建筑抗震场地类别划分的分析应用（温州.周海平）

建筑抗震场地类别划分的分析应用（温州.周海平） 建筑抗震场地类别划分的分析应用 温州天然 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 2范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km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 1 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(v)se为场地评定计算深度(d)与剪切波在地表与计算深度之间传播的时间0 (t)的比值，即 v=d/t se0 t= (d / v ) isi 式中:v——土层等效剪切波速 (m/s); se d——计算深度(m); 0 t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间(s); d——计算深度范围内第i层土的厚度(m); i v——计算深度范围内第i层土的剪切波速 (m/s); si 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 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 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 2 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: v=d/t s t,(d/v) isi 式中:v——土层剪切波速 (m/s); s d——土层厚度(m); t——剪切波在该土层中的传播时间(s); d——测试点所代表的厚度(m); i v——测试点的剪切波速 (m/s)，个别异常点应剔除; si 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(d)，填方部分土层剪切波速(v)应参与等效剪切波速(v)的0sise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 3 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v值应为建设后实际的土质刚度反映，se 对其进行适当修正。在同一场地上各处v值较为离散时，宜划分单元采se 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:?场地土层剪切波速随深度呈递增趋势;?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;?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;?松散层中孤立的硬夹层予以忽略;?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(v?500m/s)，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 4 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 2某工程为2幢高层建筑，建筑面积约5.5万m，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。 A幢 高程B幢(m)10施工后填土Vs=135m/s5 杂填土Vs=95m/s0-5淤泥-10粉质粘土Vs=150m/s -15全风化流纹岩 Vs=260m/s-20 强风化流纹岩-25Vs=330m/s -30中风化流纹岩图1Vs=650m/s 建筑物 覆盖层土质 v(m/s) 覆盖层厚度 场地类别 se A幢 中硬土 300 6.6 II B幢 软弱土 120 32.0 III A、B平均考虑 中软土 210 19.3 II 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 5 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 2 某工程为1幢高层住宅楼，建筑面积约2.6万m，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。 20 10高程(m)杂填土0 Vs=150m/s-10 -20Vs=105m/s淤泥 -30 粘性土-40 Vs=220m/s-50 Vs=320m/s-60全风化基岩 -70 -80Vs=750m/s中风化基岩岩图2-90 -1002 该场地邻近约1.5km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v,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se 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 6 2某高层住宅楼，建筑面积约2.86万m，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v,170m/s，填土以下为淤泥，流塑，s 高压缩性，剪切波速v,102m/s;岩土层分布情况如图3。 s 高程20(m)010-10素填土Vs=170m/s -20Vs=102m/s淤泥-30 -40 -50Vs=220m/s粘性土 -60图3 中风化熔结凝灰岩Vs=550m/s该工程若以地基内钻探资料计算，v,170m/s，属中软土，覆盖层se 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，v<140m/s，地基内塘河回填的素se 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 2某高层商住楼，建筑面积约2.35万m，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，?