龍秀海，丘友威，羅 沁，林家豪，胡劍波，段稱壽

（1、廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010；2、廣東粵海置地集團有限公司 廣州 510010）

0 引言

國內(nèi)外大量的地震災害表明，場地條件的好壞直接影響著建筑物地震作用下的震害程度，一般而言，場地條件是決定地震動參數(shù)（包括峰值加速度、特征周期）取值的重要因素［3-4］。海城、唐山等大地震宏觀震害資料表明：房屋倒塌率隨土層厚度的增加而增大；相對而言，軟弱場地上的建筑物震害一般重于堅硬場地［5］。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［6］中采用場地類別的方法來反映場地差異對建筑物地震的影響，在規(guī)范中則以土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度的兩個指標將場地類別劃分為Ⅰ（Ⅰ0、Ⅰ1）、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個大類。

在巖溶強烈發(fā)育區(qū)，因溶蝕作用形成大量的溶溝、溶槽，而填充溶溝、溶槽的一般為較軟弱土層，部分大溶溝軟土過深導致覆蓋層過厚使得勘察單位常把該區(qū)域場地類別往不利方向判定。本文以廣州某項目為例，針對勘察單位將局部溶溝區(qū)域判定為Ⅲ類場地進行充分論證，探討后認為本項目整體可按Ⅱ類場地進行設(shè)計，并進一步分析了場地類別的劃分對項目中T1 棟超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，為類似工程提供實際參考。

1 工程概況

1.1 基本信息

廣州白云區(qū)某辦公、商業(yè)綜合體項目總建筑面積37.82 萬m2，包括T1～T6 共6 棟高層建筑，其中：T1 塔樓建筑高度190.0 m（結(jié)構(gòu)高度175.5 m），地上40 層，地下3 層。采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），設(shè)計地震分組為第一組。項目整體結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

1.2 場地類別

本項目場地的內(nèi)隱伏巖溶強烈發(fā)育，詳勘階段勘察單位給出的波速測試成果如表1所示。本場地等效剪切波速值Vse=187.04～239.68 m/s，覆蓋層厚度介于28.00～56.70 m，結(jié)合本場地巖土層的分布情況，建筑場地類別劃分為Ⅱ～Ⅲ類。

表1 鉆孔波速測試成果Tab.1 Results of Drilling Velocity Test

為準確地反映場地類別，在安全前提下提高經(jīng)濟效益，勘察單位對整個場地按建筑規(guī)劃區(qū)域（獨立高層建筑、地庫）進行細化分區(qū)判別，結(jié)論為：所有高層構(gòu)筑物區(qū)域場地類別均為Ⅱ類；場地西側(cè)中部地庫區(qū)域場地類別為Ⅲ類，其余地庫區(qū)域場地類別為Ⅱ類，如圖2 所示（除標注Ⅲ類場地外其余均為Ⅱ類場地）。其中T1 棟塔樓西側(cè)緊貼Ⅲ類場地（T1 塔樓西側(cè)外框柱下承臺已處于Ⅲ類場地范圍），按不利原則T1 塔樓應按Ⅲ類場地進行設(shè)計。

圖2 建筑場地類別區(qū)劃Fig.2 Zoning Map of the Building Site Categories

圖2 中所劃分的Ⅲ類場地范圍對應的就是T1 棟西側(cè)大型溶溝范圍，見場地巖層等高線（見圖3）。因大溶溝范圍軟土厚度即覆蓋層厚度普遍自地面深度大于50 m，等效剪切波速在150～250 m/s 之間，故勘察單位將溶溝范圍場地類別判定為Ⅲ類。

2 場地類別劃分探討

2.1 從場地的概念探討

文獻［6］第2.1.8條規(guī)定場地是指具有相似的反應譜特征的工程群體所在地，其范圍相當于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村不小于1.0 km2的平面面積。顯而易見場地是一個宏觀的概念，劃分場地類別主要考慮地層結(jié)構(gòu)和巖土特性在宏觀上的量及變化趨勢，對一些細節(jié)及局部的變化予以忽略。巖工程勘察工作應針對“具有相似的反應譜特征”從大局上整體把握，保證場地別劃分的準確性。

