中外場地分類研究現狀及其應用討論

王 競，王世元，宴金旭，馮 薪，趙 晶

（1.四川省地震局，四川成都 610041；2.四川交通職業技術學院，四川成都 611130）

引言

強烈地震產生的巨大能量使得地表變形以及建筑物破壞，進而引發次生災害，造成巨大的生命財產損失。場地是地震波傳播的介質，地震災害的實質就是場地對強烈地震動的響應所致。在工程地震學領域，場地條件主要包含地形地貌、巖土成分與性質、地質構造和水文地質等工程地質條件。不同的場地影響著地震波的放大或縮小，且場地條件和承災體決定著地震災害的大小和分布范圍。場地在經歷地殼運動后變的十分復雜，在縱橫向上表現出不均勻性，在力學上表現出不連續性和非線性，且場地類別和場地土體非線性特征直接顯著影響著地震動參數及建構筑物的損害程度［1－2］。從1906 年開始，Wood 在1906 年舊金山大地震震害調查的基礎上明確了場地條件對震害程度有影響［3］，到我國現行的2016 年出版的《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2010）［4］（以下簡稱《10 規范（2016 版）》）的頒布，場地的分類經歷了提出、修改和確定，目前國內采用以等效剪切波速和覆蓋土層厚度為指標的雙指標法進行分類。但是近年來，軟弱夾層、填土、凍土和深厚土層等復雜場地條件頻出，這些復雜場地對地震動的影響千差萬別［5－8］，場地分類無法體現特定場地的具體情況和特殊性［1］，因此場地分類所涉及的相關參數的選擇就顯得尤為重要。本文以我國抗震設計規范為主線探討與闡述了我國場地分類的發展進程，總結了國外場地分類的研究成果，結合工程實例比較并討論了各國場地分類方法的優缺點，指出了未來發展的方向。

1 我國場地分類方法發展歷程

1.1 場地分類在建筑抗震設計規范中的演變過程

中國的建筑抗震設計規范從誕生距今經歷了8 次修改，隨著規范的不斷改進，場地分類方法也逐漸完善。

1959 年，我國第一代建筑抗震規范草稿在中國科學院土木建筑研究所誕生（以下簡稱《59 規范》）［9］，規范中未給出相對較明確的場地分類方法，但是卻對場地烈度、抗震有利以及不利條件做了相關界定，并明確反應譜采用動力放大系數（β）來表示，這標志著中國對場地分類研究的開始。

1964 年，劉恢先教授團隊完成了第二代建筑抗震規范的編制（以下簡稱《64 規范》）［10］，給出了將場地類別劃分為4類的方案，參考指標是計算強度、單位質量、卓越周期和縱波波速，反應譜的表達形式沿用《59規范》中的規定，采用動力放大系數（β）。

1974年，《工業與民用建筑抗震設計規范》（TJ11－74）（以下簡稱《74規范》）［11］是我國第三代建筑抗震設計規范，也是第一部正式頒布的建筑抗震規范，規范中采用場地的巖土特性將場地劃分為3 類，改進了反應譜的形式采用地震影響系數（α）來表征。

1978 年，頒布了第四代《工業與民用建筑抗震設計規范》（TJ11－78）（以下簡稱《78 規范》）［12］，該規范是在《74 規范》的基礎上修改完善的，保持以宏觀描述為分類指標，地震影響系數（α）表示反應譜不變，對建筑物設計烈度和結構影響系數作了改進。《78規范》頒布以后，研究者對于場地分類相關方面展開研究，取得了一些進展。周錫元指出《78 規范》中場地分類若只憑一般巖性描述的絕對性，提出考慮土層厚度、土層剛度和分層結構將場地分為4類的劃分方法，并且建議采用連續化的劃分方法，有效解決了《78規范》分類方案在邊界附近的場地類別差一類，反應譜特征周期（Tg）也相應跳一檔的不合理性，同時還給出了只有表層地質資料時場地的粗略分類方法［13－14］。隨后，王廣軍等［15－17］通過建立場地類別的模糊關系來確定隸屬域的方法，解決了各場地類別間的不確定性和模糊性；提出剪切波速和覆蓋土層厚度作為場地分類的適宜指標進行分類，該方法對界限場地的劃分具有一定的參考價值，使得處于分界線的場地分類更準確。

