中国欧洲美国抗震设计规范场地分类对比研究

张凤涛

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

不同场地条件对工程结构的抗震性能存在较大的差异[1]。因此，如何合理地划分场地类别对于工程抗震设计至关重要。国内外专家学者针对这一课题开展了大量研究，薄景山等[2]提出了基于土层结构的场地分类初步方案；王祖平[3]对中国抗震设计规范和欧洲抗震设计规范中场地分类进行了对比；刘曾武[4]采用场地指数法进行场地类别划分，但此方法对剪切波速的误差很敏感。另一方面，不同国家、不同行业的抗震设计规范对场地类别的划分方法并无统一的标准。以下将系统地总结和对比中、欧、美等国多个行业抗震设计规范，对工程场地的分类指标、分类数目、剪切波速计算方法、起始面和计算深度、覆盖层厚度和分类方法的适用性进行分析。

1 场地分类方法对比

1.1 中国规范

在我国多个行业的抗震设计规范中，《建筑抗震设计规范》是建筑结构抗震设计的主要标准，被认为是其他行业抗震规范的源头。自1959年第一版《地震区建筑规范(草案)》实施以来已有7个版本，场地分类逐渐从定性走向定量。现行版本《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010(2016年版))规定：建筑场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度，按表1划分为五类[5]。《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006 (2009年版))规定：场地类别根据场地计算深度内土层等效剪切波速Vse值，按表2划分为四类[6]。《公路工程抗震规范》(JTGB02—2013)规定：场地类别根据平均剪切波速和场地覆盖层厚度，按表3划分为四类[7]。《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047—2015)规定：场地类别基于场地土类型和场地覆盖层厚度，按表4划分为五类[8]。

表1 《建筑抗震设计规范》GB50011—2010场地类别

表2 《铁路工程抗震设计规范》GB50111—2006场地类别

表3 《公路工程抗震规范》JTGB02—2013地类别

1.2 欧洲规范

“结构抗震设计”(EN1998—1)是欧盟国家工程抗震设计的法定规范，根据岩土不同的性质，把场地划分为A，B，C，D，E五种基本类别和两种特殊类别S1(高塑性土)和S2(可液化土)，划分方法见表5[9]。

对场地条件为S1或S2型的特殊场地，需要对地震作用进行特别研究，以确立反应谱与软黏土层的厚度及淤泥vs值之间的关系，以及反应谱与该层和下部地层之间刚度差异间的关系。对于S2型场地，应考虑到地震作用下发生土体破坏的可能性。对于S1型场地，应注意此类土壤通常具有非常低的vs值、较低的内阻尼以及异常扩大的线性性能范围，可能引起反常的地震场址放大及土壤结构相互作用效应。

表4 《水电工程水工建筑物抗震设计规范》NB35047—2015场地类别

表5 欧洲规范场地类型划分方法

1.3 美国规范

美国运输部(FHWA)下属的国家公路研究院(NHI)编制了岩土工程和结构工程的地震分析和LRFD法设计指南(FHWA-NHI-11-032: LRFD Seismic Analysis and Design of Transportation Geotech-nical Features and Structural foundations)，根据地震分析和设计指南，场地条件对地震时地面运动的特征具有重要的作用。场地条件按照场地100英尺内地层的平均剪切波速(有时表示为vs，30，下脚标“30”表示30 m，约合100英尺)，划分为6类(A～F类)。这些场地分类通常被称为NEHRP场地分类，最初是由NEHRP项目建立起来的，其分类方法如表6所示[10]。

需要说明的是，对于F类场地，需开展针对特定场地特征的地震响应分析。对于C、D、E类场地，可以根据场地的平均标准贯入试验锤击数N或平均不排水剪切强度su确定。

表6 NEHRP场地分类系统

注：1ft=304.8 mm;1psf=47.88 Pa 。

中外抗震设计规范的场地分类方法对比如表7所示。

表7 中外抗震设计规范的场地分类方法对比

由表7可知：

(1)欧洲、美国规范的场地分类方法基本相同，其中，标准贯入试验锤击数界限值相同，不排水剪切强度界限值略有差别。

(2)中国、欧洲规范与美国规范等效剪切波速界限值存在很大差异。美国规范界限值范围相对较大，并且关于坚硬场地和软弱场地类别划分偏安全。

(3)软弱场地划分方面：欧洲、美国规范有专门针对软土的场地分类方法，欧洲规范比美国规范更详细；坚硬场地的划分方面：相较于中国、欧洲规范，美国规范划分更为详细。

2 场地分类方法

2.1 分类指标

划分场地类别的指标有很多，常用指标有等效剪切波速、场地覆盖层厚度、标准贯入试验锤击数、不排水剪切强度、塑性指数、天然含水量等。国内规范大多以单指标(等效剪切波速)和双指标(等效剪切波速和场地覆盖层厚度)为主。欧美规范场地分类方法以平均剪切波速为主，标准贯入试验锤击数和不排水剪切强度等指标为辅，是一种考虑多种影响因素的综合场地分类方法，对高黏性土和可液化土等特殊场地，具有较好的适用性。

