中外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)對(duì)應(yīng)關(guān)系

郭 鋒， 吳東明， 許國(guó)富， 伋雨林

(1．中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071;2．湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北 武漢 430056;3．華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院;b．控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

從20世紀(jì)初至今近110年的時(shí)間里，我國(guó)(含臺(tái)灣)發(fā)生的7．0級(jí)以上地震有76次，8．0級(jí)以上地震有11次［1］。我國(guó)強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站數(shù)量及強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，地震動(dòng)研究多選用美國(guó)等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，然而我國(guó)與國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)的差異，直接妨礙和影響了對(duì)國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)強(qiáng)震數(shù)據(jù)的利用，因此尋找我國(guó)與國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)間的關(guān)系，以便有效地利用國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)強(qiáng)震數(shù)據(jù)，具有重要意義。呂紅山等［2］通過(guò)對(duì)美國(guó)幾十個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地勘探資料的分析得出結(jié)論，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算的30 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs30＜150 m/s對(duì)應(yīng)于我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)》［3］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“01 抗震規(guī)范”)的Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地;150 m/s＜Vs30＜260 m/s對(duì)應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地;260 m/s＜Vs30＜510 m/s對(duì)應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地;Vs30＞510 m/s對(duì)應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地。由于勘探資料數(shù)據(jù)過(guò)少，其結(jié)論難以被接受［4］，本文收集了235個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地的詳細(xì)勘探資料，進(jìn)一步研究此問(wèn)題。

1 抗震規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)比較

我國(guó)及臺(tái)灣地區(qū)與美國(guó)、歐洲、日本抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 1［3，5～8］，由表 1 可見(jiàn)，美國(guó)、歐洲及臺(tái)灣抗震設(shè)計(jì)規(guī)范均采用地下30 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs30作為場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)，01抗震規(guī)范依據(jù)場(chǎng)地覆蓋土層厚度H和地下20 m(當(dāng)H＜20 m時(shí)取H)深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs20進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)。美國(guó)規(guī)范將Vs30大于760 m/s定義為堅(jiān)硬土或軟基巖，將Vs30大于1500 m/s定義為硬基巖;歐洲規(guī)范將Vs30大于800 m/s定義為基巖;01抗震規(guī)范將Vs20大于500 m/s定義為基巖。周錫元等［5］認(rèn)為，等效剪切波速大于500 m/s的硬土層定義為基巖，是遷就鉆探深度的一種不得已的做法。作者認(rèn)為，Vs20大于500 m/s在嚴(yán)格意義上不能算是基巖，只能算是堅(jiān)硬土或軟基巖，建議將基巖根據(jù)美國(guó)或歐洲規(guī)范定義為 Vs20大于760 m/s或800 m/s。

由于場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不同，在沒(méi)有場(chǎng)地勘探資料或場(chǎng)地勘探資料不完備的情況下，無(wú)法按照01抗震規(guī)范對(duì)國(guó)外或臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)站場(chǎng)地進(jìn)行分類(lèi)。例如勘探深度只有30 m，30 m以上土層剪切波速均低于500 m/s，無(wú)法確定其覆蓋土層厚度，則不能根據(jù)01抗震規(guī)范進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)，但可根據(jù)美國(guó)、臺(tái)灣規(guī)范進(jìn)行分類(lèi)。這意味著國(guó)外或臺(tái)灣地區(qū)的許多強(qiáng)震記錄不能為我國(guó)利用。美國(guó)等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)提供了較多臺(tái)站場(chǎng)地地表以下30 m的等效剪切波速Vs30。因此，有必要尋找我國(guó)與美國(guó)等國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)場(chǎng)地分類(lèi)間的關(guān)系，使其強(qiáng)震記錄能為我國(guó)地震動(dòng)研究所利用。

