郭 鋒， 吳東明， 許國富， 伋雨林

(1．中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071;2．湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北 武漢 430056;3．華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院;b．控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

從20世紀(jì)初至今近110年的時間里，我國(含臺灣)發(fā)生的7．0級以上地震有76次，8．0級以上地震有11次［1］。我國強震觀測臺站數(shù)量及強震觀測數(shù)據(jù)較少，地震動研究多選用美國等國家和臺灣地區(qū)的強震數(shù)據(jù)，然而我國與國外和臺灣地區(qū)規(guī)范場地分類的差異，直接妨礙和影響了對國外和臺灣地區(qū)強震數(shù)據(jù)的利用，因此尋找我國與國外和臺灣地區(qū)規(guī)范場地分類指標(biāo)間的關(guān)系，以便有效地利用國外和臺灣地區(qū)強震數(shù)據(jù)，具有重要意義。呂紅山等［2］通過對美國幾十個臺站場地勘探資料的分析得出結(jié)論，按美國規(guī)范計算的30 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs30＜150 m/s對應(yīng)于我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008版)》［3］(以下簡稱“01 抗震規(guī)范”)的Ⅳ類場地;150 m/s＜Vs30＜260 m/s對應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅲ類場地;260 m/s＜Vs30＜510 m/s對應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅱ類場地;Vs30＞510 m/s對應(yīng)于01抗震規(guī)范的Ⅰ類場地。由于勘探資料數(shù)據(jù)過少，其結(jié)論難以被接受［4］，本文收集了235個臺站場地的詳細勘探資料，進一步研究此問題。

1 抗震規(guī)范場地分類比較

我國及臺灣地區(qū)與美國、歐洲、日本抗震設(shè)計規(guī)范場地分類標(biāo)準(zhǔn)見表 1［3，5～8］，由表 1 可見，美國、歐洲及臺灣抗震設(shè)計規(guī)范均采用地下30 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs30作為場地分類指標(biāo)，01抗震規(guī)范依據(jù)場地覆蓋土層厚度H和地下20 m(當(dāng)H＜20 m時取H)深度范圍內(nèi)的等效剪切波速Vs20進行場地分類。美國規(guī)范將Vs30大于760 m/s定義為堅硬土或軟基巖，將Vs30大于1500 m/s定義為硬基巖;歐洲規(guī)范將Vs30大于800 m/s定義為基巖;01抗震規(guī)范將Vs20大于500 m/s定義為基巖。周錫元等［5］認為，等效剪切波速大于500 m/s的硬土層定義為基巖，是遷就鉆探深度的一種不得已的做法。作者認為，Vs20大于500 m/s在嚴(yán)格意義上不能算是基巖，只能算是堅硬土或軟基巖，建議將基巖根據(jù)美國或歐洲規(guī)范定義為 Vs20大于760 m/s或800 m/s。

由于場地分類標(biāo)準(zhǔn)不同，在沒有場地勘探資料或場地勘探資料不完備的情況下，無法按照01抗震規(guī)范對國外或臺灣地區(qū)臺站場地進行分類。例如勘探深度只有30 m，30 m以上土層剪切波速均低于500 m/s，無法確定其覆蓋土層厚度，則不能根據(jù)01抗震規(guī)范進行場地分類，但可根據(jù)美國、臺灣規(guī)范進行分類。這意味著國外或臺灣地區(qū)的許多強震記錄不能為我國利用。美國等國家和臺灣地區(qū)提供了較多臺站場地地表以下30 m的等效剪切波速Vs30。因此，有必要尋找我國與美國等國和臺灣地區(qū)場地分類間的關(guān)系，使其強震記錄能為我國地震動研究所利用。

