关于场地和地基地震效应评价的若干问题探讨
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内容摘要:针对现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中有关场地地段的划分、覆盖层厚度及场地类别的确定、饱和土液化判别、软土震陷、全新世活动断裂等岩土工程问题进行探讨,并结合工程实践经验,提出了合理的观点或建议,与同行们进行探讨,同时也作为岩土工程师对场地和地基地震效应进行评价时作参考借鉴。
关键词:场地和地基;地震效应;场地类别;软土震陷;活动断裂
一、前言
场地和地基地震效应评价是岩土工程勘察的重要内容之一。
现行的三种国家标准:《岩土工程勘察规范》(GB50021―2001)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007―2002)明确规定,抗震设防烈度等于或大于6度的地区,勘察设计时应进行场地和地基地震效应评价。
场地和地基地震效应评价评价内容一般包括:场地基底的地震加速度;覆盖层厚度和土的剪切模量不同,会产生不同的地面支运动;地面运动是否会造成场地和地基的失稳或失效,主要是考虑液化、震陷、滑坡、崩塌等;地表断裂造成的破坏,主要是活动断裂蠕动、突然错动造成建筑物剪切破坏;局部地形、地质构造的局部变化引起的地面异常波动所造成的破坏进行建筑抗震地段划分的主要原因。
现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定,选择建筑场地时,应按表1划分对建筑抗震有利、不利和危险地段。(见表1)
此外,对场地或场地邻近存在岩质陡坡时,尚应具体分析岩层(岩体)的结构特征,尤其是软弱结构面产状,及其与坡面的关系,节理、裂隙发育情况以及破碎程度,评价其稳定性,再按上述原则划分地段。
国内对震害实例的调查及理论分析表明,局部地形地貌、土质条件对震害影响是明显的,因此工程勘察中一定要根据地形地貌查明地基范围内有无故河道、暗滨、埋藏凹地、沟壕、浅埋基岩起伏等微地貌,特别是在地形、土质变化的交界位置,地震时对上部结构有较大影响。场地较大时应对不同地段进行分区划分,以便选择建筑场地时选择有利地段,避开不利地段、不在危险地段建设或采取有效措施,即工程地质建设适宜性分区。
三、建筑场地类别的划分
在建筑物抗震设计中,对建筑场地类别的划分相当地重要,按我国目前的勘察设计体制,是由岩土工程勘察单位采用剪切波速测试结合建筑场地条件(覆盖层厚度)确定建筑场地类别。
(一)钻孔剪切波速的测试
关于剪切波速,《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)则采用地面下20m且深度不大于覆盖层厚度范围内土层的等效剪切波速值。等效剪切波速是按公式1、2计算的。
Vse=do/t 1
t=∑(di/Vsi)(i=1…n)2
式中Vse――土层的等效剪切波速;
do――计算深度(取20 m和覆盖层厚度二者的较小值);
t――剪切波在地面至计算深度之间的传播时间;
Vsi―― 计算深度范围内第i层土的剪切波速;
di――计算深度范围内第i土层的厚度;
n――计算深度范围内土层的分层数。
(二)场地土类型的划分
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)对场地土类型的划分,按表2,主要依据土层的剪切波速度或其承载力特征值。(见表2)
大量的岩土工程勘察资料表明,在城市区域内,近地表人工堆积层或被扰动的地层分布范围很广,而且厚度可达数米,由于填土的成分不同,其强度和剪切波速度一般低,但局部偏高,严重影响了20m以上场地土层等效剪切波速度值。对于一般高层建筑物,该层土往往被挖除,不作为基础持力层。在考虑该层土是否参加场地土层等效剪切波速度值计算的问题上,以及如何取值参与计算,应根据实际情况确定。
(三)场地覆盖层厚度的确定
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定,建筑场地类别的划分应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表3划分为四类。(见表3)
从上表可以看出,场地覆盖层厚度的大小对场地类别的划分影响是很大的,而岩土工程勘察中有时会遇到拟建场地存在大面积堆填或大面积开挖的情况。若大面积填方或挖方厚度较大时,如何确定场地覆盖层厚度,将对场地类别的划分产生影响。
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定:场地覆盖层厚度的确定,一般情况下,应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。当建筑场地设计整平标高与现有地面标高相差不大时,可按现有地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面确定;若建筑场地存在大面积、大厚度的挖方或填方,场地设计整平标高与现有地面标高相差较大时,本人认为应按整平标高至剪切波速大于500m/s的土层顶面距离确定。
(四)建筑场地类别的划分还应考虑的因素
1.基础埋深
建筑物基础通常分为浅基础和深基础,浅基础是指建筑物基础位于地面下0.0～5.0m范围内的基础持力层上;深基础是指建筑物基础位于5.0m以下数米深处的基础持力层上。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)给出的建筑场地类别划分主要依据自然地面下20m范围内土层的性状和覆盖层的厚度,而不考虑建筑物的实际基础埋深;如果考虑基础埋深,即基础下20 m 范围内土层的性状,往往建筑场地类别可以提高。
对于高层建筑且有地下室好几层,基坑开挖超过20m,桩长35m,若仍以地面下20m深度进行评价确定场地类别,则此范围内仅仅包括基础埋深以上的土层。
2.复合地基
换填垫层法是否可以改变建筑场地类别?
