等 ( 1998)根据地质体的时代进行场地分类 ,发现第四纪、古近纪与新近纪、中生代地层的剪切波速可以区分开 ,据此划分为沉积层、软岩、硬岩 3类场地 ,建立了剪切波速数据库 ,给
表 5 欧洲规范中的场地类别划分
| 类别 一般描述V /m·s- 1NSPT su / kPaA 岩石或类岩石地质体 ,包括至多 5m厚的弱土层> 800 - - |
Table 5 Site classification in European code
场地 参 数
S30
B 非常密实的砂、砂砾 ,或非常硬的黏土 ,至少数十米厚 ,物性随深度递增
360～800 > 50 > 250
C 数十到几百米厚的密实或中密的砂、砂砾或硬黏土沉积物 180～360 15～50 70～250
D 松散到中密非黏性土沉积物 (含或不含软弱黏土 ) ,或以松软到坚硬为主的黏土
E V S 为 C类或 D类且厚度在 5～20m 的表层沉积物覆盖在 VS > 800m / s的基岩上
< 180 < 15 < 70
- - -
S1 含至少 10m厚的高塑性、高含水的软弱黏土 /淤泥的沉积 < 100 - 10～20 S2 可液化土、高敏感土沉积物 ,或不属于 A—E或 S1 的任何土剖面 - - -
出了 3类场地的 VS30 。
W ills等 ( 2000)利用加利福尼亚州 10200多个钻孔的 VS30和 1 /25万的地质图统计得出地质分区与 VS30之间的对应关系 ,对没有钻孔波速的地区 ,根据地层年代和物理特性 (如颗粒度、硬度、裂隙分布 )等因素 ,采用类比原则 ,以剪切波速为主要指标划分出 7类场地 ,场地类别采用地质特征和 VS30描述 ,为加利福尼亚州概率地震危险性分布图提供了场地类别分区图。该方法首次将场地分类图与地震地面运动的场地放大因子联系起来 ,而 Edward ( 2000a, b)发现所划分的各类场地上地面运动存在显著差异 ,证明了场地划分的合理性。
为了在衰减关系中考虑场地影响 ,需确定强震台站的场地类型 ,在 W ills等 ( 2000 )的基础上 ,W ills( 2006)对钻孔和强震台站附近的地质边界采用大比例尺的地质图校核 ,修订地质分类 ,并确定其剪切波速特征 ,根据地质特征和剪切波速进行分区 ,划分出 19类场地 ,并将各类别的地质特征和 VS30赋予所在的台站。该研究在地质分区上充分考虑了沉积环境的影响 ,利用了沉积物的地理分布规律 ,减小了粗细颗粒交互成层沉积处仅根据地质图划分场地的不确定性。NGA 项目 (Next Generation A ttenuation)已采用该方法进行场地条件判定 ,另外还广泛地应用于地震危险性研究 ,成为加利福尼亚州 ShakeM ap工作中场地调整的基础①。
212 剪切波速与地形 (高程、坡度 )法
从本质上说 ,地形起伏变化是近地表地层岩性的某种表现形式 ,陡峭的山地预示着岩石的存在 ,平坦的盆地表明松散土层分布。最近的研究也发现 : VS30与地形坡度、地貌以及高程相关性很好 (Matsuoka et a l. , 2005; Chiou et a l. , 2006; W ald et a l. , 2007) 。地形坡度或倾斜度是 VS30的一种表现形式 ,因为粒度硬度大的物质易于形成陡坡 ,深盆地沉积形成于坡度非常小的环境 ,而且沉积物粒度分布是沉积速度的体现 ,与地形坡度有关。
地形数据资料丰富 ,目前已有 30 s精度的全球数据。W ald等 ( 2007 )选取实测剪切波速丰
①W ald D J et a l. , 2005. ShakeM ap Manual: Technical Manual, U serπs Guide, and Software Guide. http: / / pubs. usgs. gov / tm /2005 /12A01 /pdf/508TM122A1. pdf.
