建筑抗震场地类别划分的分析应用(温州.周海平)

1建筑抗震场地类别划分的分析应用温州天然工程勘察有限公司周海平摘要：本文通过分析场地类别、土层的剪切波速、等效剪切波速、覆盖层厚度等因素对地震波在松散介质中传播的主要影响特性，在复杂岩土工程条件下，以具有“相似反应谱特征”为工程场地单元的原则，对建筑场地地面地震动力反应的影响因素进行探讨，划分建筑场地类别时加以分析研究，结合一些典型案例，说明土层的剪切波速、等效剪切波速、覆盖层厚度等指标的取值方法及其要考虑的一些岩土工程条件，使建筑场地类别的划分结果更接近实际情况，对准确划分建筑抗震场地类别具有一定的借鉴和指导作用。关键词：场地类别剪切波速等效剪切波速覆盖层厚度分析应用1、前言地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一，我国地震基本烈度≥6度的地区面积约占60％；在抗震设防烈度等于或大于6度地区进行岩土工程勘察时，划分场地类别，是岩土工程勘察的一项必须完成的任务；岩土工程师划分场地类别的依据是建筑抗震设计规范，由于岩土工程地质条件的复杂性，在实际应用建筑抗震设计规范划分场地类别时，工程技术人员对规范的理解差异，在某些特殊的岩土工程地质条件下，不同的岩土工程师对相同的建筑场地确定建筑场地类别时，有差异或争议，如有些工程规模较大，岩土层结构复杂，基岩面起伏较大，勘察时，仅凭少数钻孔的波速测试资料，简单套用规范条文评定场地类别，轻易下不准确或错误的结论，对建筑工程造成浪费或存在抗震安全隐患，尤其高层建筑影响更加明显。2、基本理论2.1场地类别建筑抗震规范规定指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征；其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km2的平面面积。显然，场地是一个宏观的量，划分场地类别主要考虑地层结构和岩土特性在宏2观上的量及变化趋势，对一些细节变化予以忽略，岩土工程勘察工作应针对“具有相似的反应谱特征”的本质意义，除对建筑地基进行研究外，尚要了解地基外围岩土层结构变化情况，估计所划分的场地类别大致范围，才能避免一点（孔）之见，保证场地类别划分的准确性。场地类别的划分目的是考虑场地条件对设计反应谱的影响，合理采取抗震设计参数和抗震构造措施；影响设计反应谱的场地地质因素极其复杂，根据国内外震害研究和理论分析结果，建筑场地在地震作用下的动力反应，主要考虑松散介质的动力放大作用和滤波特性，影响因素主要是松散层覆盖厚度和表层土刚度。2.2土层的等效剪切波速土层剪切波速是土的重要动力参数，表示土质刚度的物理量，对地震反应谱有着重要影响；建筑抗震规范规定，土层的等效剪切波速（vse）为场地评定计算深度（d0）与剪切波在地表与计算深度之间传播的时间（t）的比值，即vse=d0/tt=(di/vsi)式中：vse——土层等效剪切波速(m/s)；d0——计算深度(m)；t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间(s)；di——计算深度范围内第i层土的厚度(m)；vsi——计算深度范围内第i层土的剪切波速(m/s)；n——计算深度范围内土层的分层数。从等效剪切波速的计算公式可以看出，评定表层土的刚度是将计算深度内的土层等效于均质体，而忽略其内部的各土层刚度变化。2.3覆盖层厚度覆盖层厚度用以描述地震波输入松散层的基准面，从基岩传来的各种谐波分量在覆盖层中有不同的滤波和放大作用，对地面反应谱特征具3有重要影响，从理论上讲，当土层的下层剪切波速比上层大得多时，下层土顶面可以认为是输入基准面，该基准面至地面的距离为覆盖层厚度。3划分场地类别的影响因素分析3.1土层剪切波速的取值：土层剪切波速是划分场地类别的主要依据之一，正确确定土层的剪切波速是合理划分场地类别的前提；勘察时，将不同时代成因、工程特性的岩土层进行分层，各分层的刚度以剪切波速表示，我们将各土层等效于均质体，不考虑其各向异性变化，以剪切波的传播时间和距离确定波速，计算方法如下：vs=d/tt＝(di/vsi)式中：vs——土层剪切波速(m/s)；d——土层厚度(m)；t——剪切波在该土层中的传播时间(s)；di——测试点所代表的厚度(m)；vsi——测试点的剪切波速(m/s)，个别异常点应剔除；n——土层中的测试点数。