海外工程巖土抗震參數選取

趙樹光，沈明云

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

隨著“一帶一路”的發展，中國在境外承接的項目越來越多，特別是在東南亞、非洲、美洲等地區比較集中。在項目執行過程中，經常遇到選擇抗震參數、液化計算等問題。項目所在國家主要以不發達國家或發展中國家為主，很多國家抗震資料和體系不全，如非洲剛果金某碼頭項目存在缺乏抗震區劃圖的問題，馬來西亞東海岸鐵路項目存在線路長、地域廣、抗震參數不好選取等問題。中標抗震規范已經比較成熟，形成了以建筑抗震設計規范和區劃圖相結合的體系，編制報告時參數選取非常方便，但在執行境外項目過程中，一般以英標、美標和歐標為主，部分國家如印尼、菲律賓等編制了自己的抗震設計規范，不同體系下設防目標、設計標準、參數選擇都存在明顯差異。部分項目雖在境外，但仍然采用國標，而參數來源于當地，技術人員在編制地勘報告時往往不知如何提供，設計人員對參數的來源也存在困惑，因此在承擔境外項目時，既要研究中標參數的來源和含義，又要結合國外標準做好對比分析。在此基礎上對已經完成的項目進行總結，系統性提出參數選取流程很有必要，更有針對性和可操作性，為以后承接海外項目、項目投標等提供指導和借鑒。

1 中國抗震規范的演變

我國是一個地震多發的國家，完善抗震規范以及積極吸取國外先進經驗勢在必行。

建國前我國沒有完善的抗震體系[1-2]，20世紀50年代開始建立了區劃圖，1959年以蘇聯設計規范為藍本，提出了采用反應譜進行設計的理念，1964年完善形成了1964規范。之后結合唐山地震和汶川地震經驗,抗震設計規范總共經歷了6次大的修訂：第1次，TJ 11—1974《工業與民用建筑抗震設計規范》；第2次，TJ 11—1978《工業與民用建筑抗震設計規范》；第3次，GBJ 11—1989《建筑抗震設計規范》；第4次，GB 50011—2001《建筑抗震設計規范》；第5次，GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》；第6次，GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》2016版[3]。各個地區和行業也編制了相關的抗震規范，如JTS 146—2012《水運工程抗震設計規范》、JTGTB 02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》、DGJ 08-9—2013《上海抗震設計規范》、GB 50111—2006《鐵路抗震設計規范》、GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計標準》等，逐漸形成了完善的抗震體系文件，其中國標以兩圖一表[4]和抗震規范相結合為特征。

中標抗震規范涉及的主要概念為：抗震設防烈度、地震基本烈度、設計基本地震加速度、設計特征周期、超越概率、土的類型、場地類別、地震分組、重現期等。從中標的演化來說，具有以下特征：逐漸與國際接軌，采用多級設防目標和概率設計理念，設計超越概率與歐標一致；地震區劃圖中動力放大系數提高到了2.5，與國外標準一致，同時根據中國國情提出了設計分組的概念；土的分類更加細化，提高了土的波速值，如軟弱土波速值提高到了150 ms；結合國內外經驗，液化公式逐漸由線性過渡到對數型，且偏于安全考慮，見圖1。

注：Ncr為SPT錘擊數臨界值,ds為深度，N0為貫入器預打入土中15 cm的錘擊數。

圖1 液化對比

易犯錯概念主要為超越概率和設計分組等，海外項目確定峰值加速度一般要先確定超越概率，否則極易導致選錯參數，設計分組中第3組是為更安全考慮，比如汶川地震前成都主城區為第1組，后調整為第3組，如考慮遠震的影響在液化計算時可按第3組確定調整系數。

2 中外標準巖土抗震參數對比分析

2.1 主要海外項目

表1選取了部分代表性國家的地勘項目，列舉了區劃圖的收集以及峰值加速度的情況。大部分國家都建立了區劃圖，部分國家有完善的抗震設計規范，特別是地震高發國家。以印尼為例，目前已經更新到12版，如果是純外資項目，一般根據業主要求并結合當地習慣采用英標、美標或歐標。少數非洲不發達國家或小國基礎設施落后沒有區劃圖等資料可利用，隨著中國影響力的增加，中標逐漸得到了推廣使用，也得到了業主的認可；大部分國家都為抗震峰值加速度較高的國家，東南亞以印尼和菲律賓為代表，美洲以墨西哥為代表，具有跨度大、極限值非常大的特點，非洲總體來說地震影響較小。

