巖土工程勘察中關于地震效應評價的幾點探討

劉 浩

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200093)

1 概述

近年來，國內外多次發生重大地震災害，危及人類生命與財產安全，如汶川地震、玉樹地震、智利地震、日本九州島地震等等。在建設過程中進行有效的抗震設防是防震減災的關鍵性工作[1]。我國在建設過程中遵循“先勘察、后設計、再施工”的基本程序，工程勘察是工程建設的第一道關節，而地震效應評價正是巖土工程勘察報告中重要內容之一。國標GB 50021—2001巖土工程勘察規范2009年版第5.7.1條規定，抗震設防烈度等于或大于6度的地區，應進行場地和地基地震效應的巖土工程勘察。一般巖土工程勘察報告中場地和地基地震效應評價主要包括場地抗震設計基本條件、場地液化判別、軟土震陷以及抗震地段的劃分。本文將結合筆者的工程經驗從上述四個方面就巖土工程勘察中關于地震效應評價進行探討。

2 場地抗震設計基本條件

巖土工程勘察報告中應根據國家批準的地震動參數區劃和有關規范，提出勘察場地的場地類別、抗震設防烈度、設計基本地震加速度、設計地震分組和特征周期值[2]。

2.1 場地類別

建筑的場地類別是根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度按國標GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)(后文稱國標抗震規范)表4.1.6劃分為四類，其中Ⅰ類分為Ⅰ0，Ⅰ1兩個亞類。在巖土工程勘察報告編制時需注意場地等效剪切波速與覆蓋層厚度的確定應考慮場地現狀地面標高與后期設計標高間的關系。舉例說明，筆者在進行合肥某超高層建筑勘察時，場地內有大量堆土，場地標高比周邊路面標高高約5 m～7 m，從地面處進行波速試驗測得場地等效剪切波速為232 m/s，場地覆蓋層厚度52 m，如果勘察報告按此數據進行場地類別判定，則本工程場地為Ⅲ類場地，場地特征周期值為0.45 s；但本工程場地后期需進行場地整平，整平后場地標高與周邊路面標高基本相同，故本工程需考慮勘察時場地標高與后期設計標高間的矛盾，場地類別應定為Ⅱ類，場地特征周期值為0.35 s。若貿然定為Ⅲ類場地，則本工程上部結構造價將會多出10%～15%，造成不必要的浪費。反之，若場地低洼需回填，則不能貿然定為Ⅱ類場地，從而誤導設計單位，給防震減災帶來風險。

2.2 抗震設防烈度、設計基本地震加速度以及設計地震分組

抗震設防烈度是按國家規定的權限批準作為一個地區抗震設防依據的地震烈度。一般情況，取50年內超越概率10%的地震烈度[3]。

設計基本地震加速度為50年設計基準期超越概率10%的地震加速度的設計取值[3]。

為更好體現震級和震中距的影響，建筑工程的設計地震分為三組。

上述地震動參數可根據國標抗震規范附錄A 以及GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖確定。但在編制勘察報告過程中需注意的是，國標抗震規范附錄A僅提供抗震設防區各縣級及縣級以上城鎮的中心地區抗震設計所采用的地震動參數，工程所在地的抗震設防烈度、設計分組等，需要根據具體的工程位置查閱《中國地震動參數區劃圖》確定。以筆者在廣西欽州某項目為例，項目場地位于欽南區，審圖前僅按國標抗震規范附錄A.0.20判定場地抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.10g，地震分組為第一組。

然而審圖時當地審圖專家提出，國標抗震規范附錄A僅適用于縣級及以上城鎮的中心地區，本工程場地類別應按GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖進行判定，根據區劃圖，本項目場地位于欽州港，屬于欽南區大番坡鎮，抗震設防烈度為6度，地震加速度為0.05g，地震分組為第一組。另外，當建設工程特殊時，設計抗震設防烈度高于地震動參數區劃圖規定的烈度時，應按規范或設計要求確定。

2.3 特征周期

特征周期是計算地震影響系數的必要參數，可根據設計地震分組以及場地類別按國標抗震規范表5.1.4-2確定特征周期值，地震動參數區劃圖按Ⅱ類場地基本地震動加速度反應譜特征周期分區值以及場地類別來確定特征周期，與國標抗震規范只是說法上的差異，本質是相同的。同時需注意若計算罕遇地震作用時，特征周期應增加0.05 s。

3 場地液化判別

巖土工程勘察中液化判別包括三個方面的內容：1)判別工程場地有無液化可能；2)評價場地地基土液化等級；3)提出場地地基抗液化措施。巖土工程勘察過程中在液化判別時，經常出現各種問題，比如由于場地地層條件的變化，液化判別的勘探孔數量不足3個，或者判別深度不夠，亦或者判別時出現漏層的情況。另外一個需注意的是在部分地區至今仍采用勘察期間的水位作為液化判別的地下水位，筆者認為這種做法是不可取的，應采用設計基準期內年平均最高水位或者近期年平均最高水位。

