場地分類研究現狀及有關問題的討論

薄景山，李 琪，孫強強，彭 達，李孝波

(1.中國地震局工程力學研究所，中國地震局地震工程工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.防災科技學院，中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201； 3.格勒諾布爾-阿爾卑斯大學3SR實驗室，法國 格勒諾布爾 38400；4.辛辛那提大學，土木與建筑工程管理系，俄亥俄州 辛辛那提市45221)

場地分類是工程抗震研究的重要內容，學術界和工程界普遍認同場地條件對地震動的影響，不同的場地對地震動的影響存在一定的差別，場地分類的本質就是反映這種差別。在震害調查和場地強震信息統計分析的基礎上，規定不同場地的設計地震動參數是各國抗震設計規范的通行做法[1]。工程場地是由巖土組成的復雜地質體，場地分類是從抗震的角度出發，依據場地的動力特性，選取能夠反映巖土動力性質的主要指標對這一復雜地質體的一種簡單的分類，以反映不同場地抗震性能的差異。大量震害資料的積累和強震觀測技術的發展極大地推動了場地分類的研究工作，并取得了豐富的研究成果。盡量客觀合理的反映場地地震動的差異和簡單易行是場地分類的根本遵循，分類指標的選取和不同場地的設計地震動參數的規定是場地分類研究的核心內容。本文在現有資料的基礎上，回顧和總結了場地分類研究的歷史和現狀，對比分析了各國抗震規范中場地分類的差別，討論和評述了存在的問題和今后研究的方向，重點討論了我國抗震規范中存在的問題和解決這些問題的思路。本文的工作對從事場地分類研究的科技人員有一定的參考價值。

1 國外場地分類研究

20世紀初，全球發生了若干次8級左右的破壞性地震，造成了重大人員傷亡和經濟損失，推動了地震工程學的發展。震害調查資料使人們認識到了場地條件對震害的影響，通常，軟場地的震害重于硬場地的震害；覆蓋土層厚的場地震害重于覆蓋土層薄的場地震害；復雜場地的震害重于簡單場地的震害。這些現象提醒人們在抗震設計中，有必要考慮場地對地震動的影響，以及如何根據場地條件調整抗震設計參數。場地條件對地震動影響的理論研究是場地分類的基礎；提取哪些指標來衡量巖土體的地震反應特性是場地分類的關鍵；科學的分類方案是場地分類工程應用的前提。國外場地分類的研究及其工程應用主要圍繞上述3個方面展開。場地條件對地震動和震害影響的系統研究始于美國學者Wood對1906年舊金山特大地震的震害調查[2]，他提出了震害的差別與場地條件相關的重要結論。嗣后，場地條件對震害的影響已成為歷次破壞性地震現場科學考察的重要內容。震害資料的積累使得人們的認識不斷深入，地形地貌，巖土體的性質、結構和成因，地質構造和地下水的埋藏條件等都對地震動產生重要的影響，而且對不同的結構產生選擇性的震害，已有大量的文獻對這方面的研究進行了總結[3-5]。強震觀測技術的發展和數據的積累為局部場地影響研究提供了技術支持，極大地推動了這一領域的研究工作。20世紀70年代Hayashi和Seed對不同場地地震反應譜的研究工作為場地類別的劃分提供了重要的啟示[6-7]。

場地分類指標和分類方案的研究成果主要體現在抗震設計規范中，本文收集了世界上30多個國家的抗震設計規范，表1-9列出了國外有代表性的美國、歐洲、日本、土耳其、智利、尼泊爾、伊朗、韓國、澳大利亞和新西蘭等國家和地區的抗震設計規范關于場地類別的規定[8-16]。綜合有關文獻[17-18]可追溯場地分類的研究歷史，1935年，美國統一建筑規范(Uniform Building Code)把地基分為硬地基和軟地基兩類并以此來調整地震動系數，這是在抗震規范中最早出現的場地分類方案。早期的場地分類以宏觀描述為主，逐步發展到目前以定量指標對場地進行分類。場地類別對設計地震動參數的影響也從調整地震系數發展到調整場地設計反應譜的參數和形狀。

