第六讲--场地抗震性能评价和处理

6-1第六讲场地抗震性能评价和处理董津城国内外历次地震破坏经验表明，一次地震中地面建筑的破坏轻、重除与地震强度，建筑物抗震性能有关外。尚与建筑物所在的场地条件有密切的关系，这已被世界各国工程抗震专家学者所公认。场地特性主要表现在二个方面：一方面由于场地的工程地质、水文地质、基岩构造及地形条件的差异，引起建在场地上各类建筑的振动特性变化造成某些建筑破坏重或轻。如：软土较厚的场地在同一个城市中高层建筑破坏严重，而低层刚度大的建筑破坏较轻，（国内外实例较多在此不在阐述）。另一方面是场地、地基稳定性遭到破坏，（如：地基土液化、震陷、地表位错、边坡失稳等），本讲重点介绍以下四方面内容：断裂评价、液化判别、地形评价、桩基设计。一、断裂工程抗震评价1现状断裂对工程影响的评价，长期以来不同学科之间存在着不同看法。经过近些年地震区考察及不断地交流研究成果，尤其近些年对地震现场地表地裂对工程影响的专项考察，如：1970年云南通海地震地表断裂研究，1976年唐山地震地表断裂考察等认为：所谓要考虑断裂对工程影响主要是发震断裂地震时与地下断裂构造直接相关的地表地裂位错带，也就是有些学者称之为地震时老断裂重新错动后直通地表的地裂位错带。建在这类位错带上的建筑破坏是不易用工程措施加以解决的，因此规范中划为危险地段应予避开。至于与发震断裂间接相关的受应力场控制所产生的地裂（如分支及次生地裂），根据唐山地震时震中区地裂的实际探查及地面建筑破坏调查结果（唐山强震区工程地质研究，1981，中国建筑科学研究院），认为此类地裂带，对经过正规设计建造的工业与民用建筑影响不大，地裂缝遇到此类建筑不是中断就是绕其分布，仅对埋藏很浅的排污渠道及农村民房有一定影响，而且可以通过工程措施加以解决，并不是所有地裂均需考虑避开。这是近些年对断裂的工程影响新的认识，修订规范时应给予充分的考虑。至于地震强度一般在确定震中烈度时已给予考虑。2关于烈度小于8度可不考虑发震断裂对地面建筑错动影响问题目前我国抗震设计规范的设防均是按概率水平考虑的，如：考虑小震时的超越概率为63%左右，考虑遭遇到中震时超越概率10%，考虑罕遇地震时超越概率3%左右。说明按设防水平进行设计时，当遭遇到地震时仍可能有少量建筑超出设防水平的破坏，并不是保证100%都不会遭到破坏；也可以理解为设防水准线并不是统计中的外包线，这是根据我国经济状况决定的。同样考虑不同烈度出现地表地裂对建筑有无影响的地震强度界线时，也应按出现的概率大小确定。根据工程地质学报（工程地震专利1998.3Vol.6No.1）6-2蒋溥研究员的统计资料表明：中国大陆地震断错形变——震级概率分布图，可以明显地看出当M=6.5级时有95%的断裂不会出现地表地震断错形变，仅有个别地震才有可能出现。1989年编制中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》时，也曾对13个国家的历史地震资料做了统计分析，从分析结果可以明显地看出仅在8°或8°以上时才会出现地表地裂。新中国地震烈度表在地表现象一栏的描述中明确提出：当地震烈度8°或8°以上时地表才会出现明显的裂缝。因此，根据大量地震实例综合分析结果确定，在地震烈度为8°及8°以上时才需考虑地表位错对工程建筑影响是较为适宜的。3关于隐伏发震断裂上覆土层厚度对地面建筑影响问题自从抗震设计规范提出发震断裂的概念后，在地震及地质界曾提出凡是活动断裂均可能发生地震。经过不断交流协商，工程中的发震断裂主要为可能产生M≥5级以上的地震断裂这种看法取得了一致，岩土工程勘察规范也给出明确定义，但对活动断裂来讲有一个什么时间活动过，工程上才需考虑的问题。经过不断深入研究交流看法，在活动断裂时间下限方面已取得了一致意见：即对一般工业与民用建筑只考虑1.0万年（全新世）以来活动过的断裂，在此地质期以前活动过的断裂可不予考虑，对于核电，水电等工程则考虑10万年以来（晚更新世）活动过的断裂，晚更新世以前活动过的断裂亦不予考虑。目前尚有分歧的看法是关于隐伏发震断裂的评价问题，在基岩以上覆盖土层多厚？