工程地震场地分类方法研究进展①

郭宗斌， 陈其峰， 冯恩国， 温丽媛， 连凯旋， 颜丙囤

(山东省地震局聊城地震监测中心站，山东 聊城 252000)

大量地震灾害研究表明，场地条件对地震动有重大影响，并且不同场地的抗震性能有着较大差别。工程场地条件是工程抗震设计中确定反应谱峰值、特征周期的重要依据，且对工程抗震设计的安全性有至关重要的作用[1-3]。于是，众多学者开展场地条件对地震动影响的研究，主要集中在场地的覆盖土层、地表地形或基岩面的影响[4-5]。现在不同国家的抗震设计规范均有场地特征对地震反应谱的研究，而且加入了场地分类的定义。多年的工程实践和地震后的灾害调查已经验证，根据场地类别推算地震动参数并进行抗震设计是减少地震灾害的有效方法之一。

1.1 中国规范

在中国不同行业的抗震设计规范中，建筑抗震设计规范可谓是母规范，它是众多抗震设计的领先标准。中国的建筑抗震设计规范于1959年发行第一版，迄今为止共有7个版本。其中，1989规范，2001规范和2010规范对场地类别的划分均采用等效(平均)剪切波速和覆盖层厚度双参数指标划分的思路[6-8]。在对目标场地进行研究时，覆盖层厚度愈大，等效剪切波速愈小，就将其划分为愈高的场地类别。现在中国使用的2010规范把区域场地共分为4类(表1)，表中VS代表岩土剪切波速，Vse代表等效剪切波速。

表1 场地分类方法表

1.2 国际规范

美国从1976年起对场地类别开展研究，1978年出版的抗震设计规范根据岩性特征把场地类别划分为3类。Borcherdt根据1989年Loma Prieta地震不同场地上的强震观测记录，通过与土层地震反应进行分析和比较，提出以表层30 m范围内的等效剪切波速(VS30)为主，同时参考标贯击数、不排水剪强度等指标的场地分类方案[9]。该方案把场地类别划分为A～F类，这一方案也被1994版及随后多版的NEHRP采纳[10](表2)。《统一建筑规范》[11]及《国际建筑规范》[12]也选用该分类方法。

表2 美国规范中的场地分类方法

欧洲各国通用的抗震规范是Eurocode8[13]，该标准与美国现行标准相似，且分类指标基本一致，仅在某些分档细节存在不同。该规范把区域归为A～E，S1，S2类，其中S1、S2是需做专门研究的特殊土类，例如高塑性土层、敏感粘土等。

日本现行场地分类方案由《新耐震设计法》[14]首次颁布，依据场地土岩性的宏观描述或相应的场地周期为指标将场地划分为3类：硬土和基岩、一般土、软弱土。另外场地卓越周期通过土层剪切波速计算，深度采用30 m。

2.1 地表地质法

地质法是根据地质图，以VS30为桥梁，建立地质单元和VS30之间的对应关系后推算出区域性的VS30分布情况，进而获得区域性的场地类别分类图[15]。地质图资料相对丰富易得，许多学者通过建立岩石类型、土层的地质年代与VS30之间的关系，进行场地条件研究。

Park等通过土层的地质年代来进行场地研究，发现第四纪、古近纪与新近纪、中生代地层之间的VS30可以区分开，据此划分为沉积层、软岩、硬岩3类场地，并建立相应的数据库[16]。Wills等利用加州地区1 000个钻孔波速数据和1∶25万地质图统计得出场地类别与VS30间的对应关系，划分美国加州地区的场地类别[17]。在此基础上，Lee等根据1∶50万及1∶20万的地质资料，对中国台湾地区进行场地分类[18]。近年来国内学者也开展了这方面的研究工作，温瑞智、史大成等利用全国地质调查资料，基于GIS技术完成了中国全国范围的场地分类图[19]。

2.2 地形坡度法

该方法是通过地形资料来对场地进行分类的方法，即根据地形坡度和VS30之间的关系，计算出该地区的VS30分布情况，根据对应标准对场地进行分类。Wald等选取实测剪切波速资料丰富的地区，建立地形坡度和VS30之间的经验关系，依据NEHRP中对VS30的场地分类标准，推算出4类场地类别中地形坡度值的经验范围[20]。在此基础上，Wald等研发了烈度速报系统(ShakeMap)。利用地形坡度法，Allen等对全球大部分国家和区域进行了场地划分[21]，其结果已运用于Shakemap系统的场地校正模块。国内一些学者也对该方法进行了研究，陈鲲等根据中国数字高程资料得到地形坡度[22]，对四川省区域进行了场地分类，张雨婷利用多重地形特征的分离方法提升了分类的准确率[23]。

