建筑抗震場地類別劃分的分析應(yīng)用(溫州.周海平).doc

建筑抗震場地類別劃分的分析應(yīng)用溫州天然工程勘察有限公司 周海平摘要：本文通過分析場地類別、土層的剪切波速、等效剪切波速、覆蓋層厚度等因素對地震波在松散介質(zhì)中傳播的主要影響特性，在復(fù)雜巖土工程條件下，以具有“相似反應(yīng)譜特征”為工程場地單元的原則，對建筑場地地面地震動力反應(yīng)的影響因素進(jìn)行探討，劃分建筑場地類別時加以分析研究，結(jié)合一些典型案例，說明土層的剪切波速、等效剪切波速、覆蓋層厚度等指標(biāo)的取值方法及其要考慮的一些巖土工程條件，使建筑場地類別的劃分結(jié)果更接近實(shí)際情況，對準(zhǔn)確劃分建筑抗震場地類別具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：場地類別 剪切波速 等效剪切波速 覆蓋層厚度 分析應(yīng)用1、前言 地震是威脅人類安全的主要自然災(zāi)害之一，我國地震基本烈度6度的地區(qū)面積約占60；在抗震設(shè)防烈度等于或大于6度地區(qū)進(jìn)行巖土工程勘察時，劃分場地類別，是巖土工程勘察的一項(xiàng)必須完成的任務(wù)；巖土工程師劃分場地類別的依據(jù)是建筑抗震設(shè)計規(guī)范，由于巖土工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用建筑抗震設(shè)計規(guī)范劃分場地類別時，工程技術(shù)人員對規(guī)范的理解差異，在某些特殊的巖土工程地質(zhì)條件下，不同的巖土工程師對相同的建筑場地確定建筑場地類別時，有差異或爭議，如有些工程規(guī)模較大，巖土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基巖面起伏較大，勘察時，僅憑少數(shù)鉆孔的波速測試資料，簡單套用規(guī)范條文評定場地類別，輕易下不準(zhǔn)確或錯誤的結(jié)論，對建筑工程造成浪費(fèi)或存在抗震安全隱患，尤其高層建筑影響更加明顯。2、基本理論2.1場地類別 建筑抗震規(guī)范規(guī)定指工程群體所在地，具有相似的反應(yīng)譜特征；其范圍相當(dāng)于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村或不小于1.0km2的平面面積。顯然，場地是一個宏觀的量，劃分場地類別主要考慮地層結(jié)構(gòu)和巖土特性在宏觀上的量及變化趨勢，對一些細(xì)節(jié)變化予以忽略，巖土工程勘察工作應(yīng)針對“具有相似的反應(yīng)譜特征”的本質(zhì)意義，除對建筑地基進(jìn)行研究外，尚要了解地基外圍巖土層結(jié)構(gòu)變化情況，估計所劃分的場地類別大致范圍，才能避免一點(diǎn)（孔）之見，保證場地類別劃分的準(zhǔn)確性。 場地類別的劃分目的是考慮場地條件對設(shè)計反應(yīng)譜的影響，合理采取抗震設(shè)計參數(shù)和抗震構(gòu)造措施；影響設(shè)計反應(yīng)譜的場地地質(zhì)因素極其復(fù)雜，根據(jù)國內(nèi)外震害研究和理論分析結(jié)果，建筑場地在地震作用下的動力反應(yīng)，主要考慮松散介質(zhì)的動力放大作用和濾波特性，影響因素主要是松散層覆蓋厚度和表層土剛度。2.2土層的等效剪切波速 土層剪切波速是土的重要動力參數(shù)，表示土質(zhì)剛度的物理量，對地震反應(yīng)譜有著重要影響；建筑抗震規(guī)范規(guī)定，土層的等效剪切波速（vse）為場地評定計算深度（d0）與剪切波在地表與計算深度之間傳播的時間（t）的比值，即 vse=d0/t t= (di / vsi )式中：vse土層等效剪切波速 (m/s)； d0計算深度(m)； t剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間(s)； di計算深度范圍內(nèi)第i層土的厚度(m)； vsi計算深度范圍內(nèi)第i層土的剪切波速 (m/s)； n 計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。 