表1 美國場地分類方案Table 1 US site classification scheme

續表

表2 歐洲Eurocode 8場地分類方案Table 2 Eurocode 8 site classification scheme in Europe

表3 日本場地分類方案Table 3 Site classification scheme in Japan

表4 土耳其場地分類方案Table 4 Site classification scheme in Turkey

續表

附表 土耳其場地分類方案

表5 智利場地分類方案Table 5 Site classification scheme in Chile

表6 尼泊爾場地分類方案Table 6 Site classification scheme of Nepal

表7 伊朗場地分類方案Table 7 Site classification scheme of Iran

表8 韓國場地分類方案Table 8 Site classification scheme of South Korea

表9 澳大利亞、新西蘭場地分類方案Table 9 Site classification scheme of Australia and New Zealand

附表 C類場地最大土層深度

續表

2 中國場地分類研究

中國學者翁文灝等在考察1920年海原特大地震時已經注意到了黃土厚度、地形和地質構造等場地條件對震害的影響[19]，這是中國在場地條件對震害影響的最早調查研究成果。在以后的若干次破壞性地震，特別是在新中國成立以后發生的邢臺地震、唐山地震、海城地震、通海地震以及汶川地震的震害調查中都專門開展了局部場地影響的調查研究工作，取得了豐富的研究成果，為場地分類奠定了堅實的基礎。中國學術界在局部場地條件影響方面的基本共識可表述為,軟弱場地的震害重于堅硬場地的震害，復雜的高突地形較簡單平緩地形的震害重；發震斷層附近的震害重于遠離斷層的震害。中國的抗震設計規范是通過場地地段的選擇和場地分類來體現局部場地影響的研究成果。中國的第一部建筑抗震設計規范完成于1957年，到目前已完成了7部9個版本的抗震設計規范的編制[20-28]。中國的場地分類方案出現在由中國科學院工程力學研究所(現為中國地震局工程力學研究所)主持編寫的《地震區建筑設計規范(草案稿)》中，分類方案列于表10。在此后各版本的抗震設計規范均有場地分類的內容。中國場地分類在建筑抗震設計規范中的演化過程列于表11，目前執行的建筑設計抗震規范采用雙指標進行場地分類，分類方案列于表12。

表10 1964年《地震區建筑設計規范(草案稿)》場地分類Table 10 Site classification in 1964 code for design of buildings in seismic area (Draft)

表11 中國建筑抗震設計規范場地分類演化過程列表Table 11 Evolutionary process of site classification for China Building Seismic Design Code

表12 GB50011-2010《建筑抗震設計規范》(2016版)場地分類Table 12 Site classification of GB50011-2010 Code for Seismic Design of Buildings(2016)

3 場地分類指標

目前，世界各國在抗震規范中提出的場地分類指標主要有巖土性質、巖土的剪切波速和平均剪切波速、覆蓋層厚度、地基承載力、標準貫入擊數、不排水剪切強度、單位容重、相對密度、反應譜的峰值周期、地脈動卓越周期等，一般選取其中的2～3種指標用于場地分類。通常，場地分類指標應盡可能正確反映場地的動力效應和抗震性能；同時，還應考慮在工程上使用簡便、經濟和易求的特點。因此，如何合理確定分類指標是場地分類的關鍵問題之一。