中国地域面积大，高黏性土和可液化土等特殊场地多，在特殊场地应适当考虑标准贯入试验锤击数和不排水剪切强度等原位测试和试验指标，以细化可液化土和高黏性土等特殊场地分类。

欧洲、美国规范均未采用覆盖层厚度这一指标，在工程实际中，准确的覆盖层厚度往往因缺乏详细的地质资料而不易获得，实践中经常采用经验值，受人为因素影响较大。另一方面，采用等效剪切波速和场地覆盖层厚度双指标的分类方法容易引起场地类别的突变。

2.2 分类数目

由表7可知，国内规范大多将场地类别分成4～5类，欧美规范分成6～7类。从抗震设防的角度出发，场地类别划分越详细越好。但依据现有的基础资料无法做到，应通过强震观测、现场勘察等手段，为将来的场地细化分类积累资料。

3 剪切波速

剪切波速是场地分类中的一个重要指标，中外规范均采用了该指标，但不同规范对剪切波速的具体规定是不一样的。以下对剪切波速计算方法、起始面、计算深度进行分析讨论。

3.1 计算方法

在89规范[11]中，通过厚度加权法计算土层的平均剪切波速，总厚度取地面以下15 m。由于按地层厚度加权方法缺乏物理意义，而且不能与土层共振周期建立等效关系。因此，在2001规范[12]和2010规范中采用了国际通用计算公式。现行中外规范中等效剪切波速和平均剪切波速只是名称不同，其含义相同。

3.2 起始面

场地类别是一个宏观的区域地质概念，需要考虑大范围区域场地条件的影响，一般的建筑、公路、铁路工程，规模相对较小，工程施工仅是小范围改变地质环境，不会影响场地类别，故采用地面作为起始面是合理的，工程规模较大时，施工会影响区域场地条件，起始面应采用基础面作为起始面；故起始面的选择与工程规模是否影响区域场地条件有关。

3.3 计算深度

中外规范各种场地分类方法中，均将剪切波速作为主要指标，但在不同的规范中，计算等效剪切波速采用了不同的深度：89规范采用覆盖层厚度和地面下15 m两者中的较小值；2001规范和2010版规范采用覆盖层厚度和地面下20 m两者中的较小值；铁路抗震规范采用地面下25 m；水电规范采用覆盖层厚度；而欧洲和美国规范不考虑覆盖层厚度，采用地面以下30 m。有学者通过研究指出：地面下30 m深度范围内地层特性是影响地震效应的关键性因素[13]；薄景山等的研究表明[14]：上覆30 m土层对地震动峰值和特征周期影响显著，大于30 m土层的影响明显减弱；黄雅虹等[15]指出，基于30 m资料的分类结果更加可靠。因此，场地分类方法中剪切波速计算深度采用30 m显然比20 m更准确。

4 覆盖层厚度的确定

《建筑抗震设计规范》GB50011—2010、《公路工程抗震规范》JTGB02—2013和《水电工程水工建筑物抗震设计规范》NB35047—2015场地分类方法中均采用了覆盖层厚度这一指标。覆盖层原本是地质学上的概念，一般指从地面到基岩面的第四系地层。在场地分类中，覆盖层的定义发生了改变。当下卧的岩土层和土层剪切波速远大于上层时，下卧层可按基岩考虑。但是，采用这种方式确定的岩土界面往往较深，可能远远超出了工程勘察的范围。因此，可以考虑以剪切波速500 m/s或特定条件下400 m/s作为界限值。

5 分类方法的适用性

中国抗震规范对场地的分类主要考虑土层厚度和刚度，土层的剪切波速通常具有随深度增大的趋势。因此，在一般工程勘察深度范围内，采用实测剪切波速的某一种平均值来表示场地的相对刚度，这种方法是相对合理的。然而，具有较厚软夹层的场地对短周期地震动有抑制作用，适用性相对较差，还需进行深入的研究。

6 结论建议

(1)中国规范中的场地分类方法可适当考虑标准贯入试验锤击数和不排水剪切强度等指标，细化可液化土和高黏性土等特殊场地分类。

(2)可借鉴欧美30 m深度范围的等效剪切波速计算方法来改进我国现行规范计算深度取值，使其更加合理。

(3)在进一步的场地分类研究中，可通过强震观测、现场勘察等手段积累基础资料，为将来的场地细化分类提供支持。