從等效剪切波速的計算公式可以看出，評定表層土的剛度是將計算深度內(nèi)的土層等效于均質(zhì)體，而忽略其內(nèi)部的各土層剛度變化。2.3覆蓋層厚度 覆蓋層厚度用以描述地震波輸入松散層的基準(zhǔn)面，從基巖傳來的各種諧波分量在覆蓋層中有不同的濾波和放大作用，對地面反應(yīng)譜特征具有重要影響，從理論上講，當(dāng)土層的下層剪切波速比上層大得多時，下層土頂面可以認(rèn)為是輸入基準(zhǔn)面，該基準(zhǔn)面至地面的距離為覆蓋層厚度。3劃分場地類別的影響因素分析3.1土層剪切波速的取值： 土層剪切波速是劃分場地類別的主要依據(jù)之一，正確確定土層的剪切波速是合理劃分場地類別的前提；勘察時，將不同時代成因、工程特性的巖土層進(jìn)行分層，各分層的剛度以剪切波速表示，我們將各土層等效于均質(zhì)體，不考慮其各向異性變化，以剪切波的傳播時間和距離確定波速，計算方法如下： vs=d/t t(di/vsi)式中：vs土層剪切波速 (m/s)； d土層厚度(m)； t剪切波在該土層中的傳播時間(s)； di測試點(diǎn)所代表的厚度(m)； vsi測試點(diǎn)的剪切波速 (m/s)，個別異常點(diǎn)應(yīng)剔除； n 土層中的測試點(diǎn)數(shù)。3.2土層等效剪切波速計算的修正： 輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用是地面運(yùn)動，其計算上界面應(yīng)以室外地面算起，下界面取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值，與勘察時計算等效剪切波速所取的界面常有些出入，如一些新區(qū)建設(shè)，面積較大，室外設(shè)計地面標(biāo)高常比原地面要高，而勘察時未進(jìn)行填方，故在計算等效剪切波速時應(yīng)考慮場地填挖情況對其影響，填方時，應(yīng)包括填方厚度確定計算深度（d0），填方部分土層剪切波速（vsi）應(yīng)參與等效剪切波速（vse）的計算。在平面上的邊界（或規(guī)模）規(guī)范未作出明確規(guī)定，從地震作用影響的實(shí)質(zhì)分析，應(yīng)比建筑地基范圍大得多，深基礎(chǔ)、小規(guī)模的地基處理或局部土質(zhì)強(qiáng)度變化不予考慮，但對于大面積的地基處理，如大面積的預(yù)壓加固地基處理、大規(guī)模的挖填方，大范圍改變場地表層土剛度，對地震反應(yīng)譜將有一定影響，因此vse值應(yīng)為建設(shè)后實(shí)際的土質(zhì)剛度反映，對其進(jìn)行適當(dāng)修正。在同一場地上各處vse值較為離散時，宜劃分單元采用統(tǒng)計意義上取值。3.3覆蓋層厚度的確定 在巖土工程勘察實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，巖土層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化較為復(fù)雜，如何確定覆蓋層厚度很困難，各種規(guī)范對覆蓋層厚度的取值規(guī)定有些差異，也有些勉強(qiáng)；建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，建筑場地覆蓋層厚度的確定，應(yīng)符合下列要求： 1 一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。 2 當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可按地面至該土層頂面的距離確定。 3 剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層。 4 土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋層中扣除。 