從表1-表12可以看出，各國抗震規范普遍采用剪切波速作為場地分類的指標之一。剪切波速的大小體現了場地的軟硬程度或密實度，可以較好地反映場地的動力特性，廣泛應用于場地分類、地震安全性評價、砂土液化、卓越周期計算等方面。等效剪切波速是根據走時等效原則進行計算得到的一定深度巖土層的加權平均剪切波速，反映的是各土層的平均剛度。國內外采用的等效剪切波速指標除計算深度的差異外，并無不同。1992年，Borcherdt 和Glassmoyer[29]首次提出采用30m以內的土層等效剪切波速(Vs30)作為場地分類指標，并通過分析對比3種Vs30估算模型論證了其代表場地效應的可行性。1997年，該方法被美國抗震規范(NEHRP)采納，Vs30逐漸成為國際上普遍采用的場地分類主要指標。但Vs30對于計算深度的值是固定的，忽視了覆蓋層厚度與土層結構對地震動參數的影響。Di Giacomo等[31]對淺層土進行了反演實驗，結果認為Vs30可能會對場地類別造成一定程度的誤導。Park和Hashash[32]以密西西比河河口為例，研究了深厚土層中的問題，發現Vs30在短周期內過于保守，而在長周期內則相反，并不適用于深厚土層。Pitilakis等[33]認為單一指標難以反映場地土層的變化，建議采取平均剪切波速、覆蓋層厚度以及場地周期多指標共同確定場地類別，但其給出的場地分類方案過細，并不適用于工程應用，有待改進。陳卓識、袁曉明等[34]揭示了土層剪切波速不確定性對場地剛性判斷的影響,進而分析了我國場地分類可能潛在誤判的區域。王琦等[35]發現剪切波速與埋深存在明顯的相關性，給出了場地類別考慮與否情況下常見土類剪切波速與埋深的經驗關系。人們發現僅僅根據等效剪切波速對場地進行分類顯然存在不足，因此又通過其它指標輔助來進行分類。

我國是國際上少數采取覆蓋層厚度作為場地分類指標的國家。1984年，周錫元等[36]首次提出采用覆蓋層厚度作為分類指標用于我國建筑抗震設計中場地類別劃分。覆蓋層厚度不僅能影響地震動的幅值，還能反映地震動的頻譜特性，諸多學者從不同角度論證了覆蓋土層厚度作為場地分類指標的適用性和合理性。郭俊平[37]通過列舉宏觀震害現象指出不同場地的震害程度與場地土的覆蓋層厚和結構組成有密切關系，李敏[38]通過分析同一地震動下覆蓋層厚度與場地地震動參數變化規律，指出我國使用覆蓋層厚度作為分類指標的優勢。竇立軍等[39]提出了場地分類的一個新的指標—場地卓越周期，即利用場地的最低共振頻率進行分類，認為場地應從基巖處開始考慮地震波的放大特性，而不僅僅只考慮20m～30m的計算深度。

在其他國家的場地分類中，常見的指標還有標貫擊數和不排水抗剪強度等。標貫擊數的大小反映了土的密實程度，在我國主要應用于飽和砂土的液化判別。有學者在基于臺灣集集地震對場地分類合理性研究時發現，利用標貫擊數進行分類的準確性較高，特征周期和剪切波速方法次之。黃雅虹等[40]、張鳳濤等[41]在對國內外抗震設計規范進行對比時，均建議可以適當考慮標貫擊數、不排水抗剪強度等原位測試和試驗指標用以對我國規范場地分類方案進行改進。邱志剛等[42]提出了剪切波速與標貫擊數之間的回歸關系，并提出應適當細分土類。

土層結構對地震動的影響受到研究者的普遍關注[42-49]。齊文浩和薄景山等[50-53]對此專門進行研究，提出將場地基本周期作為場地分類指標，對現行規范場地分類方法進行改進。所謂的場地基本周期，是指基于剪切波速和覆蓋層厚度已有指標的基礎上，利用逐層單自由度法求得的場地周期，與現行求解場地周期的子層周期求和法相比更能體現土層結構的變化，更能反映場地的振動特性。王競等[54-55]利用基本周期推導出的周期等效剪切波速代替等效剪切波速對現行場地分類方法進行改進，給出了考慮土層結構影響的場地分類方案，該方法還未在實際應用中1得到推廣，但對于場地分類方法的改進上有一定的啟示。

4 場地分類方案對比

本文對世界上9個國家和歐洲現行的抗震設計規范，從場地分類數、選用的分類指標、計算深度、確定基巖最低波速或周期值、場地地震動參數的表述方法和對特殊土有無規定等6個方面對場地分類方案進行分析對比，結果列于表13。

