场地分类研究现状及有关问题的讨论

薄景山，李 琪，孙强强，彭 达，李孝波

(1.中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080； 2.防灾科技学院，中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201； 3.格勒诺布尔-阿尔卑斯大学3SR实验室，法国 格勒诺布尔 38400；4.辛辛那提大学，土木与建筑工程管理系，俄亥俄州 辛辛那提市45221)

场地分类是工程抗震研究的重要内容，学术界和工程界普遍认同场地条件对地震动的影响，不同的场地对地震动的影响存在一定的差别，场地分类的本质就是反映这种差别。在震害调查和场地强震信息统计分析的基础上，规定不同场地的设计地震动参数是各国抗震设计规范的通行做法[1]。工程场地是由岩土组成的复杂地质体，场地分类是从抗震的角度出发，依据场地的动力特性，选取能够反映岩土动力性质的主要指标对这一复杂地质体的一种简单的分类，以反映不同场地抗震性能的差异。大量震害资料的积累和强震观测技术的发展极大地推动了场地分类的研究工作，并取得了丰富的研究成果。尽量客观合理的反映场地地震动的差异和简单易行是场地分类的根本遵循，分类指标的选取和不同场地的设计地震动参数的规定是场地分类研究的核心内容。本文在现有资料的基础上，回顾和总结了场地分类研究的历史和现状，对比分析了各国抗震规范中场地分类的差别，讨论和评述了存在的问题和今后研究的方向，重点讨论了我国抗震规范中存在的问题和解决这些问题的思路。本文的工作对从事场地分类研究的科技人员有一定的参考价值。

1 国外场地分类研究

20世纪初，全球发生了若干次8级左右的破坏性地震，造成了重大人员伤亡和经济损失，推动了地震工程学的发展。震害调查资料使人们认识到了场地条件对震害的影响，通常，软场地的震害重于硬场地的震害；覆盖土层厚的场地震害重于覆盖土层薄的场地震害；复杂场地的震害重于简单场地的震害。这些现象提醒人们在抗震设计中，有必要考虑场地对地震动的影响，以及如何根据场地条件调整抗震设计参数。场地条件对地震动影响的理论研究是场地分类的基础；提取哪些指标来衡量岩土体的地震反应特性是场地分类的关键；科学的分类方案是场地分类工程应用的前提。国外场地分类的研究及其工程应用主要围绕上述3个方面展开。场地条件对地震动和震害影响的系统研究始于美国学者Wood对1906年旧金山特大地震的震害调查[2]，他提出了震害的差别与场地条件相关的重要结论。嗣后，场地条件对震害的影响已成为历次破坏性地震现场科学考察的重要内容。震害资料的积累使得人们的认识不断深入，地形地貌，岩土体的性质、结构和成因，地质构造和地下水的埋藏条件等都对地震动产生重要的影响，而且对不同的结构产生选择性的震害，已有大量的文献对这方面的研究进行了总结[3-5]。强震观测技术的发展和数据的积累为局部场地影响研究提供了技术支持，极大地推动了这一领域的研究工作。20世纪70年代Hayashi和Seed对不同场地地震反应谱的研究工作为场地类别的划分提供了重要的启示[6-7]。

场地分类指标和分类方案的研究成果主要体现在抗震设计规范中，本文收集了世界上30多个国家的抗震设计规范，表1-9列出了国外有代表性的美国、欧洲、日本、土耳其、智利、尼泊尔、伊朗、韩国、澳大利亚和新西兰等国家和地区的抗震设计规范关于场地类别的规定[8-16]。综合有关文献[17-18]可追溯场地分类的研究历史，1935年，美国统一建筑规范(Uniform Building Code)把地基分为硬地基和软地基两类并以此来调整地震动系数，这是在抗震规范中最早出现的场地分类方案。早期的场地分类以宏观描述为主，逐步发展到目前以定量指标对场地进行分类。场地类别对设计地震动参数的影响也从调整地震系数发展到调整场地设计反应谱的参数和形状。