是什么土层？地面建筑就可不考虑下部断裂的错动影响。根据我国近年来地震宏观地表地裂考察，各学者看法不够一致。有人认为30m厚土层就可以不考虑对地面建筑影响，有些学者认为是50m，还有人提出用基岩位错量大小来衡量，如：土层厚度是基岩位错量的25~30倍以上就可以不考虑等等。唐山地震震中区的地裂经建设部综合勘察研究设计院详细工作后证明这些地裂不是与地下岩石错动的发震断裂直接相关的直通地表的构造地裂，而是由于地面振动，地面应力形成的表层地裂，仅分布在地面以下3.0m左右的范围，下部土层并未断错（挖探井证实）。在采煤巷道中也未发现断错。对有一定埋深的正规建筑地裂缝不是绕开就是中断，对建筑本身没什么影响。另据中国地震局地质研究蒋溥研究员对覆盖层厚度对断错地表形变影响的研究结果，如下表：覆盖层厚——断错形变影响指数表覆盖层厚度（m）02020-5050M≥7.51.00.60.30.17.5M5.51.00.30.10M5.51.00.100鉴于上述种种看法，在缺乏实际地震现场可靠资料的情况下，为了对此问题做进一步深入研究，由北京市勘察设计研究院在建设部抗震办申请立项，对发震断裂上覆土层厚度对工程影响做了专项研究。本次研究主要采用大型土工离心机模拟实验。此实验主要优点是可以将缩小的模型通过提高加速度的办法达到与原型应力状况相等的状态。这是其它模拟实验（如振动台试验方法等）所解决不了的，为了模拟断裂错动专门加工了模拟断裂突然错动装置，可进行垂直与水平二种错动，其位错量大小是根据国内外历次地震不同震级条件下，位错量统计分析结果确定的。根据邓起东（1992）；蒋溥（1993）和WellsD.L.K.J.coppersmith(1994)等人整理的世6-3界和中国的地震地表位错资料情况，国外共112次地震资料，国内共49次地震资料。国外地震断裂地表位移与震级资料第六讲表3.1震级平均位移量（m）平均值（m）M=6.0-6.90.903.501.000.300.900.250.452.100.500.100.150.200.180.900.541.200.681.500.250.100.670.480.501.000.080.500.181.100.200.640.600.600.600.031.200.450.111.700.230.540.630.600.932.000.800.200.20M=7.0-7.91.902.593.302.003.003.301.352.904.602.001.851.500.660.500.571.802.163.500.602.102.800.556.456.602.140.801.301.630.500.522.300.862.602.051.501.201.540.800.956.202.95注：小于6级和大于8级地震未参加统计国内地震断裂地表位移与震级资料第六讲表3.2震级位移量（m）平均值（m）M=6.0-6.9水平2.002.402.000.241.66垂直0.300.761.200.400.67M=7.0-7.9水平1.502.507.4010.505.507.002.005.501.508.003.907.502.001.635.002.902.703.600.551.532.200.90垂直4.001.501.501.102.003.005.603.002.752.002.095.505.501.201.305.250.950.500.500.200.701.100.300.50注：大于8级地震未参加统计按上述统计结果实验时的位错量定为1.0-4.0m，基本上包括了8°、9°情况下的位错量。上覆土层按下不同岩性，不同厚度分数种情况，通过离心机提高加速度，当达到与原型应力条件相同时，下部突然错动，观察上部土层破裂高度，以便确定安全厚度。从现有实验结果看，垂直位错比水平位错时的破裂高度大，当下部基盘位错量为1.0～3.0m时其上覆土层最大破裂高度约20m，当下部基盘位错量达到4.0～4.5m时其上覆土层破裂最大高度为30m。