表13 各國場地分類對比列表Table 13 Comparison of site classification in different countries

分析表13可見：

(1)場地分類數有一定差異。分類數目在3-7類不等,歐美國家對于場地分類更加細致，日本、尼泊爾分類較為粗略，中國、土耳其、智利、新西蘭、韓國相對適中。

(2)從分類指標來看，中國、土耳其、智利、新西蘭、韓國、美國、歐洲、伊朗均使用剪切波速作為場地分類的主要指標，日本與其他國家區別較大，主要使用場地周期進行分類。此外，歐洲、美國、韓國、土耳其、智利、新西蘭、尼泊爾選用標貫擊數用以輔助分類，土層厚度、不排水抗剪強度、密度以及周期也被多數國家所選用，少數國家還利用無側限抗壓強度、單軸抗壓強度作為輔助指標，以增加分類的準確性。大多數國家選取多個指標用于場地分類，少數國家，如日本、伊朗僅通過一個指標進行場地分類，我國選取剪切波速和覆蓋層厚度兩個指標，相對較少，可以考慮適當增加分類指標使得場地分類更加合理。

(3)在計算深度上，由于分類指標的差異，智利、尼泊爾未規定計算深度，中國選取覆蓋層厚度和20m的較小值，歐洲、美國、土耳其等其他國家均規定計算深度為30m。不難發現，國外選取的計算深度普遍高于我國，一般認為，計算深度的加大能反映更多的土層信息。薄景山等[56]也通過研究證實上覆30m的土層對地震動峰值和特征周期影響顯著，大于30m的土層的影響明顯減弱。因此，大量學者認為增加計算深度是合理的，并對Vs30的外推公式進行了研究[57-62]，以解決現有資料不足的影響，便與國際接軌。

(4)關于確定基巖最低波速值和卓越周期值。土耳其將剪切波速大于1 000 m/s的巖土體定為基巖，歐美、韓國、智利、伊朗選取剪切波速大于750m/s以上為基巖面，新西蘭規定剪切波速大于600m/s的巖土體視為基巖，均比我國選取的500m/s界限值更安全，但經濟成本也更高。日本、尼泊爾通過場地卓越周期的大小確定基巖面，日本規定卓越周期小于0.4s的場地為基巖，尼泊爾則認為卓越周期小于0.2s的場地可視為基巖。郭鋒等[63]認為剪切波速大于500m/s只能認為是軟基巖或堅硬土，應提高基巖面剪切波速的界限值。

(5)地震動參數的表述方法方面。中國、土耳其、智利、新西蘭、韓國、美國、歐洲、日本、尼泊爾、伊朗均通過反應譜的形式表述地震動參數。其中，土耳其、韓國、美國、日本采用加速度反應譜，中國、智利、歐洲、尼泊爾采用地震影響系數反應譜，伊朗采用動力放大系數反應譜，新西蘭采用反應譜譜形函數。必須強調無論采取哪種形式的反應譜進行表達，各國均根據不同類別場地對反應譜形狀進行調整。

(6)對于特殊土的規定。在對場地分類時，新西蘭、美國、歐洲、尼泊爾均對特殊土進行了特殊的規定，歐美國家主要針對可液化土和敏感性粘土進行特殊規定，新西蘭和尼泊爾主要針對黏性土和無黏性土進行區分。特殊土較一般性土有其單獨的特性，針對特殊土進行特殊規定顯然更為合理。

(7)圖1是場地主要分類指標在不同國家的抗震設計規范中出現的頻度圖。從圖中可見，在參與統計的10部規范中，剪切波速出現的最多，單軸抗壓強度出現的最少。土的剪切波速、標貫擊數、覆蓋層厚度和不排水抗剪強度是各國抗震規范常用的指標。

圖1 主要分類指標在參與統計的不同國家抗震規范中出現的頻度圖Fig.1 Frequency chart of main classification indexes in seismic codes of different countries