1989 年，在之前的研究基礎上第五代《建筑抗震設計規范》（GB J11－89）［18］頒布（以下簡稱《89 規范》），給出了以覆蓋土層厚度（dov）和平均剪切波速（vsm）為指標將場地劃分為4類的詳細方案，計算深度為15 m，這是我國首次采用雙指標法進行分類，但是存在Ⅱ～Ⅳ類場地的跳躍區。對此，薄景山［19］修改了覆蓋土層厚度分界線以避免Ⅱ－Ⅳ類場地跳躍。

2001 年，頒布了第六代《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2001）（以下簡稱《01 規范》）［20］，該規范將場地分類指標之一的平均剪切波速改為等效剪切波速，計算深度為20 m。尚銀生等［21］亦研究認為同一計算深度下，大多數情況等效剪切波速vse小于平均剪切波速vsm，建議增加計算深度增加至20 m。2008 年第七代《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2001）（以下簡稱《01規范（2008版）》）完善出版，在場地分類方面未作修改。

2010年，我國頒布第八代《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2010）（以下簡稱《10規范》）［22］。2015年，王海云等［23］采用單孔數據在不做回歸分析的前提下，確定了以走時平均剪切波速為指標的分類方法，進一步提高場地分類的準確度，但該方法對于深度大于30 m的剪切波速度計算有較大誤差未得到廣泛應用。2016年出版了《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2016）（以下簡稱《10規范（2016版）》）［24］，其中關于場地方面規定不變。《10規范（2016版）》與《01規范（2008版）》相比將等效剪切波速上限增加至800 m/s，并增加了側重于顆粒大小以及地基承載力影響的各類巖土性狀描述，并將場地類別細化為5 類（包括一個亞類）。建筑抗震設計規范的演變過程見表1，我國現行《10規范（2016版）》場地類別劃分情況見表2。

表1 建筑抗震設計規范的演變過程Table 1 Evolution process of building seismic design code

表2 GB 50011－2010（2016版）場地類別劃分Table 2 Classification of sites in GB 50011－2010（2016 section）

1.2 我國場地分類研究焦點

縱觀場地分類在我國建筑抗震設計規范的發展歷程，諸多學者為了改進場地分類方案開展一系列研究，主要聚焦于采用強震動記錄進行分類、以場地基本周期為分類指標以及計算深度的合理選擇三個方面。

隨著我國強震臺網的逐步建設，利用強震記錄進行場地分類越來越受關注并得到了廣泛應用。相關研究表明：利用強震記錄進行場地分類的結果與實測鉆孔剪切波速的分類結果有較好的對應性，此外還可以彌補因鉆孔資料缺失而無法分類的問題，在一定程度節約了經費，是我國場地分類發展的重要方向之一。溫瑞智等［25－26］WEN 等［27］對此展開了大量的研究，2008年提出了采用反應譜峰值周期和其譜值進行分類，隨后利用H/V 譜比法對汶川主震、蘆山余震的強震動記錄以及K－NET 臺站數根據其譜形特性和卓越周期對場地類別進行了劃分，2015 年首次統計出了我國前三類場地的標準化譜比曲線，其譜比特征和差異進行了分析對比，提出了適合我國抗震規范的譜比法場地類別劃分經驗方法，強調了場地地震動特性和區域性影響效應［25－27］。

