工程場地抗震韌性評價指標體系

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摘要：闡述了工程場地抗震韌性的概念；圍繞穩(wěn)定性和恢復力兩個韌性特征，分析了場地條件及特征參數、地震危險性、地震地質災害、工程對場地的功能要求、地震危險性分析能力、資源保障能力、應急管理能力等因素對工程場地抗震韌性的影響；在此基礎上構建了工程場地抗震韌性評價指標體系。利用該評價指標體系，并借助合理的評價方法，可實現工程場地抗震韌性的定量評價。

關鍵詞：工程場地；抗震韌性；穩(wěn)定性；恢復力；指標體系

中圖分類號：TU435"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0074-07

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0007

0"引言

作為一種突發(fā)性自然災害，地震造成的人員傷亡和經濟損失是十分慘重的。隨著社會經濟的快速發(fā)展，僅僅保證城市震后安全已無法滿足防震減災工作的需求。抗震韌性概念的提出為解決現代城市和重大基礎設施遭受嚴重地震破壞之后產生的重要功能中斷，重建難度大、時間長，社會代價巨大等問題提供了新的思路，成為防震減災領域的研究熱點和前沿學科（翟長海等，2018）。

近年來，國內外大量學者對城市和重大基礎設施的抗震韌性評價進行了研究，如翟長海等（2018）對國內外關于城市抗震韌性評估的研究進行了較全面的綜述，并提出了城市抗震韌性的關鍵科學問題及韌性提升策略；李倩等（2019）通過文獻調研將供水系統(tǒng)抗震韌性概括為地震安全性和震后恢復能力兩方面的內容，分析了供水系統(tǒng)抗震韌性評價指標，提出了供水系統(tǒng)地震韌性評價模型；俎林和黃勇（2020）以公路橋梁的跨中撓度與跨徑的比值作為損傷指標進行主梁的易損性分析，在此基礎上結合損失函數和恢復模型計算得到韌性評價指標，提出了一種針對維修加固橋梁的抗震韌性評價方法；周穎等（2023）以屈曲約束支撐-鋼框架為例定量分析了國內外相關標準對建筑抗震韌性評級上的差異與共通之處；賈俊峰等（2022）系統(tǒng)總結了單體橋梁和橋梁網絡的抗震韌性評估方法，分析了橋梁抗震韌性結構的研究方向和未來發(fā)展趨勢；尚慶學等（2019）將醫(yī)療系統(tǒng)劃分為不同的醫(yī)療功能單元和子系統(tǒng)，建立了醫(yī)療系統(tǒng)抗震韌性評估指標體系，并運用層次分析法確定了指標體系中各指標的權重系數；宗成才等（2021）充分考慮地震動輸入、管網連通性能評估及修復過程3方面的不確定性，提出了技術、組織及社會3個維度下的燃氣管網抗震韌性定量評估流程；Jacques等（2014）用系統(tǒng)功能隨時間變化曲線所圍面積來表示醫(yī)療系統(tǒng)災害韌性，采用不同關鍵醫(yī)療服務水平加權求和來量化醫(yī)療系統(tǒng)功能；Cimellaro等（2016）從時間和空間兩個尺度構建韌性評價指標，提出將PEOPLES框架用于社區(qū)抗震韌性定量評估。

城市及城市中的各類重大基礎設施都修建在一定的工程場地之上，其安全性和穩(wěn)定性與工程場地的抗震性能密切相關。工程場地在遭受地震作用后可能發(fā)生砂土液化、軟土震陷、地表破裂、地面沉降、滑坡和崩塌等地質災害，影響城市和重大基礎設施的安全性及災后重建。薄景山等（2022）指出，理論上城市和重大基礎設施的抗震韌性評價應當考慮場地韌性的問題，工程場地抗震韌性評價是城市和重大基礎設施抗震韌性評價的重要組成部分。目前，地震工程領域關于工程場地抗震韌性的相關研究較為薄弱，在已有的城市和重大基礎設施抗震韌性評價中鮮有工程場地抗震韌性評價的內容，如周燕國等（2022）通過對新西蘭基督城REHS強震臺站記錄信號進行水平與豎向譜比分析，發(fā)現場地剛度會在震后經過數天的快速恢復后進入相對穩(wěn)定的、緩慢的上升期，并重點揭示了震后場地小應變剪切剛度的演化規(guī)律；薄景山等（2022）基于適應性循環(huán)理論提出了場地韌性的概念，討論了場地穩(wěn)定性和抗干擾問題，提出了建立場地韌性等級評價指標體系的初步設想，并指出城市及重大工程韌性評價需要考慮場地韌性。