表1 中外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)比較

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于:(1)美國(guó)ROSRINE計(jì)劃及USGS地質(zhì)調(diào)查等，ROSRINE計(jì)劃自1997年起，對(duì)60個(gè)自由場(chǎng)地強(qiáng)震臺(tái)站的土層特性進(jìn)行了詳細(xì)勘察，勘探深度均在100 m以上，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，能按照01抗震規(guī)范確定類(lèi)別的臺(tái)站場(chǎng)地有86個(gè);(2)臺(tái)灣強(qiáng)震測(cè)站場(chǎng)址工程地質(zhì)資料庫(kù)，作者向臺(tái)灣地震研究中心申請(qǐng)，得到了150個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地勘察資料，其中能按照01抗震規(guī)范確定類(lèi)別的臺(tái)站場(chǎng)地有91個(gè);(3)日本KIK-NET基巖強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)從1997年開(kāi)始建立KIK-NET臺(tái)網(wǎng)，對(duì)轄區(qū)內(nèi)的681個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地進(jìn)行了詳細(xì)勘察，本文從中選用了46個(gè)臺(tái)站:(4)歐洲SISMOVALP計(jì)劃，該計(jì)劃由德國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)發(fā)起建立，本文從中選取了12個(gè)臺(tái)站。故從四個(gè)國(guó)家或地區(qū)選取能按01抗震規(guī)范進(jìn)行分類(lèi)的臺(tái)站總數(shù)為235個(gè)。

3 中外抗震規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)對(duì)應(yīng)關(guān)系

將235個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地分別按照美國(guó)IBC2006和01抗震規(guī)范進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)，分類(lèi)情況見(jiàn)表2、表3。

表3 按01抗震規(guī)范臺(tái)站場(chǎng)地分類(lèi)

從表2可見(jiàn)，按照IBC2006進(jìn)行分類(lèi)，C、D類(lèi)場(chǎng)地最多。從表3可見(jiàn)，按01抗震規(guī)范分類(lèi)，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)最多，且在所選美國(guó)、臺(tái)灣、歐洲臺(tái)站場(chǎng)地中，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)約占70%，這與01抗震規(guī)范在場(chǎng)地分類(lèi)中有意識(shí)擴(kuò)大Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的范圍，把Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地的范圍縮得較小有關(guān)［9］。本文選取的臺(tái)站場(chǎng)地，Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ場(chǎng)地均占有相當(dāng)比例，數(shù)據(jù)具有代表性。

依據(jù)IBC2006和01抗震規(guī)范，分別計(jì)算出235個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的Vs30和Vs20，求出Vs30和Vs20的自然對(duì)數(shù)值，再以lnVs30為橫坐標(biāo)，lnVs20為縱坐標(biāo)，將01抗震規(guī)范與IBC2006場(chǎng)地分類(lèi)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖1。

圖1 我國(guó)與美國(guó)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)對(duì)比

由圖1可見(jiàn)，01抗震規(guī)范Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地包含美國(guó)A、B類(lèi)及部分C類(lèi)場(chǎng)地，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地包含部分C、D類(lèi)場(chǎng)地，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地包含部分D類(lèi)和少部分E類(lèi)場(chǎng)地，而Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地則大致對(duì)應(yīng)E類(lèi)場(chǎng)地。由于兩國(guó)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)的指標(biāo)不同，導(dǎo)致場(chǎng)地分類(lèi)的差異較大。

圖1的絕大多數(shù)點(diǎn)的規(guī)律性較強(qiáng)。其原因是兩國(guó)規(guī)范都采用了等效剪切波速來(lái)作為場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)，由于計(jì)算原理相同，故Vs20和Vs30存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)圖1中的特殊點(diǎn)進(jìn)行分析。H點(diǎn)為美國(guó)APEEL#2臺(tái)站場(chǎng)地，其地質(zhì)情況較為特殊，在0～2 m處剪切波速為250 m/s，在2～10 m處剪切波速為74 m/s，在57～100 m處剪切波速為507 m/s，求得 Vs30為 133．8 m/s，Vs20為 114．3 m/s。本場(chǎng)地存在較厚的軟夾層，且57～100 m處剪切波速為507 m/s，處在確定場(chǎng)地覆蓋層厚度的邊界，若以場(chǎng)地覆蓋層厚度57 m來(lái)劃分場(chǎng)地，即為Ⅲ類(lèi)，若以場(chǎng)地覆蓋層厚度100 m來(lái)劃分場(chǎng)地，即為Ⅳ類(lèi)，故H點(diǎn)處在Ⅳ類(lèi)所在區(qū)域。

J點(diǎn)為美國(guó)Oakland Outer Harbor Wharf臺(tái)站場(chǎng)地，覆蓋土層厚度為131．5 m，求得Vs30為248．7 m/s，Vs20為 252．2 m/s，該場(chǎng)地 Vs20稍大于 250 m/s，剛超出Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地范圍，按01抗震規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)即為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

K點(diǎn)為日本AOMH08臺(tái)站，覆蓋土層厚度為81 m，求得 Vs30為 292．6 m/s，Vs20為 246．1 m/s，該場(chǎng)地Vs20稍小于250 m/s，不夠Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，按01抗震規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地。