場地周期是反應場地條件的固有參數之一，也是最體現場地振動特性的指標，該參數與覆蓋土層厚度直接相關的，也與地表地震動的頻譜特性和強度關系密切。2001 年，竇立軍等［28］就給出了以最長共振周期為卓越周期進行分類的設想，但該方法是基于基巖地表以上全部土層的放大特性來考慮的，且標準依靠實測值。隨后，土層結構對場地的影響收到廣泛關注，諸多研究學者指出歷代場地分類方法均沒有考慮沉積土層排序也就是土層結構對場地的影響，而隨著軟夾層所在位置的變化會使場地類別發生變化，這顯然是不合理的［29－31］。為此，薄景山等［32］、齊文浩等［33－34］和王競等［35］開展了深入研究，采用逐層單自由度法推導得到了可反映土層結構影響的場地基本周期公式，在此基礎上進一步給出了采用周期等效剪切波速為分類指標的分類方法，有效的解決了這一問題。經研究，現有的場地周期估算方法除逐層單自由度法［36］，還有弱震法和HVSR 法［37－38］，但估算的準確性和應用性有待作進一步研究，為探索以場地周期進行類別分類提供了理論基礎。

場地特性劃分準確性的基礎是合理的分類指標選擇，而計算深度的選擇也是重要影響因數之一。目前，我國場地分類所選取的計算深度是取20 m和覆蓋土層厚度的較小者，即最深取到20 m。研究表明：建議增加等效剪切波速的計算深度。從科研發現：計算深度越深，越能反映場地特性，厚度的影響相對越小［39］，此外土層對反應譜形態的影響變小也是發生在30 m 以后［30－31］；另一方面，對于沿海地帶，沿海回填土層后，回填層下低俗層考慮不足，需綜合考慮軟弱層和地質條件差異等因素，增加計算深度。從基巖定義分析，我國定義的基巖是剪切波速大于500 m/s的硬土層，但是薄的夾砂層或孤石不能作為“基巖”對待，這在當時主要受到較低的鉆探水平的制約而采用的權宜辦法。郭峰等［40］認為vs20＞500 m/s嚴格意義上只能算作堅硬土或軟基巖［47］，建議參考美國或歐洲規范的取值，即為vs20＞760 m/s 或vs20＞800 m/s。從工程需求來看：如今中國是基建強國，越來越多的大跨度、超高層結構和地下空間場地條件對勘察深度提出更高要求，需要詳細了解地下土層特性，為了工程的安全性考慮，迫切需要考慮更深的鉆孔和增加土層反應的計算深度。從經濟發展來考慮，目前我國經濟水平和鉆探技術均已有大幅度的提升，鉆探和波速測試所需的成本支持也提高很多，為鉆探的深入提供了有力支持。綜合來看：可以考慮將剪切波速調高以便更準確的確定基巖面所在位置，或者增加計算深度至30 m更全面的對地下結構進行了解，更清楚的反應場地特性，也更便于與國際接軌。同時，對于未達到30 m 深度的剖面，戴志軍等［41］提出了基于條件獨立性—瞬時速度的vs30估計模型，郭峰等［40］提出的對應關系，喻畑等［42］利用延拓方法、地形地貌等6種方法對vs30經驗估計的研究，均對于30 m深度剪切波速估計提供方法，便于對于我們利用國外資源來彌補我國強震資料的匱乏。

2 國外場地分類的研究成果

2.1 國外主要場地分類方法發展歷程

國外規范在分類指標的選取上除日本以外大多以vs30為指標進行場地分類［43－44］，這一指標第一次是由Borcherdt、Glassmoyer和Borcherdt分別在1992年和1994年提出的。為進一步完善并改進場地分類方案，盡可能的提出一種方便、便宜、有效且精度高和可操作性強的分類標準，對分類方法及指標等因素的研究不斷地深入。

對于場地分類方法的確定。2001年，Yaghmaei等［45］在對記錄到的數據進行精確說明和可靠分析的基礎上構建了一種基于神經網絡的方法；2011 年CAPUA 等［46］研究了基于vs30的淺層地質圖，利用GIS/DEM 數據分類的方法；在ANBAZHAGAN 等［47－48］看來，NEHP 和IBC 規范中的場地分類在淺層土中不適用，而且該分類方法會低估場地反應譜縱值，最終建議采用到達基巖面的剪切波速/平均土層厚度進行分類；2012 年，CHUNG 等［49］考慮了NEHRP 對大區域使用的困難及對vs隨深度變化的忽略認為可直接采用30 m 處的剪切波速值進行分類；此外，PITILAKIS 等［50］和VERDUGO 等［51］的研究結果表明：較好的場地分類方法應單列需專門進行研究的特殊土場地的場地類別，確定出特殊土場地的范圍。