表1 中外抗震設(shè)計規(guī)范場地分類標(biāo)準(zhǔn)比較

2 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)主要來源于:(1)美國ROSRINE計劃及USGS地質(zhì)調(diào)查等，ROSRINE計劃自1997年起，對60個自由場地強震臺站的土層特性進行了詳細勘察，勘探深度均在100 m以上，經(jīng)統(tǒng)計，能按照01抗震規(guī)范確定類別的臺站場地有86個;(2)臺灣強震測站場址工程地質(zhì)資料庫，作者向臺灣地震研究中心申請，得到了150個臺站的場地勘察資料，其中能按照01抗震規(guī)范確定類別的臺站場地有91個;(3)日本KIK-NET基巖強震觀測臺網(wǎng)，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)從1997年開始建立KIK-NET臺網(wǎng)，對轄區(qū)內(nèi)的681個臺站的場地進行了詳細勘察，本文從中選用了46個臺站:(4)歐洲SISMOVALP計劃，該計劃由德國、法國、意大利等國發(fā)起建立，本文從中選取了12個臺站。故從四個國家或地區(qū)選取能按01抗震規(guī)范進行分類的臺站總數(shù)為235個。

3 中外抗震規(guī)范場地分類對應(yīng)關(guān)系

將235個臺站場地分別按照美國IBC2006和01抗震規(guī)范進行場地分類，分類情況見表2、表3。

表3 按01抗震規(guī)范臺站場地分類

從表2可見，按照IBC2006進行分類，C、D類場地最多。從表3可見，按01抗震規(guī)范分類，Ⅱ類場地數(shù)據(jù)最多，且在所選美國、臺灣、歐洲臺站場地中，Ⅱ類場地數(shù)據(jù)約占70%，這與01抗震規(guī)范在場地分類中有意識擴大Ⅱ類場地的范圍，把Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ類場地的范圍縮得較小有關(guān)［9］。本文選取的臺站場地，Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ場地均占有相當(dāng)比例，數(shù)據(jù)具有代表性。

依據(jù)IBC2006和01抗震規(guī)范，分別計算出235個臺站場地對應(yīng)的Vs30和Vs20，求出Vs30和Vs20的自然對數(shù)值，再以lnVs30為橫坐標(biāo)，lnVs20為縱坐標(biāo)，將01抗震規(guī)范與IBC2006場地分類進行對比，見圖1。

圖1 我國與美國規(guī)范場地分類對比

由圖1可見，01抗震規(guī)范Ⅰ類場地包含美國A、B類及部分C類場地，Ⅱ類場地包含部分C、D類場地，Ⅲ類場地包含部分D類和少部分E類場地，而Ⅳ類場地則大致對應(yīng)E類場地。由于兩國規(guī)范場地分類的指標(biāo)不同，導(dǎo)致場地分類的差異較大。

圖1的絕大多數(shù)點的規(guī)律性較強。其原因是兩國規(guī)范都采用了等效剪切波速來作為場地分類指標(biāo)，由于計算原理相同，故Vs20和Vs30存在著對應(yīng)關(guān)系。

對圖1中的特殊點進行分析。H點為美國APEEL#2臺站場地，其地質(zhì)情況較為特殊，在0～2 m處剪切波速為250 m/s，在2～10 m處剪切波速為74 m/s，在57～100 m處剪切波速為507 m/s，求得 Vs30為 133．8 m/s，Vs20為 114．3 m/s。本場地存在較厚的軟夾層，且57～100 m處剪切波速為507 m/s，處在確定場地覆蓋層厚度的邊界，若以場地覆蓋層厚度57 m來劃分場地，即為Ⅲ類，若以場地覆蓋層厚度100 m來劃分場地，即為Ⅳ類，故H點處在Ⅳ類所在區(qū)域。

J點為美國Oakland Outer Harbor Wharf臺站場地，覆蓋土層厚度為131．5 m，求得Vs30為248．7 m/s，Vs20為 252．2 m/s，該場地 Vs20稍大于 250 m/s，剛超出Ⅲ類場地范圍，按01抗震規(guī)范場地分類即為Ⅱ類場地。

K點為日本AOMH08臺站，覆蓋土層厚度為81 m，求得 Vs30為 292．6 m/s，Vs20為 246．1 m/s，該場地Vs20稍小于250 m/s，不夠Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，按01抗震規(guī)范場地分類為Ⅲ類場地。