表1 部分國家的區劃圖情況

2.2 抗震體系及設計原則

中標設計原則[5]：一直貫徹三水準目標，即小震不壞、中震不倒、大震可修的原則。采用3個水準烈度和對應的設防目標：建筑物處于正常使用狀態、非彈性工作階段、較大的非彈性變形，對應的狀態為多遇、設防、罕遇，超越概率分別為63%、10%、2%～3%，重現期分別為50、475、1 600～2 400 a，重現期和超越概率可以通過經驗公式計算：

TR=-TLln(1-PR)

(1)

式中：TR為重現期；TL為超越概率對應的年限；PR為超越概率。區劃圖給出各種概率之間加速度換算的經驗范圍值，為便于使用，表2給出了平均值。中標的主要設計原則見表2。

表2 中標設計原則

注：PGA為峰值加速度。

中外抗震體系及設計原則差異較大，主要表現為：美標設計原則和設防目標較單一，體系文件相對較多，超越概率要求較高(一般為2%)，歐標與中標超越概率一致(10%)，中標只有對核電等項目才采用極罕遇地震。基準地層中標一般為Ⅱ類場地，而國外標準基本以巖石為基準；動力放大系數區劃圖已經調整為與海外標準一致，抗震規范仍采用2.25，重大項目一般采用2.5，更合理安全，也與國際接軌，量大面廣的項目可采用2.25。與中標不同，境外項目一般沒有設計遠震、近震、中震的概念，也沒有涉及到地震分組，按照中標進行液化評價時則缺乏對應的參數。在沒有充足數據的前提下可按設計不利即設計遠震(第3組)考慮。中外標準對比見表3。

表3 中、美、歐標準抗震標準對比

注：英標與歐標類似，本文選擇歐標作對比。

2.3 土類的劃分

土層類別劃分的基本原則一樣，即按照土的力學特性來劃分，國內場地劃分為5類：Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，土的類型劃分為軟弱土至巖石5大類；美標或歐標一般劃分為6類或7類。中外標準土層分類的對比見表4。

表4 中外標準土的分類對比

我國早期土層劃分較簡單，1978版抗震規范場地土劃分只有3類：Ⅰ(穩定巖石)、Ⅱ(松砂或軟土)、Ⅲ(填土等)，場地是不分類的，僅僅根據感性認識分類，沒有具體的指標或參數；1989規范開始擴展到4類土，開始結合波速試驗和承載力分類，并首次結合覆蓋層的厚度確定場地類別，為以后的規范奠定了基礎；后面經過陸續修訂最終分為5類，并且波速也適當提高，與國外標準接近。

土層分類基本原則一致，但參考指標不相同。中標側重用波速，歐標及美標側重用標貫和不排水抗剪強度(黏性土)判別，執行較方便，黏性土的分類如無抗剪強度可按經驗(表5)或Skempton經驗公式通過SPT換算。中標與歐標的最大波速接近。中標軟弱土最大波速調整到150 ms，偏安全考慮，同時與國際接軌，硬質巖石接近歐標。中標不涉及等級，只有土類的定名，僅有場地才確定等級，場地分類采用雙參數確定。美標波速一般為英制單位，存在單位換算的問題。

表5 黏性土分類對比

2.4 抗震區劃圖和峰值加速度

除了少數不發達國家外，國外一般都結合國情編制了抗震區劃圖，選取峰值加速度時注意以下事項：

1)峰值加速值PGA不是一個固定的值，需要確定一個前提，即采用什么基準地層和超越概率，國外一般按巖石考慮，我國是按Ⅱ類場地確定。超越概率也各不相同，我國對應的概率為50 a超越10%，重現期為475 a，有的國家給出了幾種概率的區劃圖，不同概率之間的PGA可以相互換算[6]。

2)獲取PGA常用的方法包括：①根據項目經緯度查閱USGS(美國地質勘探局)網站，獲取有關參數，通過參數SS和S1(分別為0.2 s和1 s處B類場地的設防加速度)換算得到峰值加速度；②收集當地地震部門的區劃圖等資料；③查閱網站GSHAP(全球地震災害評估計劃)，和USGS一樣，受限于地震資料收集，往往與當地的規范相差較大，一般以當地規范為準；④強地震地區一般要做專題評估報告，這是最可靠的方法，且一般要做反應譜試驗，可以得到更精確的結果，以菲律賓某電廠項目為例，由有資質的公司做了專題研究；⑤專家會議法，會議一般由業主發起，由地震方面的專家討論決定，統籌結合各自方法的優缺點，共同承擔責任。以菲律賓某電廠項目為例，專題報告采用不同研究手段得到場地的3種加速度值，但并沒有給出推薦值；會議上專家通過討論協商確定采用平均值作為最終的峰值加速度采用值。