表1 美国场地分类方案Table 1 US site classification scheme

续表

表2 欧洲Eurocode 8场地分类方案Table 2 Eurocode 8 site classification scheme in Europe

表3 日本场地分类方案Table 3 Site classification scheme in Japan

表4 土耳其场地分类方案Table 4 Site classification scheme in Turkey

续表

附表 土耳其场地分类方案

表5 智利场地分类方案Table 5 Site classification scheme in Chile

表6 尼泊尔场地分类方案Table 6 Site classification scheme of Nepal

表7 伊朗场地分类方案Table 7 Site classification scheme of Iran

表8 韩国场地分类方案Table 8 Site classification scheme of South Korea

表9 澳大利亚、新西兰场地分类方案Table 9 Site classification scheme of Australia and New Zealand

附表 C类场地最大土层深度

续表

2 中国场地分类研究

中国学者翁文灏等在考察1920年海原特大地震时已经注意到了黄土厚度、地形和地质构造等场地条件对震害的影响[19]，这是中国在场地条件对震害影响的最早调查研究成果。在以后的若干次破坏性地震，特别是在新中国成立以后发生的邢台地震、唐山地震、海城地震、通海地震以及汶川地震的震害调查中都专门开展了局部场地影响的调查研究工作，取得了丰富的研究成果，为场地分类奠定了坚实的基础。中国学术界在局部场地条件影响方面的基本共识可表述为,软弱场地的震害重于坚硬场地的震害，复杂的高突地形较简单平缓地形的震害重；发震断层附近的震害重于远离断层的震害。中国的抗震设计规范是通过场地地段的选择和场地分类来体现局部场地影响的研究成果。中国的第一部建筑抗震设计规范完成于1957年，到目前已完成了7部9个版本的抗震设计规范的编制[20-28]。中国的场地分类方案出现在由中国科学院工程力学研究所(现为中国地震局工程力学研究所)主持编写的《地震区建筑设计规范(草案稿)》中，分类方案列于表10。在此后各版本的抗震设计规范均有场地分类的内容。中国场地分类在建筑抗震设计规范中的演化过程列于表11，目前执行的建筑设计抗震规范采用双指标进行场地分类，分类方案列于表12。

表10 1964年《地震区建筑设计规范(草案稿)》场地分类Table 10 Site classification in 1964 code for design of buildings in seismic area (Draft)

表11 中国建筑抗震设计规范场地分类演化过程列表Table 11 Evolutionary process of site classification for China Building Seismic Design Code

表12 GB50011-2010《建筑抗震设计规范》(2016版)场地分类Table 12 Site classification of GB50011-2010 Code for Seismic Design of Buildings(2016)

3 场地分类指标

目前，世界各国在抗震规范中提出的场地分类指标主要有岩土性质、岩土的剪切波速和平均剪切波速、覆盖层厚度、地基承载力、标准贯入击数、不排水剪切强度、单位容重、相对密度、反应谱的峰值周期、地脉动卓越周期等，一般选取其中的2～3种指标用于场地分类。通常，场地分类指标应尽可能正确反映场地的动力效应和抗震性能；同时，还应考虑在工程上使用简便、经济和易求的特点。因此，如何合理确定分类指标是场地分类的关键问题之一。