粘土:软塑，剪切波速v,145m/s，层厚约2m，层底埋深约s 2m;?淤泥:流塑，剪切波速v,102m/s，层厚约30m，层底埋深约32m;s ?粘性土:可,软塑，剪切波速v,220m/s，层厚约26m，层底埋深约s 58m;?卵石:饱和，密实，剪切波速v,530m/s，层厚约15m，层底s 埋深约73m;?粘性土:可塑，剪切波速v,250m/s，层厚约12m，层s 7 底埋深约85m;?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v,620m/s。深度20m内等效剪切波速v,106m/s。 sse 20 10 高程0(m)粘土Vs=145m/s -10 Vs=102m/s淤泥-20 -30 -40 -50 Vs=220m/s粘性土-60 -70 Vs=530m/s卵石-80 Vs=250m/s粘性土-90图4Vs=620m/s中风化熔结凝灰岩-100 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?卵石顶板起算，覆盖层厚度为58m，则场地类别为III类;b)若以?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?层土为刚体，则可以认为?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，v>500m/s的岩土类型为坚硬土，而?卵石的vss,530m/s，厚度达15m，我们可以近似地将?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 2 某住宅小区，总用地面积约16万m，由19幢高层住宅楼组成，总 2建筑面积约27万m，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，?粘土:软塑，剪切波速v,135m/s;?淤泥:流塑，剪切波速v,115m/s;ss 8 ?粘性土:可,软塑，剪切波速v,240m/s;?中风化熔结凝灰岩:剪s 切波速v,680m/s。深度20m内等效剪切波速v,118m/s。地层结构如sse 图5-1所示。 高程(m)20 10Vs=135m/s粘土0 -10Vs=115m/s淤泥-20 -30 -40粘性土Vs=240m/s-50 -60中风化熔结凝灰岩Vs=680m/s-70 -80 -90图 5-1-100 IIIIV 90m45m65m85m80m40m50m60m75m70m55m 图5-2第层中风化熔结凝灰岩顶板等深线图 该小区中风化基岩面埋深在40,90m，向东缓倾，如图5-2所示，根据场区波速测试判定，覆盖层厚度为40,90m，跨越建筑抗震设计规范将覆盖层厚度所划分的数个档次，显然，本住宅小区已跨越不同场地类别单元，确定场地类别时，应根据中风化基岩等深线图，见图5-2，将其划分为2个地质单元考虑，80m等深线以西确定为III类场地，80m线以东确定为IV类场地。 4.6案例六 9 2 某万吨级大型码头，面积约1.2km，位于滨海软土地区，地形平缓，淤泥厚度约30m，等效剪切波速v,125m/s，采用大面积堆载(填方)se 预压地基处理，堆载厚度为6,8m，填方料为级配良好的碎石土，预压后等效剪切波速v,145m/s;地层结构如图6所示。 se 高程(m)20 10Vs=220m/s素填土原地面0 -10粘土Vs=135m/sVs=125m/s淤泥-20Vs'=145m/s(地基处理后) -30 Vs=240m/s粘性土-40 -50 -60Vs=650m/s中风化熔结凝灰岩-70 -80 -90图 6-100 该工程详细勘察时未进行填方堆载预压处理，地面高程约2m，等效剪切波速v,125m/s，覆盖层厚度若从原地面算起，覆盖层厚度为40se 米左右，场地类别为III类，地基预压处理后，检验地基加固效果勘察时，根据波速测试结果计算，等效剪切波速v,167m/s，覆盖层厚度从填方se 后地表面算起约为45m，根据建筑抗震设计规范判定，场地类别为II类，认为大面积地基处理改善了场地表层土刚度，可以判定场地类别为II类。 5 结论 地震作用对建筑结构的影响是极其复杂的，场地类别对结构的动力反应有重要的影响，准确划分建筑场地类别对抗震防灾有着重要的意义。 ?、建筑场地类别的划分，不能拘泥于场地面积的大小，应以具有相似反应谱特征为原则的工程场地为地质单元，并根据建筑设活动对场地条件的影响分析，做适当修正。 ?、岩土层等效于均质体，以剪切波的传播时间和距离确定计算剪切波速。 ?、输入上部结构的地震作用计算是以建筑室外地面算起，在判别 10 建筑场地类别时的覆盖层厚度相应以建筑室外地面为上界面。 ?、表征地基表层刚度的等效剪切波速，应远大于建筑基底范围所代表的土层总体刚度反映，即计算等效剪切波速的土层在平面上有较大的范围。 ?、计算覆盖层厚度时，对局部的硬夹层予以忽略，对于与基岩相连的硬夹层或分布范围较大的层状硬土层(v>500m/s)，应扣除其厚度。 s ?、正确地划分建筑场地类别对建筑物的结构设计、安全、造价等具有重要影响，因此在岩土工程勘察中应针对建筑物的性质、规模、地基土的工程性质等因素综合考虑，准确地判定场地类别。 笔者通过多年的工程实践，从场地岩土层的波速、等效剪切波速、覆盖层厚度等三个方面的影响因素分析，在复杂的岩土工程条件下，结合一些较典型的案例，对划分建筑场地类别进行分析探讨。文中存在的不足或错误，敬请同行批评指正。 主要参考文献: [1] 中华人民共和国建设部 . 建筑抗震设计规范 GB 50011-2001 . 北京: 中国建筑工业出版 社，2001 [2] 中国土木工程学会.中国土木工程指南 . 北京:科学出版社，1993 [3] 刘保东 . 工程振动与稳定基础(第二版) . 北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社， 2005 [4] 工程地质手册编写委员会 . 工程地质手册(第三版) . 北京: 中国建筑工业出版社，1992 作者简介:周海平(1962—)，男，汉族，浙江省温州市人，注册土木工程师(岩土),温州市建筑学会勘测专业学术委员会委员;主持完成各级岩土工程勘察1000余项，获省、部级优秀工程勘察奖十多项，公开发表学术论文多篇。 11