我國最新的區劃圖2015版，吸取汶川地震、日本311大地震經驗，給出了兩圖(地震動峰值加速度區劃圖和特征周期區劃圖)，確立了雙調整(加速度和場地類別相結合)原則，區劃圖非常詳細，可以查到具體的鄉鎮；國外一般只是給出大概的范圍，類似于等值線圖，沒有細分到具體城市或鄉鎮，不便于查找，只能根據大致的位置確認。以馬東鐵為例，馬來西亞為地震災害少的國家，但受到印尼等鄰近國家的影響，抗震也逐漸受到重視，不同部門(建設部門和地礦部門)也提出了區劃圖，但存在不統一的問題。該項目總長超過500 km，跨越多個州，僅提供一個單一的峰值加速度值不合理，根據地礦部門提供的區劃圖，并將擬建線路疊加于區劃圖上，推算得到PGA一般為0.04g～0.06g，給出了不同里程范圍的推薦值。

2.5 反應譜和特征周期

2.5.1反應譜異同

中標反應譜在1989規范以前沒有直線上升段，直接以平臺段開始，從1989規范開始引入上升段，其基本形狀逐漸與國際接軌[7-8]，動力放大系數中標依然采用2.25，比國外標準小，在速度下降段中標引入衰減指數，位移下降段按直線下降，總體下降得較慢。反應譜特征對比見表6。

表6 中外標準反應譜特征對比

注：T為反應譜周期；Fa為場地放大系數；Ss為B類場地0.2 s處的設防加速度。

2.5.2特征周期

中標的反應譜平臺起始段為固定值0.1 s，特征周期一般由場地類別和分組兩個因素確定，可查規范和區劃圖確定，區劃圖上標明了每個地區具體鄉鎮的特征周期。

美標涉及到3個時間節點：平臺段起始周期T0、平臺段末端周期TS、長周期TL，其中TL可以從USGS給出的長周期過渡周期圖中查出。

T0=0.2SD1SDS

(2)

TS=SD1SDS

(3)

式中：SD1、SDS分別為反應譜曲線中周期為0.2 s和1.0 s處的設計地震加速度。

歐標平臺段起始周期TB、平臺段末端周期TC、確定位移范圍的起始點周期TD直接查表確定。中美標準實際上是考慮場地類別和分組，歐標只考慮了場地類別。

2.6 液化判別

中外標準液化評價方法差異較大，國外常用的方法為NCEER法[9-10]、SEED法，NCEER法實際是一種簡化的SEED法，涉及的概念主要是水平剪應力比CSR和抗液化強度比CRR。NCEER法已經在巴基斯坦、墨西哥等海外項目中得到了應用。其計算公式如下：

(4)

CSR=(τavσ′vo)=0.65(amaxg)(σvoσ′vo)γd

(5)

γd=

(6)

FS=(CRR7.5CSR)·MSF

(7)

(8)

式中：CSR為水平剪應力比；CRR7.5為震級為7.5級的抗液化強度比；γd為應力折減系數；N1為考慮上覆壓力為100 kPa時SPT能量效率為60%時修正后的SPT擊數；τav為地震產生的平均剪應力；αmaxg為地面最大加速度與重力加速的比值；σv0和σ′v0為土層的垂直總應力和總有效應力；z為深度;MW為抗震烈度；MSF為烈度影響系數；FS為安全系數，大于1時一般為不液化。中標的液化公式綜合了各國的經驗，并結合我國的國情，采用人工神經網絡推算得到，公式較簡單，方便使用，且SPT不必修正，一般偏于保守，目前中標還未得到國外咨詢公司的認可。

2.7 關系轉換

2.7.1簡易轉換法

利用經緯度查閱USGS網站得到SS和S1，并根據USGS的說明文件得到換算公式：PGA=SS(2×2.5)，查閱中標區劃圖再乘以放大系數得到場地加速度值。SS和S1分別為B類場地反應譜0.2 s和1 s處的設防加速度值。

