对岩土工程勘察中抗震设计问题的探讨

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摘要：本文对地层剪切波速的经验确定和场地类别划分以及抗震设防烈度的确定等问题作出了简要的论述，可供参考！

关键词：岩土工程；勘察；抗震

一、概述

岩土工程勘察中关于抗震的问题主要有地层剪切波速的确立和场地类别的划分以及抗震设防烈度的确定、砂土液化等问题。砂土液化的问题一般可根据标准贯入试验进行定量评价。而在实际工程当中，因为受经济和工期等原因影响，多数工程没有进行剪切波速实测，场地类别划分一般由勘察设计人员凭以往经验确定，人为造成影响很大。地层剪切波速的经验确定影响场地类别确定，场地类别和抗震设防烈度又影响结构地震作用计算及抗震措施。

二、地层剪切波速的确定

弹性波速测试的方法有：跨孔法、单孔波速法（层检法）和面波法。在工程上，对于多层体系常用跨孔法，直接测定不同深度岩土层的波速；当土层软硬变化大（模量有突变）和层次较少或基岩上为覆盖层时，可用单孔法；面波法在工程上较少用。在岩土工程勘察中，主要要求是测定覆盖层且主要是20m 深度范围内土层的波速，采用单孔层检法最为简便，是现场波速试验最常用的方法。

1．钻孔剪切波测试方法及原理

野外剪切波测试仪器为SE2404 型综合工程测仪（其它浅层地震仪亦可），配合井下三分量检波器进行剪切波测试。测试方法多采用单孔叩板法（层检法），即：先在井口附整出一小块空地，安放厚木板（厚10 cm~20 cm、长150cm~300 cm），木板上压上重物，使木板紧贴地面。木板放置方向应尽量使木板中心和井口的连线垂直于木板长轴方向，板以靠近孔口1 m~5 m 为好（见图1）。然后用大锤（木锤为最好）沿水平方向在木板两端各激烈敲击一次，将同一个检波器得到的两张剪切波记录相比较，利用它们相位反相的特点，判读剪切波（S 波）的初至时。这种方法的优点是：不受试验场地的限制，较为适合于市区内的地基勘探，而且能直接可靠地给出隐蔽层（或薄夹层）的准确位置、厚度及其波速。

图1 剪切测试示意图

需注意的是：检波器应紧贴孔壁，木板紧贴地面，当重锤敲击木板时尽可能沿水平方向敲击，尽可能避开在有较大背景干扰信号的情况下进行剪切波测试，或设法改变工作方式压制干扰信号。

2．剪切波（Vsi）的计算

根据野外实测剪切波波形记录判读剪切波的初至时，再根据地层厚度计算出各地层的剪切波（Vsi）。

式中：hi（m）――第i 层地层厚度，；Li（m）――第i层深度，；l（m）―― 激发点至孔口中心的距离；Ssi（m）――第i 层地层的剪切波初至时。

3．等效剪切波速（Vse）的计算

式中：Vse――土层等效剪切波速，m/s；do――计算深度，m，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；t――剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；di――计算深度范围内第i土层的厚度，m；Vsi――计算深度范围内第i 土层的剪切波速，m/s；n――计算深度范围内土层的分层数。

三、场地类别划分

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的规定，建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准，建筑场地覆盖层厚度的确定，一般情况下，应按地面至剪切波速>500m/s 的土层顶面的距离确定。土的类型根据土层剪切波速按表1 划分为五类；建筑的场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表2划分为五类。

表1 土的类型划分和剪切波速范围

注：fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值（kPa）; Vs为岩土剪切波速。

表2 建筑的场地类别划分

注：表中Vs系岩石的剪切波速。

在岩土工程勘察实践中发现，岩土层结构和强度变化较为复杂，如何确定覆盖层厚度很困难，各种规范对覆盖层厚度的取值规定有些差异，也有些勉强；建筑抗震设计规范规定，建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：

（1）一般情况下，应按地面至剪切波速大于500 m/s且其下卧各层岩土的剪切波速均不小于500m/s 的土层顶面的距离确定。

（2）当地面5 m 以下存在剪切波速大于其上部各土层剪切波速2.5 倍的土层，且该层及其下卧各层岩土的剪切波速均不小于400m/s 时，可按地面至该土层顶面的距离确定。

（3）剪切波速大于500 m/s 的孤石、透镜体，应视同周围土层。

（4）土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖层中扣除。

根据以上几款规定可以得到：① 场地土层剪切波速随深度呈递增趋势；② 将剪切波速大于500 m/s 的硬土层定义为基岩，作为输入基准界面；③ 相邻土层剪切波速差异大于2.5 倍视为土层刚度突变，作为边界条件；④ 松散层中孤立的硬夹层予以忽略；⑤ 与基岩相连的硬夹层（如坚硬的侵入岩岩脉）作为输入边界考虑，计算覆盖层厚度时扣除硬夹层的厚度。

尽管有准确的实测的剪切波速，由于场地岩土层分布不均匀，可能并非整个场地均属于同一场地类别，即可能部分地段为Ⅱ类，部分地段为Ⅰ 类或Ⅲ甚至Ⅳ类，这对建筑物的场地类别确定造成困难，当建筑物由不相连的单体组成时，可按单体分别考虑，否则应根据上述各影响因素综合考虑确定，选择合适的基础形式，加强结构抗震措施。

四、工程实例

1 幢高层住宅楼，位于6 度设防区域，建筑面积约为2.6×104m2，25 层，框架剪力墙结构体系，嵌岩灌注桩基础。根据岩土工程勘察的资料，场地内地层由上而下主要由坡积砾质粘性土、残积砾质粘性土强风化花岗岩、花岗岩组成。在岩土工程勘察过程中对2#钻孔采用单孔法进行了现场波速试验工作，具体情况如下：在距孔口1m 处的地面上平放一块长2m，厚0.3m，宽0.4m 的木板，用汽车前轮压上，水平敲击板两边。该孔可测试深度为25m，测试时把检波器放入孔底，孔内测点间距选择1m，由下而上逐点测试。测试结果：

（1）波形记录：该孔正向敲板时测试到的S 波初至上跳的波形记录与该孔反向敲板时测试到的S 波初至下跳的波形记录初至十分吻合。

（2）计算地层的S 波速度：根据该孔的钻探资料，0~7.0为坡积砾质粘性土； 7.0~23.0 为残积砾质粘性土；23.0~25.0 为强风化花岗岩。经计算各地层的S 波速度Vsi见表3。

表3 2#钻孔各地层S 波速Vsi 一览表

（3）划分土的类型和建筑场地的类别：根据2#孔实测的S 波速度计算土层的等效剪切波速Vse=230m/s，因此，该场地土的类型为中软土，建筑场地为Ⅱ类场地。

（4）估算场地微振的卓越周期：根据2#孔实测的S 波速度估算的场地微振的卓越周期为TG=0.398s。由计算结果可知，该场地卓越周期TG 在0.1s~0.4 s 范围内，也可得出该场地类别为Ⅱ类。

（5）根据建筑物所在区域的重要性可知该高层住宅楼的抗震设防烈度应为7 度。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看