基于上述研究背景，本文參考城市抗震韌性、建筑抗震韌性及場地韌性的定義，嘗試將抗震韌性的概念引入工程場地，給出工程場地抗震韌性的定義。圍繞工程場地穩(wěn)定性和恢復力兩個韌性特征深入分析工程場地抗震韌性的影響因素，并構建工程場地抗震韌性評價指標體系。

1"工程場地抗震韌性的定義

“韌性”這一術語起源于拉丁詞“resillo”，涵義為“恢復到原始狀態(tài)”（Alexander，2013）。在工程抗震領域，常用韌性來評估城市和建筑物在遭受地震作用后維持與恢復原有功能的能力。Bruneau等（2003）提出了韌性社區(qū)（resilient community）的概念，將社區(qū)的抗震韌性定義為“社區(qū)吸收地震破壞并快速恢復的能力”，并用4R來表示社區(qū)抗震韌性的4個屬性，即魯棒性、快速性、冗余性和策略性。我國《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）中將建筑抗震韌性定義為建筑物在設定水準地震作用下，維持與恢復原有建筑功能的能力，并詳細說明了建筑抗震韌性評價流程、評價指標以及指標的計算方法。2022年，我國住房和城鄉(xiāng)建設部頒布了《城市工程系統(tǒng)抗震韌性評價導則》（RISN-TG041—2022），該導則將城市抗震韌性定義為城市系統(tǒng)在受到地震影響時維持或恢復其功能的能力，從地震作用后城市工程系統(tǒng)可能的功能損失情況以及功能恢復所需時間兩個維度構建了雙參數韌性評價方法，并給出了具體的評價步驟和流程。

《建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）將場地定義為工程群體所在地，它具有相似的反應譜特征，其范圍相當于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村或大于1.0 km2的平面面積。工程場地是廣義概念的場地，指新建、改建或擴建的單體或單項工程建設場地以及已有工程所在的場地，這里的工程除了包括人工建設工程，也應包括被人類利用和改造的自然體，如山坡、溶洞、河道等（李小軍，2006）。薄景山等（2022）將場地韌性定義為場地在一定強度的地質作用和人類工程活動作用后，維持和恢復場地原有功能和場地環(huán)境的能力。

工程場地可以看成是一個復雜的地質體和巖土系統(tǒng)，其抗震韌性是一個比較新的概念。工程場地抗震韌性可以定義為工程場地在遭受地震作用后，維持和恢復原有工程場地功能的能力。其實質是工程場地在受到地震影響時保持穩(wěn)定而不失效，各類工程的功能不受較大影響，且在震后采取合理工程措施處理后能快速恢復其原有場地功能的能力。工程場地的原有功能是指工程在規(guī)劃設計時所要求的能夠保障工程安全穩(wěn)定的場地性能。工程場地抗震韌性的內涵具有兩面性：一方面是工程場地的客觀屬性，其自身具有抵抗、吸收地震干擾的能力，在受到地震作用時可以在一定程度上保證城市和各類工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；另一方面，工程場地達到什么樣的抗震韌性以及震后如何采取措施恢復這一韌性是由人類主觀因素所主導的。因此，評價工程場地抗震韌性時，既要考慮工程場地在地震災害中的客觀表現，又要發(fā)揮人的主觀能動性。

2"工程場地抗震韌性的影響因素分析

由工程場地抗震韌性的定義可知，工程場地抗震韌性既表現為工程場地本身抵抗和吸收地震干擾保持穩(wěn)定的能力，又表現為在地震災害發(fā)生后人們采取的有效措施，通過有限資源將工程場地快速恢復的能力，工程場地抗震韌性應該是這兩種能力的綜合。也就是說，工程場地抗震韌性評價應包括維持和恢復兩個方面，即穩(wěn)定性和恢復力。薄景山等（2022）也指出場地的韌性主要表現在穩(wěn)定性和迅速恢復至穩(wěn)定狀態(tài)的能力。因此，本文關于工程場地抗震韌性影響因素的研究主要圍繞穩(wěn)定性和恢復力兩方面展開，并構建工程場地抗震韌性影響因素分析框架，如圖1所示。

