场地抗震分类方法对比研究——以松原场地为例

李 平，周 楷，刘应慈，李玉影，朱 胜

（1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河 065201）

0 引言

强地震动特性主要受震源、传播介质、场地条件3个因素影响，在同一地震中，不同的局部场地会使得地表地震动产生差异。在抗震设防中场地抗震分类方法的研究尤为重要，需要根据场地类型来调整设计反应谱的特征周期和平台值。因此，国内外学者在场地分类这一研究领域开展了大量的工作，取得了一系列研究成果。李平等［1］通过构造了28条不同加速度峰值和特征周期的人工地震动作为基岩输入，分别计算了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地中总计225个土层剖面在不同地震动作用下设计反应谱的平台值，结果表明场地类别对反应谱平台值也存在影响；薄景山等［2］总结了场地分类方法在我国的演变进程，并对以后场地分类研究方向提出建议；薄景山等［3－5］选用不同峰值加速度的地震动，计算了不同覆盖土层厚度场地的反应谱平台值、地表加速度峰值及地表加速度反应谱，结果发现覆盖土层厚度、软弱表层土厚度、软弱夹层埋设位置及厚度都会使地表加速度峰值、反应谱平台值、地表加速度反应谱发生改变。不同国家对场地分类有着自己不同的判别标准，为了探究它们之间的联系，卢华喜等［6］模拟不同的土层剖面，分别按中美抗震设计中场地分类方法对场地类型进行判别，发现覆盖土层厚度在20 m以内存在软弱夹层的场地时，美国抗震规范考虑的更为细致；张凤涛等［7］将中美欧抗震设计规范场地分类方法进行对比，分析了其中的不同；郭锋等［8］收集了美国、中国台湾、日本、欧洲等地共计235个台站的场地勘察资料，分别按中美建筑规范中场地分类方法对场地类型进行判别，寻找两者之间的联系；刘培玄等［9］收集了日本KiK-net台站661个场地的剪切波速资料，按建筑抗震设计规范和美国建筑规范中场地分类方法对场地进行了判别，并对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的Vs30和Vs20进行线性拟合，发现两者间具有良好的线性关系。由于不同国家场地类别的判别方法有所差异，为了研究这种差异，本文收集整理了松原地区场地地震安全性评价和工程勘察资料，挑选了85个场地，用中美欧抗震设计规范［10－12］中场地判别方法对松原地区场地进行了划分，探究了三者之间的联系，研究成果为场地类别划分方法研究提供一定的基础。

1 中美欧抗震规范场地分类方法介绍

1.1 中国场地抗震分类方法

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）［10］（以下简称《中国抗震规范》）中主要通过覆盖土层厚度和Vs20两个参数将场地分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地，其中Ⅰ类场地又可以细分为Ⅰ0、Ⅰ1类场地。中国抗震规范中计算深度取覆盖土层厚度和20 m两者间较小值来计算Vs20，场地划分标准见表1［10］，表中数字为覆盖土层厚度。

表1 中国抗震规范场地分类方案Tab.1 Site classification scheme of China Seismic Code

1.2 美国场地抗震分类方法

《Minimum design loads for buildings and other structures》（ASCE／SEI 7-10）［11］（以下简称《美国抗震规范》）中采用单参数法进行场地类别划分，其中分类指标有等效剪切波速、标准贯入击数及不排水抗剪强度3个参数，将场地划分为A、B、C、D、E、F 6类。该方法主要通过等效剪切波速进行场地类别划分，没有剪切波速资料时根据标准贯入击数和不排水抗剪强度进行场地类别划分。若场地含有F类场地中任意一种土层剖面，需要将其划为F类场地对其进行评估。美国抗震规范中Vs30计算深度取30 m土层来进行计算，场地类别划分标准见表2［11］。

1.3 欧洲场地抗震分类方法

《Eurocode 8：Design of structures for earthquake resistance-Part 1：General rules，seismic actions and rules for buildings》（EN-1998-1）［12］（以下简称《欧洲抗震规范》）中采用单参数法对场地类别进行划分，分类指标与美国抗震规范相同，也是采用等效剪切波速等3个参数。在欧洲抗震规范中将场地划分为A、B、C、D、E、S1、S27类，其中，S1、S2为特殊场地，需要考虑其在地震动作用下的场地效应。欧洲抗震规范中Vs30计算深度与美国抗震规范一样，取30 m进行计算，具体分类方案见表3［12］。

表3 欧洲结构抗震设计场地分类方案Tab.3 Site classification scheme of European Structural Seismic Design

2 钻孔资料介绍

本文收集并整理了吉林省松原市场地的工程场地地震安全性评价报告和工程勘察报告，统计了353份代表性钻孔剪切波速资料。挑选了85个钻孔深度超过30m的场地剪切波速作为本文研究基础数据，场地勘察点位置如图1所示。

图1 松原市场地钻孔点位示意图Fig.1 Distribution of borehole points in Songyuan site

3 场地类别划分结果

本文对筛选出的85个场地剪切波速资料采用式（1）（2）进行数据处理，分别计算松原85个场地的等效剪切波速Vs20和Vs30，其中，Vse为土层等效剪切波速；d0为计算深度；t为剪切波在地面至计算深度之间传播时间；di为计算深度范围内第i土层厚度；vsi为计算深度范围内第i土层剪切波速；n为计算深度范围内土层分层数；计算Vs20时计算深度取覆盖土层厚度和20 m两者较小值，计算Vs30时计算深度取30 m。按中国抗震规范中场地划分方法根据等效剪切波速Vs20和覆盖土层厚度将松原85个场地划分为三类：其中Ⅱ类场地17个，Ⅲ类场地56个，Ⅳ类场地12个，如图2a所示。按美国抗震规范中场地分类方法根据等效剪切波速Vs30可将松原85个场地划分为两类，D类场地52个，E类场地33个，如图2b所示。按欧洲抗震规范中场地分类方法根据等效剪切波速Vs30可将松原85个场地可划分为两类，C类场地55个，D类场地30个，如图2c所示。