3.1 反应谱形状法

Borcherdt等提出利用强震动记录对场地进行划分，并称之为反应谱形状法(RSS法)。在假设基岩场地对地震动无放大的前提下，该方法将土层场地与参考基岩场地的反应谱记录对比估计土层反应[24]。Seed等利用不同地震中的强震动资料，计算出岩石、硬土、无黏性土、软—中粘土及砂土4种场地条件下的5%阻尼比平均加速度反应谱曲线[25](图1)，由于当时利用的强震动数据较少，计算出的曲线准确度还有待提高。后来Lee等采用了11个大地震中捕获的1 676条强震动记录，根据NEHRP中定义的场地描述，绘出一组更加合理的平均加速度反应谱曲线[18]。国内学者Wen等提出采用反应谱峰值周期和周期1 s的谱值2项指标划分场地类别，并且运用到中国数字强震动台网的场地类别划分工作中[26]。

图1 Seed等给出的四种场地条件下的平均反应谱曲线

3.2 水平/竖向谱比法

为了消除震源和传播路径的影响，Nakamura在1989年提出一种基于同一地表测点地脉动水平分量与竖向分量傅里叶幅值谱比来估计场地特征的方法，即水平/竖向谱比法(HVRS法)，也称Nakamura方法[27]。Yamazaki等将这种方法扩展到利用强震记录评估场地特征进行场地分类[28]，并验证了同一场地的水平与竖向速度反应谱谱比值受地震震级、震中距离与震源深度的影响不大。目前，利用水平/竖向谱比法(HVRS法)进行场地分类的方法包括卓越周期划分法，谱比曲线匹配法，谱比形状一致法等[29-30]。

卓越周期划分法最早由Zhao提出[31]，此分类方法是参考日本抗震规范中各类场地的卓越周期，利用不同台站记录到的地震数据计算出4种场地对应的经验谱比曲线(图2)，其峰值周期分别为0.15、0.25、0.5和0.8 s。在此基础上，Fukushima等增加了2种分类标准[32]，主要是针对不能判别卓越周期的场地区域。国内专家Wen对四川强震动台站进行场地划分也采用这种方法[26]。

图2 HVRS谱比经验曲线

谱比曲线匹配法是为了应对卓越周期划分法中对较硬或较软场地难判别的问题，Zhao等人提出了另一种分类方法[31]，使用分类参数SI,

(1)

谱比形状一致法是在Zhao等人的研究思路上，根据斯皮尔曼秩相关理论，Ghasemi等提出了新的分类参数SI[33],

(2)

式中，k是场地类别；
n是周期点数量；
xi,yik分别是目标区域谱比曲线和第k类场地标准曲线在第i个摆动周期处谱比值的秩；
di是xi和yik的差。SIk取值范围在-1和1之间，当目标场地谱比曲线与标准曲线完全重合时，SIk=1。相似的，分别计算4种场地类别对应的SI值，4个结果中最大的就是待分类场地的类别。

冀昆等基于芦山余震强震记录计算41个固定台站的场地H/V谱比曲线，并按照中国建筑抗震设计规范中的场地分类标准，首次得出我国3类场地的H/V谱比曲线及标准差[34]。黄俊等根据2016年青海门源MS6.4地震的强震数据，计算出4个高铁站的H/V速度反应谱比曲线，采用中国强震台站经验场地分类方法，利用谱比曲线的卓越周期、峰值和谱形匹配指标3个参数完成4个高铁站的场地分类[35]。

4.1 抗震设计规范中的方法

通过对中国、美国、欧洲和日本的抗震规范进行对比研究，发现不同国家采用的分类参数基本相似，包括等效剪切波速、卓越周期、覆盖层厚度、标贯击数、不排水剪强度等。不同国家通常选取一种或多种参数对场地类别进行划分，大多分为2～5类场地类别。自1989年以来，中国抗震设计规范主要选取等效剪切波速和覆盖层厚度2个参数来对场地类别进行划分。美国和欧洲场地类别划分以平均剪切波速为主，标贯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，具有很好的适用性。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贯击数和不排水剪切强度等原位测试和试验指标，以细化特殊场地分类。