从表1-表12可以看出，各国抗震规范普遍采用剪切波速作为场地分类的指标之一。剪切波速的大小体现了场地的软硬程度或密实度，可以较好地反映场地的动力特性，广泛应用于场地分类、地震安全性评价、砂土液化、卓越周期计算等方面。等效剪切波速是根据走时等效原则进行计算得到的一定深度岩土层的加权平均剪切波速，反映的是各土层的平均刚度。国内外采用的等效剪切波速指标除计算深度的差异外，并无不同。1992年，Borcherdt 和Glassmoyer[29]首次提出采用30m以内的土层等效剪切波速(Vs30)作为场地分类指标，并通过分析对比3种Vs30估算模型论证了其代表场地效应的可行性。1997年，该方法被美国抗震规范(NEHRP)采纳，Vs30逐渐成为国际上普遍采用的场地分类主要指标。但Vs30对于计算深度的值是固定的，忽视了覆盖层厚度与土层结构对地震动参数的影响。Di Giacomo等[31]对浅层土进行了反演实验，结果认为Vs30可能会对场地类别造成一定程度的误导。Park和Hashash[32]以密西西比河河口为例，研究了深厚土层中的问题，发现Vs30在短周期内过于保守，而在长周期内则相反，并不适用于深厚土层。Pitilakis等[33]认为单一指标难以反映场地土层的变化，建议采取平均剪切波速、覆盖层厚度以及场地周期多指标共同确定场地类别，但其给出的场地分类方案过细，并不适用于工程应用，有待改进。陈卓识、袁晓明等[34]揭示了土层剪切波速不确定性对场地刚性判断的影响,进而分析了我国场地分类可能潜在误判的区域。王琦等[35]发现剪切波速与埋深存在明显的相关性，给出了场地类别考虑与否情况下常见土类剪切波速与埋深的经验关系。人们发现仅仅根据等效剪切波速对场地进行分类显然存在不足，因此又通过其它指标辅助来进行分类。

我国是国际上少数采取覆盖层厚度作为场地分类指标的国家。1984年，周锡元等[36]首次提出采用覆盖层厚度作为分类指标用于我国建筑抗震设计中场地类别划分。覆盖层厚度不仅能影响地震动的幅值，还能反映地震动的频谱特性，诸多学者从不同角度论证了覆盖土层厚度作为场地分类指标的适用性和合理性。郭俊平[37]通过列举宏观震害现象指出不同场地的震害程度与场地土的覆盖层厚和结构组成有密切关系，李敏[38]通过分析同一地震动下覆盖层厚度与场地地震动参数变化规律，指出我国使用覆盖层厚度作为分类指标的优势。窦立军等[39]提出了场地分类的一个新的指标—场地卓越周期，即利用场地的最低共振频率进行分类，认为场地应从基岩处开始考虑地震波的放大特性，而不仅仅只考虑20m～30m的计算深度。

在其他国家的场地分类中，常见的指标还有标贯击数和不排水抗剪强度等。标贯击数的大小反映了土的密实程度，在我国主要应用于饱和砂土的液化判别。有学者在基于台湾集集地震对场地分类合理性研究时发现，利用标贯击数进行分类的准确性较高，特征周期和剪切波速方法次之。黄雅虹等[40]、张凤涛等[41]在对国内外抗震设计规范进行对比时，均建议可以适当考虑标贯击数、不排水抗剪强度等原位测试和试验指标用以对我国规范场地分类方案进行改进。邱志刚等[42]提出了剪切波速与标贯击数之间的回归关系，并提出应适当细分土类。

土层结构对地震动的影响受到研究者的普遍关注[42-49]。齐文浩和薄景山等[50-53]对此专门进行研究，提出将场地基本周期作为场地分类指标，对现行规范场地分类方法进行改进。所谓的场地基本周期，是指基于剪切波速和覆盖层厚度已有指标的基础上，利用逐层单自由度法求得的场地周期，与现行求解场地周期的子层周期求和法相比更能体现土层结构的变化，更能反映场地的振动特性。王竞等[54-55]利用基本周期推导出的周期等效剪切波速代替等效剪切波速对现行场地分类方法进行改进，给出了考虑土层结构影响的场地分类方案，该方法还未在实际应用中1得到推广，但对于场地分类方法的改进上有一定的启示。

4 场地分类方案对比

本文对世界上9个国家和欧洲现行的抗震设计规范，从场地分类数、选用的分类指标、计算深度、确定基岩最低波速或周期值、场地地震动参数的表述方法和对特殊土有无规定等6个方面对场地分类方案进行分析对比，结果列于表13。