從J點和K點的地質(zhì)資料來看，K點臺站場地條件優(yōu)于J點臺站。J點和K點在Ⅱ和Ⅲ類場地分界處出現(xiàn)交錯的情況，是因為把復(fù)雜的場地簡單地劃分為幾類所致。

M點為日本IWTH18臺站場地，在表層2 m以下是剪切波速為680 m/s以上的土層或巖石，該場地的計算深度為2 m，求得Vs20為180 m/s，Vs30為920．4 m/s，此類場地由于覆蓋土層厚度控制了計算深度，使得計算深度較小，導(dǎo)致M點偏離總體分布趨勢，其他的特殊點亦如此。

N點為臺灣TCU064臺站場地，各層土的剪切波速均大于400 m/s，覆蓋土層厚度為6 m，求得 Vs30為647 m/s，Vs20為 447．8 m/s，該場地 Vs20小于500 m/s，不夠Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，按01抗震規(guī)范場地分類即為Ⅱ類場地。按照01抗震規(guī)范，在場地分類指標(biāo)邊界處，覆蓋土層厚度相差1 m，等效剪切波速相差1 m/s，即被判為兩類不同類別的場地，以上H、J、K、N點及附近點即是這種情況的反映。

對于以上情況，01抗震規(guī)范［2］條文說明指出:(1)對于有較厚軟夾層的場地土層，可根據(jù)分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整場地類別和設(shè)計地震動參數(shù);(2)在邊界線附近(±15%范圍)，允許使用插值方法確定其Tg值。因此，以上特殊點尚屬正常情況。

根據(jù)圖1，結(jié)合235個臺站場地資料，在綜合考慮上述特殊點的情況下，得出IBC2006場地分類指標(biāo)Vs30值與01抗震規(guī)范場地類別的對應(yīng)關(guān)系如表4。

表4 Vs30值與01抗震規(guī)范場地類別對應(yīng)關(guān)系

對圖1數(shù)據(jù)進行擬合，其結(jié)果見圖2，建立ln(Vs20)與ln(Vs30)關(guān)系式為:

式(1)的相關(guān)系數(shù)為0．854，符合工程精度要求。依式(1)即可由其他國家或地區(qū)臺站場地的Vs30求出對應(yīng)于01抗震規(guī)范的Vs20，為我國充分利用國外場地資料提供可能。

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)有臺站場地勘探資料的研究發(fā)現(xiàn)，我國同美國等國家和臺灣地區(qū)抗震設(shè)計規(guī)范的場地分類指標(biāo)存在對應(yīng)關(guān)系，這為按01抗震規(guī)范對國外和臺灣地區(qū)臺站場地進行分類提供了方法，也使全面而有效地利用國外和臺灣地區(qū)強震記錄成為可能。

［1］ 胡聿賢．地震工程學(xué)［M］．北京:地震出版社，2006．

［2］ 呂紅山，趙鳳新．適用于中國場地分類的地震動反應(yīng)譜放大系數(shù)［J］．地震學(xué)報，2007，29(1):67-76．

［3］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008版)［S］．

［4］ 李廣軍，趙 艷，王文仲，等．場地條件對設(shè)計反應(yīng)譜最大值的影響［J］．工程抗震與加固改造，2009，31(1):114-118．

［5］ International Code Council， InternationalBuilding Code(IBC2006)［S］．

［6］ European Committee for Standardization．Eurocode 8:Design of Structures for Earthquake Resistance［S］．2004．

［7］ 建築物耐震設(shè)計規(guī)範(fàn)及解說［S］．臺灣:內(nèi)政部建築技術(shù)審議委員會，2005．

［8］ Building Standard Law(BSL)［S］．Toyko:The Building Center of Japan(BCJ)，2000．(in Janpanese)

［9］ 周錫元，樊水榮，蘇經(jīng)宇．場地分類和設(shè)計反應(yīng)譜的特征周期——《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》修訂簡介(八)［J］．工程抗震，1999，19(4):3-8．