以上幾款規(guī)定的基本思路可以理解為：場地土層剪切波速隨深度呈遞增趨勢；將剪切波速大于500m/s的硬土層定義為基巖，做為輸入基準(zhǔn)界面；相鄰?fù)翆蛹羟胁ㄋ俨町惔笥?.5倍視為土層剛度突變，做為邊界條件；松散層中孤立的硬夾層予以忽略；與基巖相連的硬夾層（如堅(jiān)硬的侵入巖巖脈）做為輸入邊界考慮，計算覆蓋層厚度時扣除硬夾層的厚度。 對于覆蓋層中間較厚的層狀硬土，如密實(shí)的卵石層（vs500m/s），可以認(rèn)為對地震波的傳播影響較小，若厚度較大，分布范圍較大，明顯影響地面的動力反應(yīng)，計算覆蓋層厚度時應(yīng)將其扣除。 建筑抗震設(shè)計規(guī)范將覆蓋層厚度劃分為7個檔次，即0m、3m、5m、15m、50m、80m、80m，其上界面按建筑室外地面算起，要考慮建設(shè)期的填方或挖方地面高程變化影響；下界面根據(jù)基巖面起伏特征分區(qū)考慮，對于局部的一些小規(guī)模突變，對地震波的傳播影響較小，可以忽略不計。4工程案例4.1案例一某工程為2幢高層建筑，建筑面積約5.5萬m2，30層，框架筒體結(jié)構(gòu)體系，嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，位于濱海平原殘丘坡腳附近，巖土層分布情況如圖1。 建筑物覆蓋層土質(zhì)vse（m/s)覆蓋層厚度場地類別A幢中硬土3006.6IIB幢軟弱土12032.0IIIA、B平均考慮中軟土21019.3II從震害調(diào)查和理論分析，靠近平原殘丘邊緣，地表動力反應(yīng)逐漸減弱，B幢結(jié)構(gòu)地震輸入明顯比A幢要大，雖然本建筑場地面積較小，若籠統(tǒng)地按II類場地考慮（將B幢也按II類場）顯然不合理，劃分兩個場地單元按不同類別考慮比較切合實(shí)際。4.2案例二 某工程為1幢高層住宅樓，建筑面積約2.6萬m2，25層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，位于濱海淤積平原內(nèi)，巖土層分布情況如圖2。 該場地鄰近約1.5km2范圍內(nèi)基巖面埋深均在6070m，場地類別為III類，勘察時發(fā)現(xiàn)在該建筑物地基下部為侵入巖體風(fēng)化凹坑，面積約為2835m，中風(fēng)化基巖面平均埋深為85m，波速測試計算等效剪切波速vse112m/s，若以建筑物范圍內(nèi)計算覆蓋層厚度為85m判斷，則場地類別為IV類；后經(jīng)擴(kuò)大勘察范圍，收集鄰近場地地質(zhì)資料分析，查清了中風(fēng)化基巖面的變化趨勢，確認(rèn)大范圍內(nèi)中風(fēng)化基巖面埋深為6070m，擬建場地僅為一局部凹坑，規(guī)模較小，對長周期波的影響不顯著，而覆蓋層厚度較大，對地表反應(yīng)譜影響已極其微弱，故場地類別仍判為III類，降低了建筑工程造價。4.3案例三某高層住宅樓，建筑面積約2.86萬m2，30層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，位于濱海淤積平原，建筑地基內(nèi)為一塘河小灣回填，面積約2530m，成分為碎石混少量砂性土，呈飽和，中密，低壓縮性，填土?xí)r間20余年，剪切波速vs170m/s，填土以下為淤泥，流塑，高壓縮性，剪切波速vs102m/s；巖土層分布情況如圖3。該工程若以地基內(nèi)鉆探資料計算，vse170m/s，屬中軟土，覆蓋層厚度44.5m，按建筑抗震設(shè)計規(guī)范4.1.6條判定，建筑場地類別為II類；事實(shí)上，該地基周邊填土厚度很薄，vse500m/s的巖土類型為堅(jiān)硬土，而卵石的vs530m/s，厚度達(dá)15m，我們可以近似地將卵石以剛體考慮，取本場地覆蓋層厚度為85-1570m，故場地類別為III類。4.5案例五 某住宅小區(qū)，總用地面積約16萬m2，由19幢高層住宅樓組成，總建筑面積約27萬m2，1525層，框支結(jié)構(gòu)體系，底層架空，大直徑機(jī)械鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，位于濱海淤積平原，地層結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，粘土：軟塑，剪切波速vs135m/s；淤泥：流塑，剪切波速vs115m/s；粘性土：可軟塑，剪切波速vs240m/s；中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r：剪切波速vs680m/s。