5 問題與討論

場地分類的科學性主要體現在能夠合理的反映出不同場地的地震動特性。場地是地質歷史的產物，長期的歷史演化過程和特殊的成分結構使其表現出特殊的動力學特性，由于巖土材料的復雜性，也使得基于巖土動力學差異的場地分類遇到了一定的困難。盡管百余年的不斷探索取得了長足進步，但在這一研究領域尚有若干問題需要繼續開展研究工作。

(1)建立場地條件試驗場。不同場地設計地震動參數規定的合理性是場地分類研究的終極目標。強震記錄是檢驗這一合理性的唯一標準。現有的強震記錄大多建立在Ⅰ、Ⅱ類場地上，Ⅲ、Ⅳ類場地特別是Ⅲ類場地強震記錄缺乏。因此，為深入開展這一領域的研究工作有必要在強震多發區建立場地條件試驗場，積累不同場地的強震記錄并以此來檢驗現行分類方法及設計地震動參數規定的合理性。

(2)開展土層結構影響的試驗研究。土層結構是指不同土層在場地中的排列順序，土層結構特別是存在軟弱層的土層結構對地震動有著顯著的影響，現有的強震資料不足以滿足研究工作的需要，試驗研究是分析這一問題的重要途徑。因此，建議開展土層結構影響的振動臺試驗研究。盡管開展這一試驗在很多方面存在一定的困難，但其研究成果對推動場地分類研究有著重要的研究意義。

(3)探索新的分類指標和分類方法。從抗震的角度看，場地分類實質上是場地巖土動力特性的分類和抗震能力的劃分，分類指標的選取和分類方法是場地分類的關鍵科學問題。場地地脈動卓越周期、土層卓越周期和地震動卓越周期等都可以反映土層不同存在狀態的動力特性。我國現行抗震設計規范中場地分類的雙指標法，體現了土層的卓越周期，適用于波速遞增型場地，不能合理的反映土層結構的影響，考慮到巖土組成和動力反應的復雜性，建議嘗試以土層基本周期[51-55]為指標，以土層結構、土的抗剪強度和密度為參考指標的場地類別劃分方法。

(4)建立全國分區域的場地分類方案。中國地域遼闊，地質條件復雜，統一的場地分類方案很難反映出不同地區場地的差異，因此，建議在全國工程地質條件分區的基礎上建立場地分類方案，給出全國不同分區的場地分類方法，并針對濕陷性黃土、淤泥土、紅土等特殊土開展動力學特性和場地分類研究。

(5)對現行分類方法的合理性進行檢驗。在近年來發生的汶川地震、玉樹地震、漳縣岷縣地震、蘆山地震和九寨溝地震中，我國強震臺網在具有場地勘察資料的臺站獲得了大批有科學意義的強震記錄。可以利用這些記錄檢驗我國場地分類的合理，分析存在的問題，提出解決問題的辦法。

(6)開展場地分類的基礎研究。場地條件對地震動的影響是場地分類的基礎，這一領域的若干問題尚需深入研究。例如，軟弱表層的影響問題、土層結構的影響問題、特殊土動力特性的影響問題、發震斷層的影響問題等。除此之外，分類指標的計算深度問題、連續性變化的問題、分類界限的確定問題以及不同場地地震動參數的合理規定問題都需要開展深入的研究工作。

6 結語

場地分類是抗震設計的基礎工作，不同場地抗震設計參數規定的合理性在一定的程度上決定著結構的地震安全性。從國內外研究的現狀來看，選用什么樣的指標來反應場地的動力學特性以及這些指標獲取的難易程度一直是這一領域研究的熱點問題。場地土層的卓越周期是反映場地振動特性的重要指標，它可以通過土層的密度、厚度和剪切波速等資料通過理論計算給出，而土層密度、厚度和剪切波速在場地勘查中不難得到。場地的卓越周期可由土層的卓越周期獲得。因此，基于場地振動周期進行場地分類是當前這一領域的明顯趨勢。強震觀測資料是檢驗場地分類和地震動參數規定合理性的唯一標準，由于地震為小概率事件，試驗研究的積累和室內土層地震反應振動臺試驗對推動場地分類研究具有重要的科學意義。本文提出的研究建議對推動場地分類研究具有重要的參考價值。