項目周邊情況如圖4所示。周邊地塊離本項目均不到1 km的距離，場地類別均為Ⅱ類場地，未出現(xiàn)Ⅲ類場地。本項目只是局部出現(xiàn)了Ⅲ類場地，且對于不小于1.0 km2的平面面積的周邊地塊均為Ⅱ類場地，從宏觀上看，本項目可以整體判別為Ⅱ類場地。

圖4 項目周邊地塊場地類別Fig.4 Terrain Classification of Surrounding Plots for the Project

2.2 從覆蓋層厚度計算上探討

一般情況下，建筑場地覆蓋層厚度的確定只與天然地面有關(guān)［6-8］，即：不考慮文獻［6］中所列的其他復雜情況，一般情況下，場地覆蓋層厚度應按地面至剪切波速大于500 m/s 且其下臥各層巖土的剪切波速均不小于500 m/s 的土層頂面的距離確定。對于廣州地區(qū)巖溶強烈發(fā)育區(qū)而言，基巖的剪切波速大于800 m/s，基巖上覆蓋土層較軟弱［9］，剪切波速一般在150～250 m/s 之間，故巖溶地區(qū)覆蓋層厚度簡單來說就是地面至基巖的距離。

但高層建筑的場地類別一直是工程界關(guān)心且爭議較大的問題［6，10-11］，理論與實測均表明，一般土層中的地震加速度隨距地面深度而漸減，我國亦有對高層建筑修正場地類別（由高層建筑基底起算）或折減地震力建議。由于高層建筑埋深常達10 m以上，與淺基礎(chǔ)相比，帶來的有力影響便是基底地震輸入變小［6］。同時，本項目采用嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)地震加速度反應比采用天然地基時大大降低。

對于本項目而言，地下室開挖面積較大（約3萬m2）且深度較深（＞10 m），有效地減少了地表覆土厚度，有利于場地類別的改善［8］，設(shè)計中將考慮這方面帶來的有利影響。

本項目為3 層地下室，底板底標高為-13.7 m。根據(jù)勘察單位數(shù)據(jù)，Ⅲ類場地區(qū)域所有鉆孔（為保證數(shù)據(jù)更有代表性，讓盡可能多的樣本進入統(tǒng)計，收集了Ⅲ類場地區(qū)詳勘鉆孔及超前鉆孔共29 個鉆孔數(shù)據(jù)）的覆蓋層厚度按自地面起算和自底板底起算分別統(tǒng)計如表2所示。

表2 項目Ⅲ類場地區(qū)覆蓋層厚度Tab.2 Thickness of the Covering Layer in Class ⅢTerrain for the Project

根據(jù)文獻［6］4.1.6 條，當土層等效剪切波速為150 m/s＜Vse≤250 m/s 的中軟土，覆蓋層厚度不大于50 m 時，劃分為Ⅱ類場地。依據(jù)勘察資料，項目中軟土覆蓋層厚度平均值為60.6 m，自底板底算起中軟土的覆蓋層厚度為60.6-13.7=46.9 m＜50 m，覆蓋層厚度平均值滿足文獻［6］中Ⅱ類土的定義。如表2所示，覆蓋層厚度從底板底（標高-13.7 m）起算覆蓋層厚度大于50 m 的鉆孔共有7 個（占總鉆孔數(shù)的24.1%）。

表2 的覆蓋層厚度是按勘察鉆孔鉆探結(jié)果統(tǒng)計的，但勘察鉆孔直徑僅有0.1 m 左右，為一孔之見，局限性很大，特別是勘察鉆孔遇到了窄而深的小溶槽會導致覆蓋層統(tǒng)計厚度過深的不利結(jié)果。覆蓋層厚度也是一個宏觀的量，不應因微小的局部影響整體的評價。本工程所有勘察鉆孔均采用了管波探測的物探手段，其有效探測范圍為2.0 m，可較大程度減少勘察鉆孔的局限性，如圖5所示。