富的地区 ,利用地形数据 ,计算区内每个点的平均坡度 ,然后与 VS30建立统计关系,分别得到活动区与稳定构造区内 VS30与平均坡度的对应关系 ,应用到缺乏实测波速的地区 ,由平均坡度推算 VS30的分布规律。在加利福尼亚州、孟菲斯等地的应用表明 ,结果与传统方法相当 ,有些情况下本方法更好 (W ald et a l. , 2006) 。
该方法为震后快速评估提供了确定场地影响的实用方法 ,已应用于实时地震影响预警系统中 ,如 ShakeM ap, PA GER (W ald et a l. , 2005; A llen et a l. , 2007) ,将来有望得到更广泛的应用。
3 根据强震记录反应谱识别场地特性的方法
当场地工程地质资料不充分时 ,地面运动的反应谱也是判定场地特性的较好的方法。自20世纪 70年代起,美国、日本、中国台湾等强震记录多的地区 ,利用强震记录开展了场地影响研究。
Hayashi等 ( 1971 ) 根据日本的强震记录 , 建立了反应谱形状 ( RSS, 即 Response Spectral Shape)与场地条件的关系 ,给出了 3 种类型场地的特征反应谱 (岩石、硬土、极松软土 ) , N ew2 mark等 ( 1973) 、Shanno la等 ( 1974) 、Kuribayashi等 ( 1972)等也验证了场地条件对反应谱形状的影响。Seed等 ( 1976a, b)开展了不同场地上的反应谱特征的研究 ,利用美国西部水平向强震记录 ,得到归一化反应谱 ,根据谱形状将场地划分为岩石、硬土、深厚的非黏性土、软 —中软的黏土和砂 4类。RSS方法可以清晰地确定场地的卓越周期 ,尤其是基岩场地 ,谱形非常稳定 ,但该方法不能排除震源和传播路径的影响。该方案经调整后应用到 1976 至 1994 年间的建筑抗震规范 (A TC, 1978) 。
为避免震源和传播路径的影响 , Yam azaki等 ( 1997 )采用水平向和垂向强震记录速度反应谱比值 ( HVSR ,即 Horizontal2to2V ertical Spectral Ratio )研究场地条件 ,与接收函数技术类似 ,假设局部场地对垂向记录的影响可以忽略 ,根据二者反应谱比值的峰值及规范中的各类场地反应谱特征周期的取值范围 ,确定场地类别。该方法对震源位置、震源机制、传播路径的变化不敏感( Theodulidis et a l. , 1996) ,对于多组不同的地震 ,比 RRS方法更稳定。
Lee等 ( 2001)利用台湾地区地质图、数字地形高程、钻孔资料 (含地层划分、标贯数据等 )和剪切波速 ,根据 NEHRP ( 1997)的场地类别划分方案 ,利用地质学方法确定场地类别 ,所研究的强震台站场地分属 B , C, D, E类 ,然后利用强地面运动记录 ,分别采用 RSS和 HVSR 方法确定场地类别 ,对比 3种方法的结果。研究发现 : 所有软土场地 ( E类 )都分布在河漫滩或海拔很低的地区; 绝大部分硬土场地 (D类 )的海拔也较低 ,一些位于海拔 < 150m 的河流阶地上 ,密实土和软岩石 ( C类 )分布于海拔 > 150m的红土阶地或高地上; 基岩场地 (B 类 )位于山区。3 种方法划分的场地类别基本存在一一对应的关系 ,说明各种方法得到的结果可以相互印证 ,地质学方法相对快速有效 ,所需资料少 , RSS和 HVSR 方法处理资料的数量较大 ,相对较慢 ,可以作为补充手段。
4 分析讨论
411 场地分类指标及类别分析
经前文分析发现: 场地分类标准虽然很多 ,但大都以单指标或双指标为主 ,多指标较少 ,常用指标有剪切波速、覆盖层厚度、特征周期、标贯击数等 ,地形地貌、地质条件作为宏观指标正在应用到区域性的场地分类中。这些指标和方法在具体规定方面存在许多异同点 ,下文进行详细讨论。
4. 1. 1 剪切波速
土层剪切波速是重要的动力参数 ,最能反映场地土的动力特性 ,对地震反应谱有着重要影响。因此 ,根据剪切波速判定场地条件为多国抗震规范所采用。但在其计算方法、计算深度以及计算起始面的选择等细节上 ,存在不同的做法 ,下面分别进行分析讨论。
4. 1. 1. 1 计算方法
中国 89规范采用按厚度加权的平均剪切波速 ,认为土层越厚 ,对场地地震影响的贡献越大 ,但这一方法缺乏物理意义 ,也不能与土层共振周期建立等价关系; 目前 , 01规范采用国际通用且物理意义明确的等效剪切波速 ,在已知覆盖土层厚度的情况下 ,可以将计算深度内的多层土按照基本周期相等的原则折算成单层土。
4. 1. 1. 2 计算深度
计算深度取值越大 ,越能体现场地特征 ,但勘探成本也越高。在中国 89 规范中 ,计算深度取 15m和覆盖层厚度二者中的较小者;至 01 规范 ,计算深度改取 20m 与覆盖层厚度二者中的较小者。之后各行业抗震规范 ,除《铁路工程抗震设计规范 ( GB5011 - 2006 ) 》中明确规定取25m外 ,基本均沿用 01规范的规定。欧美日抗震规范中一般明确取 30m。研究表明 ,上覆 30m 土层对地震动峰值和特征周期影响显著 , > 30m 的土层的影响明显减弱 (薄景山等 , 2003a;
Borcherdt, 1994) 。
