3.1　場地

3.1.1　場地選擇

工程場地是指工程建筑物所在地，具有相似的地震反應特征，在平面上大體相當于廠區、自然村的區域范圍。

既然在不同場地條件下建筑物所受的破壞作用是不同的，那么選擇對抗震有利和避開不利的場地進行建設，就能大大減輕地震災害。但是，由于受到地震以外的許多因素的限制，除了極不利和嚴重危險性的場地以外，很多情況下有些場地只好被選作為建設用地，這樣，就有必要按照場地、地基對建筑物所帶來地震破壞作用的強弱和特征進行分類，以便按照不同場地的特點采取相應的抗震措施。這就是地震區場地選擇與分類的目的，以盡量減少地基變形和失效所造成的破壞影響。

當考慮地震因素時，水工建筑物的場地選擇應在工程地質勘察和專門工程地質研究的基礎上，按構造活動性、邊坡穩定性和場地地基條件等進行綜合評價，可按表3.1.1劃分為有利、不利和危險地段。宜選擇對抗震有利地段，避開不利地段，未經充分論證不得在危險地段進行建設。

地震時，場地破壞的實例統計表明：等于或大于7級的震區（相當于烈度9度及9度以上地震區）可能產生有害的地震斷裂和大規模崩塌、滑坡，難以處理，故劃入危險地段；5級以上、7級以下地震的極震區（相當于烈度6度以上地震區）就有可能產生砂土液化和不均勻沉陷，但已掌握既經濟又有效的處理方法，所以劃為不利地段。

我國的紫坪鋪水庫大壩選在距映秀-北川發震斷裂帶17km與二王廟斷裂帶之間的相對穩定地段，在2008年汶川地震時，地震烈度已由11度衰減至10度，大壩雖出現沉陷和混凝土面板裂縫，但大壩整體保持穩定，是大壩選址的一個成功案例。第2章曾提到的石岡水庫重力壩3個壩段，在1999年集集大地震中被其下穿過的次斷層錯開造成震垮，成為大壩選址失敗的一個典型案例。

3.1.2　場地土分類

場地土是泛指工程場地下的巖石和土，而通常所說的地基土是指地表以下的淺層土（10～20m厚）。

（1）土層剪切波速。在有關場地因素的分析中，往往應用到層狀地基的動力性質。其中，剪切波速作為對場地土動力性質的評價在工程應用中占有重要地位。這不僅是因為它與地基的強度、變形特性等諸常數間有密切的關系（例如標準貫入試驗錘擊數、橫向地基系數、單軸壓縮強度等），而且也在于它可用較簡便的儀器和方法測得，因而近些年來，在層狀土地震反應分析、地震小區劃的研究、土與建筑物相互作用分析、軟弱地基鑒定與處理等方面獲得了廣泛應用。

土層剪切波速是指地震橫波在巖土層內的傳播速度。波速測試一般采用單孔法、跨孔法或面波法。單孔法是在鉆孔中沿深度某一點設置接收三分量（一個豎向和兩個水平向）震動的拾震儀（或沿深度設置多個拾震儀），并通過在地面附近孔口處進行激震（例如采用振錘敲擊或其他激振裝置產生脈沖能量源），如圖3.1.1（a）所示。通過適當調整拾震儀位置，可獲得每一位置的S波或P波沖擊信號到達拾震儀的時間曲線。由任一深度處曲線的斜率，可得該深度處土層的S波或P波波速。某一實例得到的各土層波速如圖3.1.1（b）所示。

跨孔法是在一孔內激振，附近另一孔內拾振，多用于剪切波速的測量。

實際工作中，一般先實測獲得土層波速值，然后估算土的一些初始動參數。例如土層的初始動態泊松比為［式（1.5.44）］，土的動態剪切模量（也稱最大動剪切模量Gmax）為Gmax＝［式（1.2.2）］，土的最大動彈性模量為Ed＝2Gmax（1＋ υd）。地震作用過程中，土的動泊松比υd一般變化不大，而其剪切模量G一般隨土剪應變幅值的增加而減小，表現出非線性性質。