表13 各国场地分类对比列表Table 13 Comparison of site classification in different countries

分析表13可见：

(1)场地分类数有一定差异。分类数目在3-7类不等,欧美国家对于场地分类更加细致，日本、尼泊尔分类较为粗略，中国、土耳其、智利、新西兰、韩国相对适中。

(2)从分类指标来看，中国、土耳其、智利、新西兰、韩国、美国、欧洲、伊朗均使用剪切波速作为场地分类的主要指标，日本与其他国家区别较大，主要使用场地周期进行分类。此外，欧洲、美国、韩国、土耳其、智利、新西兰、尼泊尔选用标贯击数用以辅助分类，土层厚度、不排水抗剪强度、密度以及周期也被多数国家所选用，少数国家还利用无侧限抗压强度、单轴抗压强度作为辅助指标，以增加分类的准确性。大多数国家选取多个指标用于场地分类，少数国家，如日本、伊朗仅通过一个指标进行场地分类，我国选取剪切波速和覆盖层厚度两个指标，相对较少，可以考虑适当增加分类指标使得场地分类更加合理。

(3)在计算深度上，由于分类指标的差异，智利、尼泊尔未规定计算深度，中国选取覆盖层厚度和20m的较小值，欧洲、美国、土耳其等其他国家均规定计算深度为30m。不难发现，国外选取的计算深度普遍高于我国，一般认为，计算深度的加大能反映更多的土层信息。薄景山等[56]也通过研究证实上覆30m的土层对地震动峰值和特征周期影响显著，大于30m的土层的影响明显减弱。因此，大量学者认为增加计算深度是合理的，并对Vs30的外推公式进行了研究[57-62]，以解决现有资料不足的影响，便与国际接轨。

(4)关于确定基岩最低波速值和卓越周期值。土耳其将剪切波速大于1 000 m/s的岩土体定为基岩，欧美、韩国、智利、伊朗选取剪切波速大于750m/s以上为基岩面，新西兰规定剪切波速大于600m/s的岩土体视为基岩，均比我国选取的500m/s界限值更安全，但经济成本也更高。日本、尼泊尔通过场地卓越周期的大小确定基岩面，日本规定卓越周期小于0.4s的场地为基岩，尼泊尔则认为卓越周期小于0.2s的场地可视为基岩。郭锋等[63]认为剪切波速大于500m/s只能认为是软基岩或坚硬土，应提高基岩面剪切波速的界限值。

(5)地震动参数的表述方法方面。中国、土耳其、智利、新西兰、韩国、美国、欧洲、日本、尼泊尔、伊朗均通过反应谱的形式表述地震动参数。其中，土耳其、韩国、美国、日本采用加速度反应谱，中国、智利、欧洲、尼泊尔采用地震影响系数反应谱，伊朗采用动力放大系数反应谱，新西兰采用反应谱谱形函数。必须强调无论采取哪种形式的反应谱进行表达，各国均根据不同类别场地对反应谱形状进行调整。

(6)对于特殊土的规定。在对场地分类时，新西兰、美国、欧洲、尼泊尔均对特殊土进行了特殊的规定，欧美国家主要针对可液化土和敏感性粘土进行特殊规定，新西兰和尼泊尔主要针对黏性土和无黏性土进行区分。特殊土较一般性土有其单独的特性，针对特殊土进行特殊规定显然更为合理。

(7)图1是场地主要分类指标在不同国家的抗震设计规范中出现的频度图。从图中可见，在参与统计的10部规范中，剪切波速出现的最多，单轴抗压强度出现的最少。土的剪切波速、标贯击数、覆盖层厚度和不排水抗剪强度是各国抗震规范常用的指标。

图1 主要分类指标在参与统计的不同国家抗震规范中出现的频度图Fig.1 Frequency chart of main classification indexes in seismic codes of different countries