液化判別時一般采用標準貫入試驗進行，計算標貫錘擊數臨界值并與實測值比較，但在上海市工程建設規范DGJ 08—11—2018地基基礎設計規范以及行業標準JGJ—83—2011軟土地區巖土工程勘察規程中亦有采取靜力觸探試驗進行液化判別的相關條文，筆者認為采用靜力觸探是按進行液化判別有其局限性，由于其無法取樣測得土樣黏粒含量，需采用測試深度相鄰鉆孔或場地平均黏粒含量，就上海地區而言，地層分布相對穩定，但飽和砂土或粉性土局部夾黏性土的情況很普遍，相鄰孔夾黏性土的深度與厚度可能不完全一致。因此，為了避免由于引用鄰近鉆孔黏粒含量不當造成液化判別結論錯誤的情況發生，在對砂質粉土或砂土層中比貫入阻力ps或錐尖阻力qc明顯減小的夾層，宜在旁側采取土樣進行驗證。

筆者認為，巖土工程勘察過程中做好液化判別的關鍵在于及時掌握第一手地層資料，及時調整液化判別孔的位置和數量，以筆者在上海市松江區某工程為例，現場施工時，根據靜探資料發現淺部地層雜亂，且土性有一定差異，在現場根據已有資料增加液化判別孔(20個)。勘察報告編制時，由于液化判別孔數量充足，針對淺部第③2層飽和粉砂以及第⑤2-1層粉砂夾粉質黏土進行液化判別，并根據其土性變化趨勢，結合眾多液化判別孔，將場地北部劃為中等液化場地，將場地中部以及南部劃為輕微液化場地。

4 軟土震陷

國標抗震規范在汪聞韶院士液塑限判別少黏性土地震液化方法的基礎上，規定過了當抗震設防烈度為8度(0.3g)和9度時，滿足以下三個條件的飽和粉質黏土具有軟土震陷性：1)塑性指數小于15；2)天然含水量不小于0.9倍液限含水量；3)液性指數不小于0.75。筆者所在的上海為7度設防區，淺部普遍分布有第③層淤泥質粉質黏土以及第④層淤泥中粘土，該如何判別其是否有軟土震陷可能，國標抗震規范未涉及7度區軟土震陷問題，但在第4.3.11條文說明中闡述：認為7度區軟土震陷缺少研究及相關實測資料，是未知的空白。在7度區是否會產生大于5 cm的震陷是判斷是否需要考慮軟土震陷的條件，并初步認為對7度區天然地基承載力特征值fak<70 kPa時還是應該考慮震陷的可能性。上海地區第③，④層淤泥質土fak一般小于70 kPa，關鍵是看該類土層在7度設防烈度條件下的震陷量是否大于5 cm。上海地區軟土震陷的問題，相關研究成果甚少。根據同濟大學的初步研究成果，上海軟土在7度地震作用下，震陷量一般小于5.0 cm。根據工程經驗，小于5 cm的震陷量對一般房屋不致引起明顯破壞，可不考慮軟土震陷的影響。另外國家標準GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)第5.7.11條規定，抗震設防烈度等于或大于7度的厚層軟土分布區，宜判別軟土震陷的可能性和估算震陷量。其條文說明給出了軟土震陷判別標準，7度區當承載力特征值fak>80 kPa或等效剪切波速大于90 m/s時，可不考慮軟土震陷的影響。按此條規定，上海地區除新近沉積的土層或松散的填土外，一般土層的等效剪切波速均大于90 m/s，可不考慮軟土的震陷[4，5]。

若涉及其他地區勘察工程時，若場地內分布有淤泥質軟土，也可根據上述方法分析是否具有軟土震陷問題。一般來說，對新近沉積的淤泥等，應建議采取工程措施進行處理，避免軟土震陷造成不利影響。對于近距離穿越的隧道工程或其他對變形控制極為嚴格的工程，軟土震陷影響評價宜專題研究。

5 抗震地段劃分

目前一般都是按國標抗震規范第4.1.1條或地方規范相應章節將場地分為對建筑抗震有利、一般、不利和危險地段。

規范規定當場地內存在軟弱土時，應劃分為不利地段。軟弱土的劃分是根據土層的剪切波速和巖土名稱、形狀劃分的，詳見表1。

表1 土的類型劃分和剪切波速范圍

部分地區在勘察報告編制時，若涉及軟弱土，即定為抗震不利地段，建議避開或者結合建(構)筑物基礎形式采取適當的結構措施等，以消除不利地段可能造成的影響。但筆者認為，對存在軟弱土的場地是否判定為抗震不利地段尚需考慮在相應設防烈度條件下是否存在軟土震陷問題，若存在則應判定為抗震不利地段，若不存在，場地內分布的軟土則不應是不利地段的判斷依據。以上海為例，上海地區的抗震不利地段包括：臨岸場地、液化場地、大面積暗浜、大面積新近堆積的場地等，其他地段雖淺部普遍分布有厚層淤泥質土，但由于不需要考慮7度條件下軟土震陷問題，可作為一般場地。

6 結語

我國是一個地震多發國家，防震減災工作關系國計民生。工程勘察在防震減災工作中占重要先導地位，地震效應評價是勘察報告中重要內容。筆者結合既有規范以及多年來工作經驗，就場地抗震設計基本條件、場地液化判別、軟土震陷以及抗震地段劃分為四個方面進行探討，指出在地震效應評價中該注意的若干問題，以期對勘察從業者在實際工作中有所幫助。