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。

4.2 基于地质及地形数据法

随着对场地分类方法研究的不断深入，地震灾后救援、烈度速报等工作要求不断提高，传统抗震规范中的场地类别划分方法已不能满足实际要求，因此许多学者对估计区域性场地类别划分开展了研究。其中地表地质法、地形坡度法对于大面积场地分类取得比较好的效果。这两种分类方法在对大面积区域性场地进行划分时，不需要获取钻孔数据，因而降低了经济支出。在发生地震后，通过地质和地形资料得到的场地分类图能够迅速估计对区域的影响，可为地震救援等震后工作提供参考依据。

地表地质法受地质图的影响较大，地质编图可能会忽略较薄的风化层，而风化层对地面运动的影响较大；
另外，该方法对同一类地质单元只分配一个VS30，容易忽略单元内部的变化。地形坡度法不适用于大陆冰川作用的地区、未风化的火山岩高原区或者平坦的碳酸盐区。地表地质法和地形坡度法得到的分类结果普遍精度不高，适用于较大区域的场地分类，无法反应工程中所关心的具体局部场地情况。

4.3 利用强震记录反应谱的方法

利用强震资料的反应谱划分场地类别的方法是建立在丰富强震动记录的基础上，这种方法更直观的考虑场地条件对地震反应谱的影响。对于含有强震记录较多的美国、日本等地区，H/V谱比法对于强震台站的场地分类取得较为理想的效果，是目前基于场地分类的一种较为成熟可靠的方法。对于缺乏钻孔数据的区域，该方法可以做为很好的补充。与传统场地分类方法相比，强震记录反应谱法不仅更为经济高效，而且场地划分结果可以应用于实际工程中。

卓越周期划界法的优点是简单易操作，但是不足之处也较明显，例如HVRS曲线出现多个相近的峰值时，场地卓越周期并不唯一，这种现象经常出现于土层性质分层差异较明显的场地。实际情况下，对于SC IV 类和SC III类场地，软弱土层对于地震动在长周期放大十分显著，卓越周期能较好地体现这种场地特征。相反对于SC I类和SC II类场地，地震动在高频部分虽有放大但不是很显著，而且往往出现多个峰值，用卓越周期确定场地是SC I类还是SC II类显然很模糊。另外，HVRS计算需要单一台站的多条强震动记录才能较清楚的确定其场地卓越周期，如果台站记录很少量，该方法成功率将大大降低。

谱比曲线匹配法相比于卓越周期法，大大提高了场地分类的成功率，尤其是对于SC I类、SC III类和SC IV类场地，但对与SC II类场地无明显改变，如果配合S波在场地上覆盖层 20 m 内的传播时间成功率会有明显提升。在划分强震动台网场地类别时，SC I类场地划分错误为SC II类和SC III类的20%，SC III类场地的划分错误是SC II类场地的35%以上。

谱比形状一致法相比于谱比曲线匹配法，除SC II类场地，其他类别场地分类成功率略有提高。该方法实质上是目标HVRS曲线与四类场地的HVRS曲线之间的形状相似度比较，并没有考虑两者谱比值的大小。

工程场地分类是抗震设计的基础性工作。中国和美国、欧洲、日本抗震设计规范中的场地类别划分所选用的参数对应本国的场地及经济发展情况，国家科技水平越高，经济发展越好，实际场地分类中所使用的参数指标要求越高。而且，不同年代关于场地类别划分的最新研究方法也基本应用到同年代建设抗震设计规范中对于场地类别划分的要求中。我国现在使用的建筑抗震设计规范[6]经过7次的修订和更新，已通过大量实际工程的检验，根据场地覆盖层厚度和等效剪切波速的双参数分类法适用于我国工程抗震和岩土工程勘察的实际情况。

随着防震减灾要求的提高，需要对重点地区的地震危险性进行预测，而且大震发生后需对震害进行快速评估，这都需要考虑大范围的区域型场地条件。因此基于地质地形数据的方法应运而生，通过利用地质或地形资料推算不易获得的VS30分布实现区域性的场地分类。这2种方法目前主要为震后快速响应和地震灾害评估服务。

对基于强震记录的H/V谱比场地分类方法已经用于中国、日本、伊朗、意大利、美国等强震台站的场地分类，并取得了较为理想的效果。尽管我国强震动观测在台网规模和密度、强震动记录的获取能力和质量、数据积累等方面与日本、美国等发达国家尚有一定的差距，但近年来我国强震动记录数量增加较快，谱比法在我国工程场地分类中应用也越来越得到重视，并可作为与传统的抗震设计规范场地分类方法的一种有益补充。同时，随着强震动台站钻孔资料的逐渐完善，适用于我国场地的谱比法场地分类方法将进一步得到发展。