深度20m內(nèi)等效剪切波速vse118m/s。地層結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 該小區(qū)中風(fēng)化基巖面埋深在4090m，向東緩傾，如圖5-2所示，根據(jù)場區(qū)波速測試判定，覆蓋層厚度為4090m，跨越建筑抗震設(shè)計規(guī)范將覆蓋層厚度所劃分的數(shù)個檔次，顯然，本住宅小區(qū)已跨越不同場地類別單元，確定場地類別時，應(yīng)根據(jù)中風(fēng)化基巖等深線圖，見圖5-2，將其劃分為2個地質(zhì)單元考慮，80m等深線以西確定為III類場地，80m線以東確定為IV類場地。4.6案例六 某萬噸級大型碼頭，面積約1.2km2，位于濱海軟土地區(qū)，地形平緩，淤泥厚度約30m，等效剪切波速vse125m/s，采用大面積堆載（填方）預(yù)壓地基處理，堆載厚度為68m，填方料為級配良好的碎石土，預(yù)壓后等效剪切波速vse145m/s；地層結(jié)構(gòu)如圖6所示。該工程詳細(xì)勘察時未進(jìn)行填方堆載預(yù)壓處理，地面高程約2m，等效剪切波速vse125m/s，覆蓋層厚度若從原地面算起，覆蓋層厚度為40米左右，場地類別為III類，地基預(yù)壓處理后，檢驗(yàn)地基加固效果勘察時，根據(jù)波速測試結(jié)果計算，等效剪切波速vse167m/s，覆蓋層厚度從填方后地表面算起約為45m，根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范判定，場地類別為II類，認(rèn)為大面積地基處理改善了場地表層土剛度，可以判定場地類別為II類。5 結(jié)論地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響是極其復(fù)雜的，場地類別對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)有重要的影響，準(zhǔn)確劃分建筑場地類別對抗震防災(zāi)有著重要的意義。、建筑場地類別的劃分，不能拘泥于場地面積的大小，應(yīng)以具有相似反應(yīng)譜特征為原則的工程場地為地質(zhì)單元，并根據(jù)建筑設(shè)活動對場地條件的影響分析，做適當(dāng)修正。、巖土層等效于均質(zhì)體，以剪切波的傳播時間和距離確定計算剪切波速。、輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用計算是以建筑室外地面算起，在判別建筑場地類別時的覆蓋層厚度相應(yīng)以建筑室外地面為上界面。、表征地基表層剛度的等效剪切波速，應(yīng)遠(yuǎn)大于建筑基底范圍所代表的土層總體剛度反映，即計算等效剪切波速的土層在平面上有較大的范圍。、計算覆蓋層厚度時，對局部的硬夾層予以忽略，對于與基巖相連的硬夾層或分布范圍較大的層狀硬土層（vs500m/s），應(yīng)扣除其厚度。、正確地劃分建筑場地類別對建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全、造價等具有重要影響，因此在巖土工程勘察中應(yīng)針對建筑物的性質(zhì)、規(guī)模、地基土的工程性質(zhì)等因素綜合考慮，準(zhǔn)確地判定場地類別。筆者通過多年的工程實(shí)踐，從場地巖土層的波速、等效剪切波速、覆蓋層厚度等三個方面的影響因素分析，在復(fù)雜的巖土工程條件下，結(jié)合一些較典型的案例，對劃分建筑場地類別進(jìn)行分析探討。文中存在的不足或錯誤，敬請同行批評指正。主要參考文獻(xiàn)：1 中華人民共和國建設(shè)部 . 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50011