（2）土層等效剪切波速。各分層土層的剪切波速采用上述波速測試方法得到后，整個土層的等效剪切波速，即土層計算深度與地震橫波在各土層內傳播總時間之比，可按式（3.1.1）計算：

式中：cSe為土層等效剪切波速，m/s；h0為計算深度，m，取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；hi為計算深度范圍內，第i土層的厚度，m；n為計算深度范圍內土層的分層數；cSi為計算深度范圍內，第i土層的剪切波速，m/s。

覆蓋層厚度，這里以hov表示，是指從地表面至地下基巖面的距離。從地震波傳播的觀點看，基巖面是地震波傳播路徑中的一個強烈透射與反射面，此界面以下的巖層剛度要比上部土層的相應值大很多。根據這一背景，工程上常這樣判定：當下部土層的剪切波速達到上部土層剪切波速的2.5倍，且該層及下臥土層的剪切波速不小于400m/s時，該下部土層就可以視為基巖。由于工程地質勘察往往較難取得深部土層的剪切波速數據，為了實用上的方便，抗震設計規范進一步采用土層的絕對剛度來定義覆蓋層厚度，即：地面至剪切波速大于500m/s且其下臥各巖土層的剪切波速均不小于500m/s的土層頂面的距離。

（3）土層平均剪切波速。土層的平均剪切波速，即各土層剪切波速取土層厚度加權的平均值，按式（3.1.2）計算：

式中：cSm為土層加權平均剪切波速，m/s；h0為計算深度，m，取覆蓋層厚度hov和20m兩者的較小值。

土層等效剪切波速與土層加權平均剪切波速相比，有更為明確的物理意義。可將式（3.1.1）變化為

式（3.1.3）左端表示剪切波以等效波速穿過層狀地基所需要的傳播時間，右端表示剪切波以不同速度穿過各層土所需時間之和。

GB　50011—2010《建筑抗震設計規范》中采用土層等效剪切波速作為場地土類型判別依據，而DL　5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》、JTJ　225—98《水運工程抗震設計規范》則采用土層加權平均剪切波速作為判別依據。實際運用時根據設計需要，決定采用哪種波速。一般情況下，土層等效剪切波速與土層加權平均剪切波速數值上相差甚小。

（4）場地土類型的劃分。DL　5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》主要根據土層加權平均剪切波速確定抗震區場地土的類型，見表3.1.2。當各土層無實測剪切波速時，也可根據GB　50011—2010《建筑抗震設計規范》所規定的地基承載力特征值fak（由荷載試驗測定的地基土壓力-變形曲線在線性范圍內的最大值，單位取kPa）進行場地土類型估計。

3.1.3　場地類別

場地類別，即根據場地覆蓋層厚度和場地土類型等因素，按有關規定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，主要是作為在抗震計算中選擇設計反應譜的依據。反應譜有加速度反應譜、速度反應譜和位移反應譜。關于反應譜的介紹，見第5章。

水工建筑物場地類別應根據前述場地土類型和場地覆蓋層厚度劃分為4類，并宜符合表3.1.3的規定。

【例3.1】　例表3.1.1為某工程場地地質鉆孔資料，試確定該場地土類型。

解：因為地面4.90m以下土層剪切波速cS＝500m/s，所以場地計算深度h0＝4.90m＜20m。計算土層等效剪切波速，按式（3.1.1）計算：

計算土層平均剪切波速，按式（3.1.2）計算：

由此可見，土層平均剪切波速和等效剪切波速數值相差不大。由表3.1.2查得，當250m/s＞cSm＝244.7m/s＞cSe＝236.03m/s＞140m/s時，屬于中軟場地土。