2.7.2常規轉換法

根據反應譜特征，換算關系推導如下[11-13]：

(9)

(10)

由上述公式推算得到：

PGA=Fa·SS(β·rCN)

(11)

式中：Fa為場地放大系數，可查表求得；PGA為中標峰值加速度值；β為動力放大系數；rCN為超越概率換算系數。

2.7.3其他

如已經查得加速值，一般只須按照超越概率換算，再按場地類別放大。轉換過程中注意采用的標準，只有美標才會涉及SS和S1；動力放大系數一般按2.5計算，超越概率換算系數可按表2計算；先轉加速度再確定放大系數，放大系數每個國家不一樣。

2.8 報告中抗震章節

如項目采用英標或歐標，在編制報告的過程中注意報告類別的差異。英標報告一般分為FR(事實報告)、GIR(分析報告)和GDR(設計報告)，強調責任明確，FR側重實施過程和完成情況，GIR側重對數據進行驗證和分析，參數的采用強調設計人員經驗，最終的參數會在GDR中體現。對于抗震參數如提交的是FR報告，不須提供相關參數，GIR報告只須提交相關區劃圖基礎數據即可，實際使用的具體參數要在GDR報告中體現，另外還須根據咨詢公司的意見確定是否提供參數。

3 抗震參數選取流程及案例分析

根據上述分析，對于海外工程在編制地勘報告時可按圖2的流程選取參數，下面以3個案例來分析具體的工程項目抗震參數的選取。

圖2 抗震參數選取流程

案例1：非洲小島國，基礎設施落后，一般以2～3層建筑物為主，缺乏區劃圖，某擬建碼頭地勘項目執行中標，采用簡易換算法，由USGS網站(圖3)得到SS=0.16g,S1=0.06g，根據USGS說明文件得到巖石類的PGA=0.16g(2×2.5)=0.032g，場地類別為Ⅱ類，需要乘上放大系數1.25，得到場地(Ⅱ類場地)加速度為0.04g，特征周期取0.4 s，此類方法計算方便，依據USGS的補充文件，一般咨詢公司都給予認可。

圖3 USGS網站提供的參數SS和S1

常規換算法如下：PGA=FaSS(βrCN)=1.2×0.16g(2.5×1.9)=0.04g，如采用美標計算得到特征周期為0.53 s，場地類別為SC類。兩種方法得到的峰值加速度基本相同，如采用不同規范特征周期有差異。

案例2：巴新某碼頭項目執行中標，巴新是一個地震多發的國家，建立了成熟的抗震區劃圖，因靠近澳洲，與澳洲標準比較接近，借鑒了澳洲標準的經驗。查閱GSHAP網站(圖4)得到的基巖峰值加速值為0.17g，而根據最新版的當地區劃圖為0.25g，本次選取了0.25g，場地為Ⅳ場地，再根據中標區劃圖文件進行放大，得到場地Ⅳ類場地加速值為0.26g。

圖4 GSHAP網站確定PGA

案例3：巴基斯坦某碼頭項目執行英標，場地存在一層較厚的粉細砂③1層，SPT平均擊數為14.4擊，按英標為中密狀，選擇鉆孔NK11分別按照NCEER和中標進行液化評價，按美標計算結果為不液化，按中標為中等液化，通過反算得到美標的臨界擊數，均小于中標臨界擊數，驗證了中標計算結果偏于保守的結論，計算結果見表7和表8。

表7 NK11鉆孔美標液化評價結果

表8 NK11鉆孔中標液化評價結果

4 結語

1)在執行海外項目中，要熟練掌握國外標準體系相關條款，注意各種參數之間的差異及不同。明確采用的具體規范，各種參數不能生搬硬套。

2)土層分類原則相同，但參考的指標側重點不同，中外標準土的類別互有重疊。

3)中外標準在抗震設計原則、PGA的確定、區劃圖特征、反應譜、特征周期以及液化計算方面有一定差異。

4)在參數換算時，要注意基準地層和超越概率的確定。本文提出了參數選取流程，國內單位在執行海外項目過程中要改變思路，適應國外標準，需要認真研究相關文獻，積累工程數據，還要及時關注國外標準及當地區劃圖及抗震規范版本的變化情況，及時更新，建立動態的數據庫，做好中外對比，取長補短。

5)中標抗震規范逐步與國際標準接軌，某些條款具有優勢，在實踐中要合理推行中標。