圖5 不同勘察手段覆蓋層厚度計算示意圖Fig.5 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

根據(jù)各孔柱狀圖結(jié)合管波探測結(jié)果，對這7 個鉆孔進行詳細分析。以ZK4-48 為例：本孔自底板底按勘察鉆孔深度覆蓋層厚度為64.34 m；但管波探測結(jié)果顯示，本孔勘察鉆孔鉆入小溶槽，下部土層為小溶槽充填物，標高-63.50 m以下為微風化石灰?guī)r，按管波探測結(jié)果覆蓋層厚度為63.5-13.7=49.9 m＜50 m，詳如表3 所示。需要說明的是，對于CQZ69 鉆孔：本孔自底板底按勘察鉆孔深度覆蓋層厚度為73.05 m，但標高-12 m處的以下為中硬土，以下均不屬于中軟土，底板底等效剪切波速大于250 m/s，按文獻［6］表4.1.6 判別為Ⅱ類場地。

表3 不同勘察手段計算的覆蓋層厚度Tab.3 Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

表4 T1棟超高層Ⅱ、Ⅲ類場地基底剪力計算結(jié)果對比Tab.4 Comparison of Base Shear Calculations for T1 Super High-rise Building in Class Ⅱand Class Ⅲterrains

上述區(qū)域的鉆孔自地下室底板底（-13.70 m）算起合理按管波探測結(jié)果計算的覆蓋層厚度大部分均滿足小于50 m 的要求，僅2 個鉆孔數(shù)據(jù)稍大于50 m（超過比率不大于20%），僅占該區(qū)域鉆孔數(shù)量的6.9%。將以上6 個鉆孔分析后（CQZ69 已可判別為Ⅱ類，不參與統(tǒng)計）的覆蓋層厚度與其他鉆孔進行重新統(tǒng)計，自底板底起算的覆蓋層平均厚度為43.4m，更加滿足覆蓋層不大于50 m時劃分為Ⅱ類場地的規(guī)定。此外由表3 可見，自底板底算起大部分鉆孔有一定深度的中硬土，可提高土層的等效剪切波速，有于場地類別的改善。

故本項目溶溝區(qū)域雖自地面起算覆蓋層厚度dov1＞50 m，場地類別為Ⅲ類；但合理自底板底起算覆蓋層厚度dov2＜50 m，場地類別可判為Ⅱ類，如圖6所示。

圖6 覆蓋層厚度計算示意圖Fig.6 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation

2.3 小結(jié)

無論從宏觀上場地概念進行探討，還是從微觀的從覆蓋層厚度計算上探討，本工程場地類別可以統(tǒng)一定為Ⅱ類場地進行計算與設(shè)計，并得到超限審查、施工圖審查的認可。

與此同時，亦采取措施對溶溝區(qū)域在設(shè)計上進行適當加強：①加強溶溝區(qū)域底板剛度，厚度提高到800 mm；同時采用大梁拉結(jié)跨過溶溝；②適當加大溶溝區(qū)域樁嵌巖深度，即穿過溶洞后進入穩(wěn)定巖層不小于1.5 m；③地下室結(jié)構(gòu)所有鋼筋均采用機械連接。

3 場地類別對超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

對比采用文獻［1］及文獻［2］場地類別對超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的差異，同時采用文獻［2］計算補充T1棟超高層基底剪力對比。

3.1 規(guī)范相關(guān)參數(shù)

文獻［1］與文獻［6］一脈相承，時程分析時輸入地震加速度最大值A(chǔ)max、水平地震影響系數(shù)最大值αmax、場地最小地震剪力系數(shù)λmin均未考慮場地類別的影響；文獻［2］對Amax、αmax、λmin則均合理考慮了場地類別的影響：Ⅱ類場地下Amax、αmax、λmin文獻［2］與文獻［1］一致，以Ⅱ類場地的Amax、αmax、λmin為基準，文獻［2］Ⅰ類場地Amax、αmax、λmin為Ⅱ類場地Amax、αmax、λmin的0.9倍，Ⅲ、Ⅳ類場地Amax、αmax、λmin為Ⅱ類場地Amax、αmax、λmin的1.1倍。