2.1"穩(wěn)定性

工程場地的穩(wěn)定性是指工程場地在受到地震影響時其本身抵抗和吸收地震災害的能力。在地震作用下，穩(wěn)定性差的工程場地容易出現各種破壞，如地面破裂、滑坡、崩塌、地基失效、軟土震陷等，這些破壞會造成城市或重大基礎設施的重要功能中斷。不同類別的工程場地抗震穩(wěn)定性不同，工程場地的穩(wěn)定性主要與場地條件及特征參數、地震危險性、地震地質災害、工程對場地的功能要求等因素有關。

（1）場地條件及特征參數。在工程地震學研究中，場地條件指場址區(qū)內近地表的工程地質條件，主要包括地形地貌、巖土類型、水文地質條件等。場地條件對工程場地穩(wěn)定性的影響極為顯著。多次震害研究表明（同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，2008；皇甫崗，2015；薄景山等，2021），高聳孤立的山丘、強風化巖石的陡坡、條件突出的山嘴、河岸和邊坡的邊緣地帶、黃土地貌及喀斯特地貌等不利的地形地貌所在地段震害相對嚴重，場地穩(wěn)定性較差；地形平坦、地貌簡單的地段場地穩(wěn)定性較好。場地的巖土類型對場地的地震動和震害有明顯影響。通常，土層場地比基巖場地對地震動的放大效應更明顯，軟弱地基上的建筑物比堅硬地基上的建筑物震害重，基巖場地比土層場地穩(wěn)定性好。水文地質條件對場地穩(wěn)定性有重要影響，地下水的存在增大了砂土液化、軟土震陷、滑坡等地質災害隱患，一般情況下地下水埋藏越淺，震害越嚴重，場地穩(wěn)定性越差。場地特征參數通常指用以反映基巖上覆蓋的近代沉積物或土層的空間分布和動力性能的參數，包括場地覆蓋土層厚度和土層等效剪切波速等。《建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）依據覆蓋層厚度和等效剪切波速對建設場地進行分類，用以反映不同場地條件對基巖地震動的綜合放大效應。通常，場地地質條件優(yōu)良、覆蓋層厚度小、土層等效剪切波速較大的工程場地穩(wěn)定性好，抗震韌性高。

（2）地震危險性。地震危險性指城市或工程、建筑物所在場地，在未來一段時間內可能發(fā)生破壞性地震的危險程度。工程場地的穩(wěn)定性與其遭受的干擾程度有關，活動斷層、地震動峰值加速度及地震動加速度反應譜特征周期在一定程度上反映了場地內可能遭受地震作用的概率與強弱。通常活斷層發(fā)育或靠近斷層的工程場地發(fā)生地震的可能性較大，震害比較嚴重，穩(wěn)定性較差。《中國地震動參數區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）將全國根據II類場地上相當于50年超越概率10%的基本地震動峰值加速度數值和地震動加速度反應譜特征周期數值的不同劃分為不同抗震設防區(qū)域，反映了不同地區(qū)可能遭受地震作用的強弱程度。地震作用強烈的場地抗震韌性低，地震作用弱的場地抗震韌性高（張毅毅，2022）。在其它條件相同時，地震動峰值加速度及地震動加速度反應譜特征周期分區(qū)值小的工程場地遭受地震災害的危險程度低，穩(wěn)定性較好，抗震韌性高。