实际研究表明填土层一般在地表以下 20m 内所占比重较大 ,由于等效剪切波速对填土层的依赖性强 ,当场地上的填土层分布变化时 ,其不确定性增大; 而且对于滨海地区 ,计算深度取20m可能无法考虑回填土层下的海泥和沉积土形成的软弱层的影响 ,无疑会影响场地判定结果。随着中国经济的发展 ,建筑结构类型变化很大 ,超高层建筑、大跨度桥梁日益增多 ,这些结构占地面积大 ,自振周期长 ,所涉及的场地条件很可能有较大的差别。在抗震设防时 ,仅用 20m 以内的等效剪切波速对场地进行分类并确定设计地震动反应谱 ,显然存在不确定性。笔者建议制定下一代抗震规范时考虑增加计算深度的问题 ,至于增加至多少 , 25m, 30m 或更大 ,是一个需要详细调查分析的课题。
4. 1. 1. 3 起始面的选择
大量岩土工程勘察资料表明 ,在城市或人类活动密集区 ,近地表人工堆积层或被扰动地层分布很广 ,厚度最大达数米 ,其强度和剪切波速度较低 ,严重影响了场地等效剪切波速度值 ,增加了场地土类别判定的不确定性。对于一般高层建筑物 ,该层土往往被挖除 ,不作为基础持力层。关于场地类别判定时是否考虑该层土的问题 ,目前还存在争议。
中国《建筑抗震设计规范 ( GB50011 - 2001) 》及其它大部分行业抗震规范中均采用地表作为起始面 ,仅《水工建筑抗震设计规范 (DL5073 - 2000) 》明确规定取建筑基础面。从国际上看 , 美国抗震规范取地表面 ,欧洲和日本明确取基础面。笔者认为取基础面作为计算的起始面更合理。
4. 1. 2 覆盖层厚度的确定
各规范对覆盖层厚度的判定标准不一。工程地质观点认为从地表到地下基岩面的距离为覆盖层厚度 ,而建筑抗震规范将剪切波速 > 500m / s的硬土定为覆盖层的下界面。且覆盖层厚度的分档属于经验确定 ,存在较大的主观性 ,易引起场地类别突变。国际上 ,如美国、日本、印度等国家 ,在采用覆盖层厚度进行场地分类时 ,一般只作为辅助指标 ,而非必要指标。
4. 1. 3 标贯击数 SPT - N等场地物性指标
欧美规范中较多地利用标贯击数、未排水剪强度、湿度百分比等进行分类 ,准确度较高 ,但资料获取费用较高 ,技术相对复杂 ,可以作为辅助指标进行特定场地的细判。笔者认为 ,该方法可在天津、上海等滨海特殊场地上进行尝试性的应用 ,积累实践经验 ,供日后细化场地分类指标时参考。
4. 1. 4 其它判定指标
目前已有相当数量的研究从地质条件、地形、场地特征周期、反应谱形状 ( RSS) 、水平和垂直反应谱比值 (HV SR )等方面进行场地判定 ,但基本处于研究阶段 ,尚未规范化。
4. 1. 5 场地类别
受资料本身的不确定性、场地的多变性及获取数据的难易性制约 ,场地类别划分不宜过细 , 但太少则又会忽略掉不同场地的重要特征 ,一般法规、规范中划为 4—7类的居多。由于资料相对丰富 ,基于地质、地形方法的场地类别划分较细。因此 ,场地类别的确定需综合考虑方便性和可行性等。
412 分类方法的适用性及局限性
4. 2. 1 规范性的方法
各国规范中的场地类别判定方法大都以现场勘测资料为主 (如剪切波速、土质岩性、覆盖层厚度等 ) ,采用的指标基本与各国的科技及经济发展水平相当 ,国家越发达 ,要求的指标相对越精细。可以说 ,经过实践检验的规范性方法是适应实情的强制性规定。
目前国内外各类抗震规范所提出的场地分类方法都建立在粗略定量的基础上 ,同一场地被不同规范划分成不同类型的情况司空见惯。当分类结果不一致时 ,笔者认为应以最保守的结果为准 ,这样会提高经济成本 ,但可降低风险水平。从长远观点看 ,需要逐渐提出一个定量合理的通用的分类方法。
4. 2. 2 地质学方法
地质学方法简单易行 ,应用广泛 ,许多研究者已将其应用到地震危险性场地影响分析中。该方法受地质图的影响较大 ,地质编图可能会忽略较薄的风化层 ,而风化层对地面运动的影响较大; 另外 ,它对 1类地质单元分配 1个 VS30 ,容易忽略单元内部的变化; 而且该方法不能确定地表以下物质的分层信息 ,需结合钻孔资料 ,或同时采用 RSS或 HVSR 方法,以降低结果的不确定。
4. 2. 3 地形法
与地质学方法相比 ,该方法得到的 VS30分布变化是连续的。它在地面运动快速评估及区域地震危险性预测方面具有实用价值 ,适用于活动构造区 ,这些地区一般缺乏实测剪切波速资料 , 或者数据的质量和空间分布较差 ,但全球统一采样的地形高程数据方便易得。该方法不适用于大陆冰川作用的地区、未风化的火山岩高原区或者平坦的碳酸盐区 ,但这些地区人口稀少 ,场地判断偏差造成的影响不大。
4. 2. 4 强地面运动记录法
运用携带着震源、传播路径和局部场地条件的综合信息的强地面运动记录 ,采用合适的方
法 (RSS, HV SR 等 ) ,在一定条件下可以用来推测局部场地条件的影响。但目前强震记录资料尚少 ,且受台站布局的影响 ,所涉及的场地尚不全面。随着强震记录的积累 ,如何应用这类方法判定场地类别是有待研究和开发的领域。
5 结语
各规范中的场地分类方法均是针对工程场地 ,由现场勘测资料确定的 ,目的是在工程抗震设计中考虑场地影响的作用。随着强震记录的积累 ,建议研究各类场地在强震中的地震反应特征 ,利用实际地震动检验场地划分的合理性。其它场地类别划分方法的本质是建立实测剪切波速与地质、地形等的映射关系 ,然后利用二者的对应关系 ,类比获得其它无实测数据地区的剪切波速及场地特征 ,这类方法 ,除强震记录反应谱方法 (RSS, HVSR )外 ,多是区域性的研究 ,主要为震后快速响应和地震灾害评估服务。