3.2土层等效剪切波速计算的修正：输入上部结构的地震作用是地面运动，其计算上界面应以室外地面算起，下界面取覆盖层厚度和20m两者的较小值，与勘察时计算等效剪切波速所取的界面常有些出入，如一些新区建设，面积较大，室外设计地面标高常比原地面要高，而勘察时未进行填方，故在计算等效剪切波速时应考虑场地填挖情况对其影响，填方时，应包括填方厚度确定计算深度（d0），填方部分土层剪切波速（vsi）应参与等效剪切波速（vse）的计算。在平面上的边界（或规模）规范未作出明确规定，从地震作用影响的实质分析，应比建筑地基范围大得多，深基础、小规模的地基处理或局部土质强度变化不予考虑，但对于大面积的地基处理，如大面积的4预压加固地基处理、大规模的挖填方，大范围改变场地表层土刚度，对地震反应谱将有一定影响，因此vse值应为建设后实际的土质刚度反映，对其进行适当修正。在同一场地上各处vse值较为离散时，宜划分单元采用统计意义上取值。3.3覆盖层厚度的确定在岩土工程勘察实践中发现，岩土层结构和强度变化较为复杂，如何确定覆盖层厚度很困难，各种规范对覆盖层厚度的取值规定有些差异，也有些勉强；建筑抗震设计规范规定，建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：1一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。2当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。3剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。4土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖层中扣除。以上几款规定的基本思路可以理解为：①场地土层剪切波速随深度呈递增趋势；②将剪切波速大于500m/s的硬土层定义为基岩，做为输入基准界面；③相邻土层剪切波速差异大于2.5倍视为土层刚度突变，做为边界条件；④松散层中孤立的硬夹层予以忽略；⑤与基岩相连的硬夹层（如坚硬的侵入岩岩脉）做为输入边界考虑，计算覆盖层厚度时扣除硬夹层的厚度。对于覆盖层中间较厚的层状硬土，如密实的卵石层（vs≥500m/s），可以认为对地震波的传播影响较小，若厚度较大，分布范围较大，明显影响地面的动力反应，计算覆盖层厚度时应将其扣除。建筑抗震设计规范将覆盖层厚度划分为7个档次，即0m、3m、5m、15m、50m、80m、80m，其上界面按建筑室外地面算起，要考虑建设5期的填方或挖方地面高程变化影响；下界面根据基岩面起伏特征分区考虑，对于局部的一些小规模突变，对地震波的传播影响较小，可以忽略不计。4工程案例4.1案例一某工程为2幢高层建筑，建筑面积约5.5万m2，30层，框架－筒体结构体系，嵌岩灌注桩基础，位于滨海平原残丘坡脚附近，岩土层分布情况如图1。建筑物覆盖层土质vse（m/s)覆盖层厚度场地类别A幢中硬土3006.6IIB幢软弱土12032.0IIIA、B平均考虑中软土21019.3II从震害调查和理论分析，靠近平原残丘边缘，地表动力反应逐渐减弱，B幢结构地震输入明显比A幢要大，虽然本建筑场地面积较小，若100(m)高程-5-10-15-25-20-30图15A幢Vs=650m/sVs=330m/sVs=260m/sVs=150m/s中风化流纹岩强风化流纹岩全风化流纹岩粉质粘土Vs=95m/sVs=135m/sB幢淤泥杂填土施工后填土6笼统地按II类场地考虑（将B幢也按II类场）显然不合理，划分两个场地单元按不同类别考虑比较切合实际。4.2案例二某工程为1幢高层住宅楼，建筑面积约2.6万m2，25层，框架剪力墙结构体系，嵌岩灌注桩基础，位于滨海淤积平原内，岩土层分布情况如图2。