5 问题与讨论

场地分类的科学性主要体现在能够合理的反映出不同场地的地震动特性。场地是地质历史的产物，长期的历史演化过程和特殊的成分结构使其表现出特殊的动力学特性，由于岩土材料的复杂性，也使得基于岩土动力学差异的场地分类遇到了一定的困难。尽管百余年的不断探索取得了长足进步，但在这一研究领域尚有若干问题需要继续开展研究工作。

(1)建立场地条件试验场。不同场地设计地震动参数规定的合理性是场地分类研究的终极目标。强震记录是检验这一合理性的唯一标准。现有的强震记录大多建立在Ⅰ、Ⅱ类场地上，Ⅲ、Ⅳ类场地特别是Ⅲ类场地强震记录缺乏。因此，为深入开展这一领域的研究工作有必要在强震多发区建立场地条件试验场，积累不同场地的强震记录并以此来检验现行分类方法及设计地震动参数规定的合理性。

(2)开展土层结构影响的试验研究。土层结构是指不同土层在场地中的排列顺序，土层结构特别是存在软弱层的土层结构对地震动有着显著的影响，现有的强震资料不足以满足研究工作的需要，试验研究是分析这一问题的重要途径。因此，建议开展土层结构影响的振动台试验研究。尽管开展这一试验在很多方面存在一定的困难，但其研究成果对推动场地分类研究有着重要的研究意义。

(3)探索新的分类指标和分类方法。从抗震的角度看，场地分类实质上是场地岩土动力特性的分类和抗震能力的划分，分类指标的选取和分类方法是场地分类的关键科学问题。场地地脉动卓越周期、土层卓越周期和地震动卓越周期等都可以反映土层不同存在状态的动力特性。我国现行抗震设计规范中场地分类的双指标法，体现了土层的卓越周期，适用于波速递增型场地，不能合理的反映土层结构的影响，考虑到岩土组成和动力反应的复杂性，建议尝试以土层基本周期[51-55]为指标，以土层结构、土的抗剪强度和密度为参考指标的场地类别划分方法。

(4)建立全国分区域的场地分类方案。中国地域辽阔，地质条件复杂，统一的场地分类方案很难反映出不同地区场地的差异，因此，建议在全国工程地质条件分区的基础上建立场地分类方案，给出全国不同分区的场地分类方法，并针对湿陷性黄土、淤泥土、红土等特殊土开展动力学特性和场地分类研究。

(5)对现行分类方法的合理性进行检验。在近年来发生的汶川地震、玉树地震、漳县岷县地震、芦山地震和九寨沟地震中，我国强震台网在具有场地勘察资料的台站获得了大批有科学意义的强震记录。可以利用这些记录检验我国场地分类的合理，分析存在的问题，提出解决问题的办法。

(6)开展场地分类的基础研究。场地条件对地震动的影响是场地分类的基础，这一领域的若干问题尚需深入研究。例如，软弱表层的影响问题、土层结构的影响问题、特殊土动力特性的影响问题、发震断层的影响问题等。除此之外，分类指标的计算深度问题、连续性变化的问题、分类界限的确定问题以及不同场地地震动参数的合理规定问题都需要开展深入的研究工作。

6 结语

场地分类是抗震设计的基础工作，不同场地抗震设计参数规定的合理性在一定的程度上决定着结构的地震安全性。从国内外研究的现状来看，选用什么样的指标来反应场地的动力学特性以及这些指标获取的难易程度一直是这一领域研究的热点问题。场地土层的卓越周期是反映场地振动特性的重要指标，它可以通过土层的密度、厚度和剪切波速等资料通过理论计算给出，而土层密度、厚度和剪切波速在场地勘查中不难得到。场地的卓越周期可由土层的卓越周期获得。因此，基于场地振动周期进行场地分类是当前这一领域的明显趋势。强震观测资料是检验场地分类和地震动参数规定合理性的唯一标准，由于地震为小概率事件，试验研究的积累和室内土层地震反应振动台试验对推动场地分类研究具有重要的科学意义。本文提出的研究建议对推动场地分类研究具有重要的参考价值。