針對于分類指標的選擇，BOORE 等［52－53］分析比較了三種估計vs30的淺層波速模型，并驗證了vs30作為場地效應的代表性，指出來這一參數作為分類指標的合理性；而考慮了vs30對淺層地區分類的不合理及單一指標的不完全性，2001年ADRIAN 等［54］提出了主要指標和次要指標的分類方法，主要指標為沉積物類型、基巖深度或表層土沉積物與760 m/s的物質有顯著波阻抗比的深度，次要指標為沉積物年代和土類型，該方法顯著減小了標準差，但所考慮的因素較多；除等效剪切波速以外，諸多研究表明場地周期亦是表征場地土性質的一個較好參數，ZHAO［55］采用卓越周期進行場地分類起到了更好的效果；ZHAO等［56］將場地周期Ts及vs30的

預測能力進行了比較分析，發現兩者有相似的標準差；但Ts的放大率表現的更好［57］，結果與DONG 等［58］和ZHU等［59］認為場地周期是最有用、作為場地分類最佳的的一個單一參數的說法一致。

2.2 國外場地分類現狀

2000年，美國國際規范協會ICC（International Code Council）出版發行了美國規范IBC（International Building Code），場地類別劃分標準為2009 版的IBC 規范（以下簡稱“IBC2009”），場地類別劃分情況見表3［60］。該規范采用等效剪切波速、平均標準貫入系數和平均不排水剪切強度三個指標，將場地分為6類。其計算深度為30 m，基巖波速取760 m/s。

表3 IBC2009場地類別劃分Table 3 Classification of sites in IBC2009

歐共體委員會為了完善歐洲各國抗震規范出現的不一致問題，建議制定統一的抗震規范，簡稱“歐洲規范EC”。2004 年，歐共體委員會相關部門頒布了歐洲國家現行的抗震設計規范Eurocode8（以下簡稱“EC8”），場地類別劃分見表4［61］。該規范的劃分指標為30m 深度的等效剪切波速vs30、標準貫入擊數NSPT以及土的不排水剪切強度Cu。規范將場地劃分為7 類，5 個基本分類（與我國分類相對應），加上S1和S2兩個關于高塑性粘土和可液化土、敏感土的分類［62］。

表4 EC8場地類別劃分Table 4 Classification of sites in EC8

日本的建筑抗震規范被譽為是世界最先進的規范［40］，1981 年發行的BSL（Building Standard Law）建筑基準法（以下簡稱“BSL1981”）是使用較多的，與現行的BSL2000 在場地分類這一部分并無較大區別，因此將BSL1981 場地分類情況列于表5 中［62］。該規范將場地分為3 類，場地分類的唯一指標是特征周期，涉及的計算深度是30 m。因是一種宏觀劃分，故分類較簡單，但是考慮了土的性狀和回填土的影響。

表5 BSL1981場地類別劃分Table 5 Classification of sites in BSL1981

3 國內外場地分類對比

3.1 規范中的場地分對比

迄今為止，眾多學者對場地分類的相關研究做出了貢獻，YU等［63］、EDOARDO等［64］、黃雅虹等［65］、薄俊晶等［66］和李慧等［62］對不同時期中、美、歐和日建筑抗震規范中有場地劃分的規定作了不同程度介紹和對比。本文系統梳理出中國、美國、歐洲和日本各國對場地分類的規定相關參數，并在一定程度上作對比分析，見表6。通過對比分析發現，各國抗震規范的差異主要在于分類指標、分類類別數量、計算深度等的不同，美國、歐洲、日本的計算深度均采用30 m，比我國更深，但是我國考慮了覆蓋土層厚度的影響。2015年，李敏［67］亦指出考慮覆蓋土層厚度的分類方法顯示了一定的優勢性，然而對于計算深度的選取有待進一步的研究。整體上中國、美國和歐洲規范的分類方法基本一致，日本有所不同，但最終分類結果相似。