（3）地震地質災害。地震地質災害指在地震作用下地質體變形或破壞所引起的災害，影響工程場地穩(wěn)定性的地震地質災害隱患主要有地基土液化、軟土震陷、滑坡與崩塌等。地基土液化會造成地基失效、噴水冒砂、地面沉降及地面塌陷等破壞形式，使工程場地失去原有功能，降低了場地的穩(wěn)定性。軟土震陷是軟土地基的主要震害，指地震引起的建筑或土層的附加沉陷，軟土深度淺、厚度大的工程場地震害較為嚴重，穩(wěn)定性較差。滑坡與崩塌危險性取決于它們的發(fā)育程度，《場地地質災害危險性評估技術要求（試行）》（T/CAGHP 025—2018）對這兩種地質災害現狀評估做了詳細說明。通常，地震地質災害隱患越大，工程場地穩(wěn)定性越差、抗震韌性越低。

（4）工程對場地的功能要求。不同類別的工程重要程度不同，對工程場地功能要求也有所不同。重大工程如交通工程、通訊工程、能源工程、生命線工程、工業(yè)工程及其它重要工程，如省重點建設的大型影劇院、大型體育館、大型展覽館、會展中心及高度100米以上的高層建筑等，因其特殊性及重要性，要保證地震來臨時其重要功能不中斷，對場地抵抗地震干擾的能力要求較高。通常，滿足這一要求的工程場地穩(wěn)定性較好、抗震韌性較高。

2.2"恢復力

恢復力是指地震災害發(fā)生后，工程場地迅速從不平衡狀態(tài)恢復為穩(wěn)定狀態(tài)的能力，具體表現為地震災害發(fā)生后各相關部門有序地采取工程場地功能恢復措施，及時消除地震帶來的不利影響，將工程場地迅速恢復至原有功能的能力。工程場地的震后恢復能力主要與地震危險性分析能力、資源保障能力及應急管理能力等因素有關。

（1）地震危險性分析能力。地震危險性分析能力反映了政府部門對區(qū)域場地未來地震活動性及可能的地震地質災害的類型、程度及分布情況的掌握程度，可用地震小區(qū)劃編制的完善程度來衡量（劉莉，2009）。地震小區(qū)域劃分（簡稱為“地震小區(qū)劃”），包括地震動小區(qū)劃和地震地質災害小區(qū)劃，指對某一特定區(qū)域范圍內地震安全環(huán)境劃分，預測這一范圍內可能遭遇的地震影響分布。與全國地震區(qū)劃相比，地震小區(qū)劃更重視場地工程地質條件，尤其是局部場地條件對地震災害的影響。地震小區(qū)劃可以為城市和工程震害的預測和預防、防震減災規(guī)劃、救災措施的制定提供基礎資料，有利于政府部門在震前和震后采取適當措施減少地震損失，快速恢復工程場地功能。通常，地震危險性分析能力越強，工程場地在震后恢復速度越快，工程場地抗震韌性也越高。

（2）資源保障能力。資源保障能力是影響工程場地恢復能力的重要因素之一，可以通過經濟發(fā)展水平和應急救援人員數量反映。過往震例中（張風華，謝禮立，2001），即使是損失相近的地震災害，救災投入的人力、物資也大有不同。經濟發(fā)展水平高的城市和地區(qū)由于社會財富豐富，在恢復重建的過程中有足夠的財力和物力投入，可有效使用的社會資源較多，工程場地功能恢復的速度也更快。同時，地震發(fā)生后應急救援人員可以第一時間快速奔赴震災現場進行救援，也能減輕地震損失，為恢復重建爭取時間。綜上認為，工程場地所在城市或區(qū)域的資源保障能力越強，工程場地的震后恢復能力就越強，抗震韌性也越高。

（3）應急管理能力。地震應急預案的完備程度和地震應急演練情況可以反映相關部門的應急管理能力。建立較為完備的地震應急預案，定期舉行地震應急演練，能夠有效增強應急行動的時效性，地震災害發(fā)生后能夠按照預定的行動方案快速、有效地處置，從而大大減輕地震災害，縮短工程場地的恢復時長。地震應急預案越完備，定期開展地震應急演練的頻率越高，相關部門的應急管理能力就越強，工程場地的抗震韌性也越高。

3"工程場地抗震韌性評價指標體系

3.1"評價指標體系建立的基礎

工程場地的抗震韌性主要表現在穩(wěn)定性和迅速恢復至穩(wěn)定狀態(tài)的能力。因此，工程場地抗震韌性的評價主要有兩個方面：工程場地穩(wěn)定性的韌性水平評價和工程場地震后恢復能力的韌性水平評價，評價指標應圍繞這兩個方面進行選取。選取評價指標時，應做到有據可依，并按代表性、獨立性、可比性、可行性等原則確定，具體依據見表1。