按照土工试验一般常规取值方法并考虑地震动的影响综合考虑安全系数取为3。据此提出了8°、9°时上覆土层安全厚度界限值分别为60m、90m。应当说这个结果是初步的，可能有些因素尚未考虑，也可能安全系数偏大，但毕竟是第一次有模拟实验为基础的定量提法，与以往的宏观经验和有关的理论计算均很接近，可以说有一定的可信度。对于特殊地震地质条件下的特殊工程尚可召开专家论证会加以确定。4关于避让距离问题地震时发震断裂在地表形成的地裂带宽度大小，既受到震级的影响，亦受到滑动类6-4型、地形地貌、沉积物沉积环境特点的影响。一般震级愈大，形成的地裂带宽度愈大，倾滑型比走滑型影响宽度要大，平原地区比基岩出露区要大。地震地表地裂展布常具有雁列、平行、共轭和不规则等形式，可以分布在有一个相当宽的条带范围内，除了有一个相对位移大，延伸长的主地裂外，在其两侧常分布有一些位移相对较小，延伸相对较短的分支或次级地裂。走滑型断裂基本上沿原有断裂迹线出现或在较小的宽度范围内移动，正断裂除有一主地裂带外，在其上盘一定宽度范围内一般发育有众多的次级地裂。就目前资料来看，我国地震断裂多为走滑型，新产生的地震地表地裂主要分布在原有发震断裂带附近，分布宽度较小。根据蒋溥等人对中国断错形变最大宽度资料的统计分析，给出断错形变最大宽度概率指数如下：第六讲表4.1断错形变宽度（m）概率指数小于1000．5100~3000．4300~5000．2大于5000．05从地震地表地裂对建筑影响的近期研究成果认为，真正对建筑物影响较大的是与发震断裂直接相关的直通地表的较窄的地裂，其外围与发震断裂间接相关的各种应力造成的地裂一般对正规建筑影响不大。综合上述情况后提出避让主断裂带的距离：8°时乙类建筑为300m，丙类建筑为200m，9°时乙类建筑为500m，丙类建筑为300m，甲类建筑应专门研究。应该说明的是这是在统计意义上对一般情况而言的，在这个距离以外影响较小，但不是保证100%的绝对安全的距离。对特殊情况的建筑尚可请有经验的专家进行论证，确定适宜的避让距离。在综合上述三方面研究成果后，本次修订规范中在第四章中增加了4.1.7条。4.1.7场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价，并应符合下列要求：1对符合下列规定之一的情况，可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响：1）抗震设防烈度小于8度；2）非全新世活动断裂；3）抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m、90m。2对不符合本条1款规定的情况，应避开主断裂带，其避让距离不宜小于表4.1.7对发震断裂最小避浪距离的规定。发震断裂的最小避浪距离（m）表4.1.7烈度建筑抗震设防类别甲乙丙丁8专门研究300m200m—9专门研究500m300m—6-5二、关于地基液化判别修订情况《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）颁发后，在执行过程中，关于饱和砂土、粉土液化判别方面，曾有些单位和学者对于初步判别中的第1款提出一些不同看法。另外随着基础埋置深度不断加深，普遍要求液化判别的深度应增加。现将这二方面问题在本次修订中的考虑与修订意见简介如下。1关于初步判别第1款《建筑抗震设计规范》（BGJ11-89）颁发后，在执行中不断有些单位和学者提出液化初步判别中第1款在有些地区不适合。从举出实例来看多为高烈度区（10°以上）黄土高原的黄土状土，很多是在古地震考察中从描述等方面判定液化的，没有地震液化与否的实际数据，仅有些例子是用现行公式判别的结果。规范中初判的提法是根据解放后历次地震对液化区与非液化区实际考察、测试分析后得出来的。从地貌单元来讲这些地震现场主要为河流冲洪积形成的地层，没有包括黄土分布区及其它沉积类型。如唐山地震震中区（路北区）为滦河二级阶地，地层年代为晚更新世（Q3）地层，地震烈度10°，震后考察、钻探测试表明，地下水位为3-4m，表层为3.0m左右的粘性土，其