從J點(diǎn)和K點(diǎn)的地質(zhì)資料來(lái)看，K點(diǎn)臺(tái)站場(chǎng)地條件優(yōu)于J點(diǎn)臺(tái)站。J點(diǎn)和K點(diǎn)在Ⅱ和Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地分界處出現(xiàn)交錯(cuò)的情況，是因?yàn)榘褟?fù)雜的場(chǎng)地簡(jiǎn)單地劃分為幾類(lèi)所致。

M點(diǎn)為日本IWTH18臺(tái)站場(chǎng)地，在表層2 m以下是剪切波速為680 m/s以上的土層或巖石，該場(chǎng)地的計(jì)算深度為2 m，求得Vs20為180 m/s，Vs30為920．4 m/s，此類(lèi)場(chǎng)地由于覆蓋土層厚度控制了計(jì)算深度，使得計(jì)算深度較小，導(dǎo)致M點(diǎn)偏離總體分布趨勢(shì)，其他的特殊點(diǎn)亦如此。

N點(diǎn)為臺(tái)灣TCU064臺(tái)站場(chǎng)地，各層土的剪切波速均大于400 m/s，覆蓋土層厚度為6 m，求得 Vs30為647 m/s，Vs20為 447．8 m/s，該場(chǎng)地 Vs20小于500 m/s，不夠Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，按01抗震規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)即為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。按照01抗震規(guī)范，在場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)邊界處，覆蓋土層厚度相差1 m，等效剪切波速相差1 m/s，即被判為兩類(lèi)不同類(lèi)別的場(chǎng)地，以上H、J、K、N點(diǎn)及附近點(diǎn)即是這種情況的反映。

對(duì)于以上情況，01抗震規(guī)范［2］條文說(shuō)明指出:(1)對(duì)于有較厚軟夾層的場(chǎng)地土層，可根據(jù)分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù);(2)在邊界線附近(±15%范圍)，允許使用插值方法確定其Tg值。因此，以上特殊點(diǎn)尚屬正常情況。

根據(jù)圖1，結(jié)合235個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地資料，在綜合考慮上述特殊點(diǎn)的情況下，得出IBC2006場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)Vs30值與01抗震規(guī)范場(chǎng)地類(lèi)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4。

表4 Vs30值與01抗震規(guī)范場(chǎng)地類(lèi)別對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)圖1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其結(jié)果見(jiàn)圖2，建立ln(Vs20)與ln(Vs30)關(guān)系式為:

式(1)的相關(guān)系數(shù)為0．854，符合工程精度要求。依式(1)即可由其他國(guó)家或地區(qū)臺(tái)站場(chǎng)地的Vs30求出對(duì)應(yīng)于01抗震規(guī)范的Vs20，為我國(guó)充分利用國(guó)外場(chǎng)地資料提供可能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有臺(tái)站場(chǎng)地勘探資料的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)同美國(guó)等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的場(chǎng)地分類(lèi)指標(biāo)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這為按01抗震規(guī)范對(duì)國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)站場(chǎng)地進(jìn)行分類(lèi)提供了方法，也使全面而有效地利用國(guó)外和臺(tái)灣地區(qū)強(qiáng)震記錄成為可能。

［1］ 胡聿賢．地震工程學(xué)［M］．北京:地震出版社，2006．

［2］ 呂紅山，趙鳳新．適用于中國(guó)場(chǎng)地分類(lèi)的地震動(dòng)反應(yīng)譜放大系數(shù)［J］．地震學(xué)報(bào)，2007，29(1):67-76．

［3］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)［S］．

［4］ 李廣軍，趙 艷，王文仲，等．場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響［J］．工程抗震與加固改造，2009，31(1):114-118．

［5］ International Code Council， InternationalBuilding Code(IBC2006)［S］．

［6］ European Committee for Standardization．Eurocode 8:Design of Structures for Earthquake Resistance［S］．2004．

［7］ 建築物耐震設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)及解說(shuō)［S］．臺(tái)灣:內(nèi)政部建築技術(shù)審議委員會(huì)，2005．

［8］ Building Standard Law(BSL)［S］．Toyko:The Building Center of Japan(BCJ)，2000．(in Janpanese)

［9］ 周錫元，樊水榮，蘇經(jīng)宇．場(chǎng)地分類(lèi)和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期——《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂簡(jiǎn)介(八)［J］．工程抗震，1999，19(4):3-8．