参 考 文 献
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A REV IEW O N S ITE CLASS IF ICAT IO N M ETHOD AND ITS APPL ICAB IL ITY IN EARTHQUAKE ENG INEER ING
PEN G Yan2ju1) LΒ Yue2jun1) HUANG Ya2hong1)
SH I Chun2hua1, 2) TAN G Rong2yu1)
1) ) Institu te of Crustal Dynam ics, China Earthquake Adm in istration, B eijing 100085, China 2 ) Earthquake Adm in istration of Hainan Province, Haikou 570203, China
Abstract
Two kinds of site classification methods common ly used in earthquake engineering are analyzed in this paper. One is standard methods stipu lated in seism ic codes, and used to determ ine the site effects on seism ic param eters fo r the seism ic resistance of structures, the site classification methods and site indexes in seism ic codes of China, United States, Europe and Japan are p resented, and the p roblem s a2 bout site index are discussed, such as the calculation method and dep th of shear wave velocity, the choice of initial layer, the grade of overburden thickness, etc. Then som e suggestions are put fo rward fo r the new generation of seism ic code in China. The other kind of site classification methods is used to p redict site effects on a large scale fo r a regional seism ic hazard p rediction. The popularly studied
methods based on geo logy, topography and geomo rp ho logy are described in detail. The common char2
acter of this kind of methods is to find an easily obtained macro index, and to summ arize the rules be2 tween the macro index and the site index in seism ic codes ( shear wave velocity in most cases) , and then the regional site catego ry zonation can be delineated. The response sp ectrum methods of ground motion are also p resented here, such as RSS ( Response Spectral Shape) and HVSR ( Horizontal2V erti2
cal Spectral Ratio) , they can be used in areas with abundant ground motion records. Finally the ad2 vantage, lim itation and app licable scope of these methods are discussed.
Key words site catego ry, shear wave velocity, overburden thickness, ground motion record, earth2 quake engineering
〔作者简介 〕 彭艳菊 ,女 , 1976年出生 , 2008年毕业于中国地质大学 (北京 )地球物理与信息技术学院 ,获博士学位 ,副研究员 ,主要从事工程地震中的场地影响和地震活动性方面的研究工作 ,电话: 010 -
62846744, E - mail: pengyj 408@126. com 。
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