图2 基于中美欧抗震规范场地分类方法划分结果Fig.2 Site classification results based on China Seismic Code，American Building Standards and European Structural Seismic Design

按中国抗震规范中场地分类方法判别场地类型后，用美国抗震规范中场地分类方法对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地再次划分，结果为Ⅱ类场地中，D类场地16个，E类场地1个；Ⅲ类场地中，D类场地36个，E类场地20个；Ⅳ类场地中，E类场地12个。

按中国抗震规范中场地分类方法判别场地类型后，用欧洲抗震规范中场地分类对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地进一步划分，结果为Ⅱ类场地中，C类场地17个；Ⅲ类场地中，C类场地38个，D类场地18个；Ⅳ类场地中，D类场地12个。

欧美抗震规范中场地分类主要通过Vs30来判别场地类型，根据表2、表3可知，美国抗震规范中Vs30分界值和欧洲抗震规范中Vs30分界值接近，但不完全相等。在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地中，按美国抗震规范划分的D、E类场地数量接近于按欧洲抗震规范划分的C、D类场地数量，但不完全相等。为了进一步探究中国抗震规范场地判别方法和欧美抗震规范场地判别方法的关系，用最小二乘法对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地中Vs30和Vs20进行线性拟合，研究其中是否存在联系。

图3为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地下Vs30和Vs20拟合曲线，其中红色虚线是美国抗震规范中不同场地边界值。图4为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地下Vs30和Vs20拟合曲线，其中红线虚线是欧洲抗震规范中不同场地边界值。图3、4中纵坐标为等效剪切波速Vs30，横坐标为等效剪切波速Vs20。对松原地区85个场地的Vs30和Vs20进行线性拟合后，得到Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地中Vs30和Vs20的转换公式，分别为式（3）、式（4）和式（5），单位：m／s。式中相关系数分别为0.93、0.92和0.91，结果表明：松原地区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地中Vs30和Vs20具有明显的线性关系。

图3 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地按美国抗震规范场地分类Vs30和Vs20拟合曲线Fig.3 Fitting cur ve of Vs30 and Vs20 inⅡ，Ⅲ，Ⅳclass sites based on site classification according to American Building Standards

图4 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地按欧洲抗震规范场地分类Vs30和Vs20拟合曲线Fig.4 Fitting curve of Vs30 and Vs20 inⅡ，Ⅲ，Ⅳclass sites based on site classification according to European Structural Seismic Design

根据拟合公式将美国抗震规范中场地判别的Vs30边界值转换成Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地的Vs20值，如图5a所示，可以看出Ⅱ类场地中包含C、D、E类场地，其中C类场地占比最多，D类场地次之，E类场地最少；Ⅲ类场地中包含D、E类场地，其中E类场地占比多于D类场地；Ⅳ类场地中仅包含E类场地。根据拟合公式将欧洲抗震规范中场地判别的Vs30边界值转换成Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场的Vs20值，如图5b所示，可以看出Ⅱ类场地中分别包含B、C、D类场地，B类场地占比最多，C类场地次之，D类场地最少；Ⅲ类场地中包含C、D类场地，D类场地占比多于C类场地；Ⅳ类场地中仅包含D类场地。从图5中可看出中国抗震规范中Ⅱ类场地范围过大，应进一步细分亚类场地。

中国抗震规范主要根据覆盖土层厚度与Vs20进行场地类别划分，欧美抗震规范主要根据Vs30进行场地类别划分。大量强震观测资料［13－20］表明，覆盖土层厚度对地震动幅值、频谱特性及持时存在影响。从图5a中可以看出，若不考虑覆盖土层厚度，C类场地中包含Ⅰ、Ⅱ类场地；D类场地中包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地；E类场地中包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地。按欧洲抗震规范进行场地判别同样如此，因此仅仅考虑用等效剪切波速进行场地类别划分是不够合理的。

4 结论

本文以松原85个场地资料为研究基础，用中美欧抗震规范［10－12］中给出的方法对场地类别进行了判别划分，探究了中国场地抗震分类方法与欧美场地抗震分类方法的关系，得到如下结论：

（1）以中国抗震规范中场地分类方法将松原场地进行判别划分后，再用欧美抗震规范中场地分类方法对其进一步划分，由于欧美抗震规范中场地分类方法Vs30边界值不同，场地类型会产生数量的差异。

（2）对松原地区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地中Vs30和Vs20值进行线性拟合，结果表明松原地区Vs30和Vs20具有较好的线性关系，并给出了拟合关系式。用拟合公式将欧洲抗震规范与美国抗震规范中场地判别中的Vs30边界值转换成成Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地的Vs20值，松原地区按美国抗震规范进行场地判别，Ⅱ类场地中包含C、D、E类场地，Ⅲ类场地中包含D、E类场地，Ⅳ类场地中包含E类场地；按欧洲抗震规范进行场地判别，Ⅱ类场地中包含B、C、D类场地，Ⅲ类场地中包含C、D类场地，Ⅳ类场地中包含D类场地。结果表明，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）［10］中Ⅱ类场地范围过大，应进一步开展相关研究，给出更为细致的场地抗震分类方法。

（3）对比分析表明，场地抗震分类方法仅按等效剪切波速对场地类型进行判别是不够合理的，应考虑覆盖土层厚度的影响。