3.2 抗震設(shè)計反應譜

規(guī)范所采用的抗震設(shè)計反應譜以地震影響系數(shù)曲線的形式體現(xiàn)。影響反應譜形狀的因素很多，在繼續(xù)保留烈度概念的基礎(chǔ)上，用設(shè)計地震分組的特征周期Tg予以反映［5］，而影響特征周期的一個重要參數(shù)就是場地類別。

文獻［1］采用小震設(shè)計，文獻［2］采用中震設(shè)計，本項目設(shè)防烈度為7度（0.10g）、設(shè)計地震分組第一組，不同場地類別的地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 不同場地時地震影響系數(shù)曲線Fig.7 Seismic Coefficient Curves for Different Terrains

如圖7所示，在自振周期小于0.1 s即剛度很大的超短周期的結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)不受場地類別的影響外，地震影響系數(shù)隨著場地類別的提高而增大，即場地覆蓋層越厚、土質(zhì)越軟結(jié)構(gòu)所受到的地震力越大。所不同的是，對于長周期結(jié)構(gòu)（一般自振周期大于3.5 s），地震影響系數(shù)對場地的敏感性文獻［1］低于文獻［2］。

以本項目來說，第一自振周期T為4.95 s，阻尼比均取0.05，Ⅱ類場地特征周期Tg為0.35 s，Ⅲ類場地特征周期Tg為0.45 s。

按文獻［1］第4.3.8條計算：αmax=0.08；

由式⑴、⑵可知，在同一條件下，地震影響系數(shù)Ⅲ類場地αⅢ比Ⅱ類場地αⅢ文獻［1］僅提高約6%，而文獻［2］Ⅲ類場地αⅢ比Ⅱ類場地αⅢ提高達40%，說明文獻［2］充分考慮了場地類別對長周期結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 T1棟超高層基底剪力對比

從上述對比來看，場地類別的不同決定了地震力的大小，為對比實際設(shè)計計算中場地類別對工程設(shè)計結(jié)果影響程度，以T1 棟超高層計算模型為例，分別按場地類別Ⅱ、Ⅲ類采用文獻［2］進行計算（注：整個項目經(jīng)與業(yè)主、審圖單位商定采用文獻［2］進行設(shè)計），地震下基底剪力計算結(jié)果如表4所示。

由表4 的計算結(jié)果可知，當按文獻［2］設(shè)計時，在其他參數(shù)相同的情況下，同一計算模型僅改變場地類別的設(shè)置，Ⅲ類場地的調(diào)整前的基底剪力會比Ⅱ類場地增大35%左右，這與式⑵增大40%的結(jié)果相吻合，說明調(diào)整前的基底剪力即為基準地震剪力與地震影響系數(shù)基本成正比。

經(jīng)剪力調(diào)整后，基底剪力相差為10%左右，這也說明文獻［2］的最小剪力調(diào)整系數(shù)對結(jié)構(gòu)安全進行兜底，避免不同場地類別的地震剪力相差過大而導致不安全。

對于T1 棟超高層來說，按Ⅲ類場地將比按Ⅱ類場地設(shè)計時的計算地震力會增大約10%，這將間接導致工程造價增加約5%～8%。反過來說，經(jīng)過論證T1棟最終按Ⅱ類場地進行設(shè)計，相當于節(jié)約了5%～8%左右的造價。

4 結(jié)論

⑴場地是個宏觀概念，場地類別的劃分應針對“具有相似的反應譜特征”從大局上整體把握，盡量減少局部對整體的影響。

⑵在巖溶發(fā)育區(qū)，對于采用樁基礎(chǔ)的超高層建筑，場地覆蓋層厚度建議從底板底起算。

⑶相對于文獻［1］，文獻［2］對Amax、αmax、λmin均考慮了場地類別的影響，較為合理。對于長周期結(jié)構(gòu)，地震影響系數(shù)對場地類別的敏感性文獻［1］低于文獻［2］。

⑷采用文獻［2］設(shè)計時，超高層建筑（長周期結(jié)構(gòu)）按Ⅱ類場地進行設(shè)計，比按Ⅲ類場地設(shè)計節(jié)約造價約5%～10%。因此根據(jù)實際場地的地質(zhì)條件來科學、合理地判別建筑場地類別對節(jié)約工程成本具有重要意義。