【例3.2】　試確定［例3.1］中的場地類別。

解：由［例3.1］可知，該場地土為中軟場地土，場地覆蓋層厚度hov＝4.90m，所以查表3.1.3可知，該場地屬于Ⅱ類場地。

【例3.3】　例表3.1.2為某工程場地地質鉆孔資料，試確定該場地類別。

解：根據建筑抗震設計規范，計算土層等效剪切波速：場地覆蓋層厚度為20.70m＞20m，故取場地計算深度h0＝20.0m。將上表中數值代入式（3.1.1），得

或者，根據水工建筑物抗震設計規范，計算土層平均剪切波速：場地覆蓋層厚度為20.70m＞15m，故取場地計算深度h0＝15.0m。

將上表中數值代入式（3.1.2），得

查表3.1.2和表3.1.3可知，該工程場地為Ⅱ類場地。這里，等效剪切波速大于加權平均剪切波速，是因為根據場地覆蓋層厚所取值的計算深度稍有不同。

3.1.4　場地的周期特性

從震源發出的地震波在傳播時，經過不同性質土層界面的多次反射、透射、散射和聚焦等物理作用，將出現不同周期的地震波，并呈現一定的帶寬特征。地震波作用下，場地各層土可視為一受迫振動結構體系，本身也具有多個固有周期或頻率。我們把土層在地震作用下的最大反應幅值所對應的頻率，稱為場地基本頻率（Fundamental frequency）或卓越頻率（Predominant frequency）。基本頻率或卓越頻率的倒數，就是基本周期（Fundamental period）或卓越周期（Predominant period）。

覆蓋土層若僅由單層土構成時，場地卓越周期Ts可采用式（3.1.4）進行估計（詳細推導見3.3.1節）：

式中土層剪切波速cS一般由實測得到。若無實測資料，也可根據覆蓋層厚度hov按表3.1.4進行粗略估計。

覆蓋土層一般由多層土構成，場地卓越周期Ts可采用下式進行計算：

式中：cSi為第i土層的剪切波速；hi為第i土層厚度；n為土層總數。

式（3.1.5）給出了場地土的第1階固有周期估算式。對于第n階振動周期，可由式（3.1.6）給出：

在沉積覆蓋層中，波的多重反射可使振動放大。覆蓋層表面的位移幅值As與其下基巖（或剪切波速大于500m/s的硬土）的位移振幅A之比（定義為放大系數）為（推導過程見3.3.1節）

式中：ω為地震動作用頻率，假設傳至基巖的地震動為一具有頻率ω的諧波運動，在此情況下場地運動也為諧波運動；ρscSs和ρrcSr分別為波在覆蓋層與在基巖中傳播所遇到的阻抗，ρs和cSs是覆蓋層的質量密度和剪切波速，ρr和cSr是基巖的質量密度和剪切波速。

當發生共振時，作用頻率ω接近覆蓋土層某階固有頻率，即滿足ω＝2π/Ts，n，根據式（3.1.6），有從而

式（3.1.8）表明，位移振幅放大系數取決于基巖與覆土的阻抗之比。一般ρscSs＜ρrcSr，所以，放大系數大于1　。

場地放大效應的一個著名例子可在發生于1985年9月19日的墨西哥地震（8.1級）找到。盡管震中距約390km，但這次地震給首都墨西哥城市區的建筑物造成了意想不到的嚴重損傷和破壞，且有超過1萬人死亡。墨西哥城坐落于過去曾是個大湖但經過長期自然和人工填埋而形成的盆地上，覆蓋層平均厚約40m，其土層平均剪切波速約為80m/s，因此根據式（3.1.4）計算得到的土層卓越周期Ts約為2.0s。那些5～15層、自振周期接近Ts的中、高層建筑遭受了嚴重破壞。場地放大效應也在1994年美國加利福尼亞北嶺地震中得到了證實。

所以，建議建筑物的自振周期與場地卓越周期之比值應盡量遠離1.0。在估算場地周期時，不僅要重視地表土層情況，而且深部的土質條件也不可忽視；也應復核場地的高階自振周期與建筑物的前若干階主要周期的遇合可能性。建筑物的自振周期可以通過環境振動測試得到，也可以通過建立計算模型進行估算。