3.2"評價指標體系構建

衡量工程場地的抗震韌性需要構建一套評價工程場地抗震韌性的指標體系，評價指標是衡量一個工程場地抗震韌性的尺度，構建工程場地抗震韌性評價指標體系是實現工程場地抗震韌性評價研究的核心內容。

目前，國內外關于工程場地評價指標的研究還處于初步探索階段，本文通過分析相關文獻以及國家規(guī)范標準，咨詢巖土抗震、工程抗震、城市防災減災等領域專家，提取并篩選工程場地抗震韌性的影響因素，以穩(wěn)定性和恢復力作為一級指標，構建了包含7個二級指標和19個三級指標的工程場地抗震韌性評價指標體系，見表2。

在未來的研究中，可將三級指標量化并給出評分標準，并運用層次分析法確定各指標的權重用于后續(xù)韌性評估。進行工程場地抗震韌性評價時，政府管理部門可以組織具有工程地質及地球物理專業(yè)背景的工程師組建評估團隊，通過收集政府部門統(tǒng)計數據和現場場地勘察資料等方法，確定各評價指標的信息，然后根據各指標的評分標準給出其評分，將各指標得分加權求和可得到工程場地抗震韌性的總得分，依據總得分可將工程場地劃分為不同的抗震韌性等級。

4"結論

本文闡述了工程場地抗震韌性的定義，分析了工程場地抗震韌性的影響因素，并構建了工程場地抗震韌性指標評價體系，主要得出以下結論：

（1）工程場地的抗震韌性既表現為其本身抵抗吸收地震災害的能力，又表現為震后通過有限資源實現快速恢復的能力，本文認為工程場地抗震韌性包括抗震穩(wěn)定性和震后恢復能力兩方面的內容，韌性也是這兩種能力的綜合。

（2）對工程場地抗震韌性做定量評價，首先應該建立工程場地抗震韌性評價指標體系，在此基礎上可利用合理的評價方法給出工程場地的抗震韌性等級。

工程場地的組成和構造極為復雜，其抗震韌性是一個比較新的概念，本文的研究工作只是工程場地抗震韌性評價研究的起步，以下問題尚需進一步研究和探索：

（1）工程場地抗震韌性的概念及評價指標體系需在實踐中進一步檢驗和完善。

（2）各級評價指標的權重有待確定，該權重反映了各指標對工程場地抗震韌性的影響大小。

（3）各三級指標的量化標準需參照各類國家規(guī)范標準給出，以便形成完整的工程場地抗震韌性評價方法。

（4）在城市和重大基礎設施抗震韌性評價中，應考慮工程場地抗震韌性的影響，并注重工程場地抗震韌性評價結果的運用。

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The Indicator System Used in Seismic Resilience Assessment of Engineering Sites

LEI Jiyong^1，2，GONG Maosheng^1，2，ZHAO Yinan^1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

The concept of seismic resilience of engineering sites is expounded.Based on the two resilience characteristics—stability and resilience，the influence of site conditions and characteristic parameters，seismic hazard，seismic geological hazard，functional requirements of the engineering to the site，seismic hazard analysis ability，resource support ability，emergency management ability on the engineering sites，seismic resilience is analyzed.On this basis，the evaluation index system of seismic resilience of engineering site is constructed.By using the assessment indicator system and reasonable assessment method，the quantitative assessment of seismic resilience of engineering sites can be realized.

Keywords：engineering site；seismic resilience；stability；resilience；indicator system

*收稿日期：2023-03-21.

基金項目：中國地震局工程力學研究所基本科研業(yè)務費專項項目（2021EEEVL0301）；國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFC1500601）；國家自然科學基金項目（52178514，51678541）.

第一作者簡介：雷繼勇（1997-），碩士研究生在讀，主要從事地震工程研究.E-mail：ljy19970807@163.com.

?通信作者簡介：公茂盛（1976-），研究員，博士，主要從事地震工程研究.E-mail：gmshiem@163.com.