人工填土的成因具有极不均匀性,堆填时间短,成分复杂等特征,受人为影响因素控制。对待人工填土层在20m深度内的波速贡献,我们可以这样推理:一般的人工填土层沉积时间为几十年～几百年,近几年甚至近期在场地的弃土仍属人工填土的范畴。那么,某场地假定覆盖层厚度为51m,自天然地面以下20m深度范围内土层等效剪切波速值为249m/s,按规范判定其建筑场地类别为III类;若在勘察以前对场地浅层人工填土挖除2m,采用均匀性及密实度好的土层碾压处理,处理后的填土层仍然隶属于填土层,再行勘察时20m深度范围内土层等效剪切波速值必然大于250m/s,由此就会得出建筑场地类别为II类的结论。
3.其它地基处理方法是否也可以改变建筑场地类别?
对于深部地基处理后,提高基础下地基土的强度和变形模量外,还提高了地基土的抗震性能。天然地基经加固后,地基土承载力可较大的提高,地基土的性状得到了很大的改善。如果按照天然地基,该场地20m 范围内土层承载力特征值加权平均值200Kpa,则为中硬场地土。由此可以给出天然地基为Ⅲ类建筑场地、复合地基则为Ⅱ类建筑场地的结果。
4.地震动参数的确定
《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),为工程技术人员确定地震动参数提供了基本依据,《建筑抗震设计规范》GB50011_2001为我国主要城镇中心地区地震动参数确定提供了依据。岩土工程勘察要提供的地震动参数主要为:抗震设防烈度、设计基本地震加速度值、抗震设防分组、场地设计特征周期、常时微动卓越周期。
地震动参数的确定时还应该考虑二个方面:一是建筑物抗震设防类别,《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)和《建筑抗震设计规范》(GB5001I_2001)适用于一般建设工程抗震设防,而对重大工程、可能发生严重次生灾害的工程、核电站和其它有特殊要求的核设施建设工程需做专门研究,《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2004)所规定的甲类建筑、乙类建筑不是一般建筑,属于抗震设防要求高的重要工程,要进行专门研究。一般建筑允许按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施,包括丙类建筑和丁类建筑。二是建筑场地情况,就建筑场地而言下列情况也需做专门研究:(1)位于地震动参数区划图分界线附近(相关规定中将地震动峰值加速度区划图峰值加速度分区界限两侧各4km界定为分界线附近);(2)某些地震研究程度和资料详细程度较差的边远地区(地震研究较差地区)。岩土勘察设计工程师要准确把握这一要求,就需要注意搜集地方地震研究部门的资料。
5.地震液化问题
地震液化判别是岩土工程勘察时经常遇到的问题。对饱和粉土、砂土进行液化判别,首先要进行初步判别,初步判别时考虑:(1)地质年代;(2)细粒土含量;(3)天然地基的建筑的基础埋深、地下水埋深和上覆非液化土层厚度。在依据地质年代和细粒土含量判为可液化土层,还需要根据基础埋深、地下水埋深深和上覆非液化土层厚度判别。
当初步判别认为需进一步进行液化判别时应采用标准贯入试验判别法判别地面下15m深度范围内的液化;当采用桩基或埋深大于5m 的深基础时,尚应判别15～20m 范围内土的液化。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值时应,判为液化土。当有成熟经验时尚可采用其他判别方法。
在地面下15m 深度范围内液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:
Ncr=N0[0.9+0.1(ds-dw)](3/ρc)1/2(ds≤15) (3)
在地面下15～20m 范围内液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:
Ncr=N0(2.4-0.1ds)(3/ρc)1/2(15≤ds≤20) (4)
式中 Ncr 液化判别标准贯入锤击数临界值;
N0 液化判别标准贯入锤击数基准值应按表4采用;
ds 饱和土标准贯入点深度(m);