表6 中、美、歐和日場地分類對比Table 6 Compare of Classification of sites in China、USA、UE、Japan

3.2 工程實例應用對比

利用各國場地分類方法對實際工程場地進行類別劃分，進一步分析不同分類方法的差異性。在眾多的地震安全性評價工作和中國地震試驗場建設過程中發現四川西昌地區場地類別豐富，各類場地齊備，因此本文在選取分類模型時均選取該地區的場地，具體分類情況見表7。

表7 中、美、歐和日實際工程場地分類對比Table 7 Compare of classification of engineeringsites in China、USA、UE、Japan

綜上所述，通過對國內外主要國家的抗震設計相關規范對場地分類有關情況進行了實例應用和對比分析，產生了幾點思考：

（1）各國場地類別的對應關系。通過對實際工程場地進行分類可大致得到不同國家場地類別的對應關系，中國Ⅰ0類場地相當于美國A 類、歐洲A 類和日本1 類場地；中國Ⅰ1類場地相當于美國B 類、歐洲A 類和日本1 類場地；中國Ⅱ類場地相當于美國C 或D 類、歐洲B 或C 類和日本1 或2 類場地；中國Ⅲ類場地相當于美國D 類場地、歐洲C類場地和日本2類場地。可以看出：波速在分檔附近時由于各國所選的的剪切波速分檔值不同而造成類別劃分的不完全對應。

（2）各國場地分類的優越性。中國雙指標場地分類，同時考慮了等效剪切波速和覆蓋土層厚度的影響，這不僅把土的深度和硬度的影響考慮在內，而且避免了使用單一指標可能造成的誤差，經濟實用，還具有可操作性。美國、歐洲和日本計算深度的選取，均取30 m 深度進行計算，能較好地表現地下土層的特性，滿足現今的工程需求，單對淺層地區存在的不適用性，其鉆孔深度也許達不到30 m；此外三個國家在進行場地分類時，均考慮了特殊土的類別，如美國F 類場地的高塑性土等特征土層、歐洲E 類、S 類場地的沖積層及特殊粘土、日本3類場地的回填土，對實際工程場地的軟弱性進行了考慮。

（3）中國場地分類的改進建議。中國分類指標不能反映土層結構的影響，建議可采用場地周期作為分類指標，該參數比剪切波速對場地的放大預測更準確，且能夠較為清晰的反映土層層序對場地效應的影響，可以作為分類的一個重要參數；建議增加計算深度的選取，進一步與國際接軌統一，綜合考慮深層土特性、工程需求、經濟發展和防災減災需求等因素；建議在類別的劃分上單列出需要考慮的特殊土類，在可操作的范圍內進行一定程度的細分。

4 結語

場地分類能明確地區分不同場地的放大效應，從而確定設計反應譜以滿足抗震的需求，有效地減輕震害。本文研究了國內外主要國家關于場地分類的進展，對美國、日本、歐洲以及我國各抗震規范進行了分析比較，其分類指標的選取應多參考各國場地實際情況及國情。現行建筑抗震設計規范中關于場地的分類可圈可點，隨后針對這一領域的研究方向將會更多的聚焦于改善現有分類指標不能反映土層結構的問題，如采用場地周期為指標進行分類；利用強震動進行場地分類；探討對vs20與vs30適宜性等一系列問題。研究表明：場地的基本周期作為一種更為合理的分類指標，其精確性計算需要開展更多大量的研究，通過一般工程場地進行計算結果的準確性和分類結果的合理性檢驗。因此，解決現行分類方法的不足，提出一種經濟和準確具有可操作性的新分類方法，將會在一定程度上推動工程地震的研究。