该场地邻近约1.5km2范围内基岩面埋深均在60～70m，场地类别为III类，勘察时发现在该建筑物地基下部为侵入岩体风化凹坑，面积约为28×35m，中风化基岩面平均埋深为85m，波速测试计算等效剪切波速vse＝112m/s，若以建筑物范围内计算覆盖层厚度为85m判断，则场地类别为IV类；后经扩大勘察范围，收集邻近场地地质资料分析，查清了中风化基岩面的变化趋势，确认大范围内中风化基岩面埋深为60～70m，拟建场地仅为一局部凹坑，规模较小，对长周期波的影响不显著，而覆盖层厚度较大，对地表反应谱影响已极其微弱，故场地类别仍判为III类，降低了建筑工程造价。4.3案例三Vs=320m/sVs=750m/s粘性土杂填土-60-70-80-90-10010-30-40-20-10-50020(m)高程图2淤泥Vs=220m/sVs=105m/sVs=150m/s全风化基岩中风化基岩岩7某高层住宅楼，建筑面积约2.86万m2，30层，框架剪力墙结构体系，嵌岩灌注桩基础，位于滨海淤积平原，建筑地基内为一塘河小湾回填，面积约25×30m，成分为碎石混少量砂性土，呈饱和，中密，低压缩性，填土时间20余年，剪切波速vs＝170m/s，填土以下为淤泥，流塑，高压缩性，剪切波速vs＝102m/s；岩土层分布情况如图3。该工程若以地基内钻探资料计算，vse＝170m/s，属中软土，覆盖层厚度44.5m，按建筑抗震设计规范4.1.6条判定，建筑场地类别为II类；事实上，该地基周边填土厚度很薄，vse140m/s，地基内塘河回填的素填土类似于局部的地基处理，面积相对很小，对地震效应影响不明显，故仍判为III类场地。4.4案例四某高层商住楼，建筑面积约2.35万m2，25层，框架剪力墙结构体系，大直径机械钻孔灌注桩基础，位于滨海淤积平原，地层结构如图4所示，①粘土：软塑，剪切波速vs＝145m/s，层厚约2m，层底埋深约2m；②淤泥：流塑，剪切波速vs＝102m/s，层厚约30m，层底埋深约32m；③粘性土：可～软塑，剪切波速vs＝220m/s，层厚约26m，层底埋深约58m；④卵石：饱和，密实，剪切波速vs＝530m/s，层厚约15m，层底埋深约73m；⑤粘性土：可塑，剪切波速vs＝250m/s，层厚约12m，层(m)1020高程-50-40-20-30-100-60图3Vs=170m/s淤泥Vs=102m/sVs=220m/s粘性土素填土中风化熔结凝灰岩Vs=550m/s8底埋深约85m；⑥中风化熔结凝灰岩：块状构造，坚硬，裂隙面有次生矿物，剪切波速vs＝620m/s。深度20m内等效剪切波速vse＝106m/s。本工程判定场地类别时的覆盖层厚度从不同基准面（即覆盖层下界面）起算，场地类别是不一样的，a）若以④卵石顶板起算，覆盖层厚度为58m，则场地类别为III类；b）若以⑥中风化熔结凝灰岩顶面起算，覆盖层厚度为85m，则场地类别为IV类；从覆盖层对地震波传播的影响本质分析，主要为滤波和放大作用，假设④层土为刚体，则可以认为④层土对地震波的传播影响很小，计算覆盖层厚度可以扣除其厚度，建筑抗震设计规范规定，vs500m/s的岩土类型为坚硬土，而④卵石的vs＝530m/s，厚度达15m，我们可以近似地将④卵石以刚体考虑，取本场地覆盖层厚度为85-15＝70m，，故场地类别为III类。4.5案例五某住宅小区，总用地面积约16万m2，由19幢高层住宅楼组成，总建筑面积约27万m2，15～25层，框支结构体系，底层架空，大直径机械钻孔灌注桩基础，位于滨海淤积平原，地层结构如图5-1所示，①粘土：软塑，剪切波速vs＝135m/s；②淤泥：流塑，剪切波速vs＝115m/s；Vs=620m/s中风化熔结凝灰岩-100(m)-90-80-70-60-40-50-10-202010-300高程图4卵石粘性土粘性土淤泥粘土Vs=530m/sVs=220m/sVs=145m/sVs=102m/sVs=250m/s9③粘性土：可～软塑，剪切波速vs＝240m/s；④中风化熔结凝灰岩：剪切波速vs＝680m/s。深度20m内等效剪切波速vse＝118m/s。地层结构如图5-1所示。该小区中风化基岩面埋深在40～90m，向东