ρc 粘粒含量百分率当小于3 或为砂土时应采用3。
由液化机理可知,液化产生是由于地震时饱和粉土、砂土孔隙水压力上升所致,当基础埋深较小、上覆非液化土层较厚、地下水埋深较深时,初判天然地基不考虑液化影响,是由于考虑基础底以下非液化土层达到一定厚度而起到的约束作用,并不代表其深部饱和粉土、砂土地震时土层不发生液化。
桩基础设计时,仍然要穿透液化层,计算该层桩侧摩阻力时,仍然要考虑发生地震液化的影响。对于复合地基,由于处理方法很多,应具体分析,为提高承载力而设计的桩体,桩端不可放在可液化土层及其以上;基础底以下非液化土层达到一定厚度,满足初判可不考虑液化条件时,可等同天然地基对待,一般情况下,基础和上部结构设计,不再考虑液化土层影响。
6.软土震陷问题
软土震陷是指地震作用下软弱土层塑性区扩大或强度降低而使建筑物或地面产生的附加下沉,一般是较大面积的地面下沉,多见于软弱粘性土层。虽然震陷问题在科学试验和理论研究中得到证实,在宏观震害调查中,也证明它的存在,但当前很难进行可靠预测和计算,《岩土工程勘察规范》(GB50021―2001)也仅作为推荐性条款列出。岩土工程师应根据建筑物类别、在进行地基处理等时,进行具体分析,采取适宜的抗震措施。
7.活动断裂的影响
全新活动断裂为在全新地质时期(一万年)内有过地震活动或近期正在活动,在今后一百年可能继续活动的断裂;全新活动断裂中、近期(近500 年来)发生过地震震级M≥5级的断裂,或在今后100 年内,可能发生M≥5级的断裂,可定为发震断裂;对全新活动断裂的准确鉴别和合理评价,其对建筑抗震乙、丙、丁类建筑工程的影响是断裂勘察的核心内容。
鉴别活动断裂一般从地形地貌特征、地质特征、地震特征和历史记录等几个方面进行调查判定。(见表5)
活动断裂对工程影响,地震时老断裂重新错动直通地表,地面产生错位,对建造在位错影响带上的建筑,产生不同和度的破坏,不是简单地用能用工程措施避免的断裂。
全新活动断裂有缓慢蠕动和突然错动两种基本活动方式。蠕动在活动断裂带普遍存在,现代活动速率代表今天的活动水平,可以此作为活动断裂工程评价标准之一,历史的和地质的活动速率可以作为参考。资料研究显示,中国东部地区的活动断裂,现代活动速率 ≥1.0mm/a(Ⅱ级),西部地区活动断裂,现代活动速率 ≥5.0 mm/a的活动断裂,将有可能发生中强级以上地震。突然错动将导致地震,强震对工程建筑的破坏也最大,因此,活动断裂工程是否具有震中烈度≥6°的发震条件,特别重要的是它是否具别震中烈度≥8°的发震条件,震中烈度6°基本对应5级地震,震中烈度8°基本对应6级地震稍强。同时,要考虑第四系未受错动的覆盖层对产生地震断层的抑制作用,覆盖层厚度越大,越对抗震有利。
在此还要特别强调三点:第一活动断裂往往具有分段活动特征,强震往往发生在活动深断带的特殊部位,如活动断裂破碎交汇处、活动断裂两端、多次强震重复发生地段等,同一断裂在不同地段的破坏影响是不同的。第二无覆盖层的断裂,一旦发震破坏严重,应注意判定是否为全新活动断裂。主要靠分析研究断层破碎带,采取断层泥样品实测地质年龄来确定是否属于活动断裂。第三平均活动速率>1.0mm/a是《岩土工程勘察规范》(GB50021_2001)强烈全新活动断裂判定标准之一、震级≥6级也是《岩土工程勘察规范》(GB50021_2001)中等全新活动判定标准之一。
四、结论
场地和地基地震效应评价是岩土工程勘察设计的重要内容之一,关系设计人员对于基础埋深、型式的选择、地基处理方式、地基抗震设防、承压力的验算等。本人结合工程实践,就现行规范中该部分内容的认识,浅谈了几点见解,供同行们探讨。
参考文献:
[1]《岩土工程勘察规范》(GB50021―2001),中国建筑工业出版社,2002
[2]《建筑地基基础设计规范》(GB50007―2002),中国建筑工业出版社,2002
[3]《建筑抗震设计规范》(GBS0011―2001),中国建筑工业出版社,2001
[4]《建筑地基基础技术规范》(DBJ13―07―2006),福建科学技术出版社,2006
[5]《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),中国建筑工业出版社,2001