中國歐洲美國抗震設計規范場地分類對比研究

張鳳濤

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

不同場地條件對工程結構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計至關重要。國內外專家學者針對這一課題開展了大量研究，薄景山等[2]提出了基于土層結構的場地分類初步方案；王祖平[3]對中國抗震設計規范和歐洲抗震設計規范中場地分類進行了對比；劉曾武[4]采用場地指數法進行場地類別劃分，但此方法對剪切波速的誤差很敏感。另一方面，不同國家、不同行業的抗震設計規范對場地類別的劃分方法并無統一的標準。以下將系統地總結和對比中、歐、美等國多個行業抗震設計規范，對工程場地的分類指標、分類數目、剪切波速計算方法、起始面和計算深度、覆蓋層厚度和分類方法的適用性進行分析。

1 場地分類方法對比

1.1 中國規范

在我國多個行業的抗震設計規范中，《建筑抗震設計規范》是建筑結構抗震設計的主要標準，被認為是其他行業抗震規范的源頭。自1959年第一版《地震區建筑規范(草案)》實施以來已有7個版本，場地分類逐漸從定性走向定量。現行版本《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010(2016年版))規定：建筑場地類別應根據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]。《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006 (2009年版))規定：場地類別根據場地計算深度內土層等效剪切波速Vse值，按表2劃分為四類[6]。《公路工程抗震規范》(JTGB02—2013)規定：場地類別根據平均剪切波速和場地覆蓋層厚度，按表3劃分為四類[7]。《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB35047—2015)規定：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 《建筑抗震設計規范》GB50011—2010場地類別

表2 《鐵路工程抗震設計規范》GB50111—2006場地類別

表3 《公路工程抗震規范》JTGB02—2013地類別

1.2 歐洲規范

“結構抗震設計”(EN1998—1)是歐盟國家工程抗震設計的法定規范，根據巖土不同的性質，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，需要對地震作用進行特別研究，以確立反應譜與軟黏土層的厚度及淤泥vs值之間的關系，以及反應譜與該層和下部地層之間剛度差異間的關系。對于S2型場地，應考慮到地震作用下發生土體破壞的可能性。對于S1型場地，應注意此類土壤通常具有非常低的vs值、較低的內阻尼以及異常擴大的線性性能范圍，可能引起反常的地震場址放大及土壤結構相互作用效應。

表4 《水電工程水工建筑物抗震設計規范》NB35047—2015場地類別

表5 歐洲規范場地類型劃分方法

1.3 美國規范

美國運輸部(FHWA)下屬的國家公路研究院(NHI)編制了巖土工程和結構工程的地震分析和LRFD法設計指南(FHWA-NHI-11-032: LRFD Seismic Analysis and Design of Transportation Geotech-nical Features and Structural foundations)，根據地震分析和設計指南，場地條件對地震時地面運動的特征具有重要的作用。場地條件按照場地100英尺內地層的平均剪切波速(有時表示為vs，30，下腳標“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分析。對于C、D、E類場地，可以根據場地的平均標準貫入試驗錘擊數N或平均不排水剪切強度su確定。

表6 NEHRP場地分類系統

注：1ft=304.8 mm;1psf=47.88 Pa 。

中外抗震設計規范的場地分類方法對比如表7所示。

表7 中外抗震設計規范的場地分類方法對比

由表7可知：

(1)歐洲、美國規范的場地分類方法基本相同，其中，標準貫入試驗錘擊數界限值相同，不排水剪切強度界限值略有差別。

(2)中國、歐洲規范與美國規范等效剪切波速界限值存在很大差異。美國規范界限值范圍相對較大，并且關于堅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、美國規范有專門針對軟土的場地分類方法，歐洲規范比美國規范更詳細；堅硬場地的劃分方面：相較于中國、歐洲規范，美國規范劃分更為詳細。

2 場地分類方法

2.1 分類指標

劃分場地類別的指標有很多，常用指標有等效剪切波速、場地覆蓋層厚度、標準貫入試驗錘擊數、不排水剪切強度、塑性指數、天然含水量等。國內規范大多以單指標(等效剪切波速)和雙指標(等效剪切波速和場地覆蓋層厚度)為主。歐美規范場地分類方法以平均剪切波速為主，標準貫入試驗錘擊數和不排水剪切強度等指標為輔，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，在特殊場地應適當考慮標準貫入試驗錘擊數和不排水剪切強度等原位測試和試驗指標，以細化可液化土和高黏性土等特殊場地分類。

歐洲、美國規范均未采用覆蓋層厚度這一指標，在工程實際中，準確的覆蓋層厚度往往因缺乏詳細的地質資料而不易獲得，實踐中經常采用經驗值，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的分類方法容易引起場地類別的突變。

2.2 分類數目

由表7可知，國內規范大多將場地類別分成4～5類，歐美規范分成6～7類。從抗震設防的角度出發，場地類別劃分越詳細越好。但依據現有的基礎資料無法做到，應通過強震觀測、現場勘察等手段，為將來的場地細化分類積累資料。

3 剪切波速

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

3.1 計算方法

在89規范[11]中，通過厚度加權法計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方法缺乏物理意義，而且不能與土層共振周期建立等效關系。因此，在2001規范[12]和2010規范中采用了國際通用計算公式。現行中外規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

場地類別是一個宏觀的區域地質概念，需要考慮大范圍區域場地條件的影響，一般的建筑、公路、鐵路工程，規模相對較小，工程施工僅是小范圍改變地質環境，不會影響場地類別，故采用地面作為起始面是合理的，工程規模較大時，施工會影響區域場地條件，起始面應采用基礎面作為起始面；故起始面的選擇與工程規模是否影響區域場地條件有關。

3.3 計算深度

中外規范各種場地分類方法中，均將剪切波速作為主要指標，但在不同的規范中，計算等效剪切波速采用了不同的深度：89規范采用覆蓋層厚度和地面下15 m兩者中的較小值；2001規范和2010版規范采用覆蓋層厚度和地面下20 m兩者中的較小值；鐵路抗震規范采用地面下25 m；水電規范采用覆蓋層厚度；而歐洲和美國規范不考慮覆蓋層厚度，采用地面以下30 m。有學者通過研究指出：地面下30 m深度范圍內地層特性是影響地震效應的關鍵性因素[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資料的分類結果更加可靠。因此，場地分類方法中剪切波速計算深度采用30 m顯然比20 m更準確。

4 覆蓋層厚度的確定

《建筑抗震設計規范》GB50011—2010、《公路工程抗震規范》JTGB02—2013和《水電工程水工建筑物抗震設計規范》NB35047—2015場地分類方法中均采用了覆蓋層厚度這一指標。覆蓋層原本是地質學上的概念，一般指從地面到基巖面的第四系地層。在場地分類中，覆蓋層的定義發生了改變。當下臥的巖土層和土層剪切波速遠大于上層時，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，可能遠遠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，采用實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有抑制作用，適用性相對較差，還需進行深入的研究。

6 結論建議

(1)中國規范中的場地分類方法可適當考慮標準貫入試驗錘擊數和不排水剪切強度等指標，細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算方法來改進我國現行規范計算深度取值，使其更加合理。

(3)在進一步的場地分類研究中，可通過強震觀測、現場勘察等手段積累基礎資料，為將來的場地細化分類提供支持。