3.1　场地

3.1.1　场地选择

工程场地是指工程建筑物所在地，具有相似的地震反应特征，在平面上大体相当于厂区、自然村的区域范围。

既然在不同场地条件下建筑物所受的破坏作用是不同的，那么选择对抗震有利和避开不利的场地进行建设，就能大大减轻地震灾害。但是，由于受到地震以外的许多因素的限制，除了极不利和严重危险性的场地以外，很多情况下有些场地只好被选作为建设用地，这样，就有必要按照场地、地基对建筑物所带来地震破坏作用的强弱和特征进行分类，以便按照不同场地的特点采取相应的抗震措施。这就是地震区场地选择与分类的目的，以尽量减少地基变形和失效所造成的破坏影响。

当考虑地震因素时，水工建筑物的场地选择应在工程地质勘察和专门工程地质研究的基础上，按构造活动性、边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评价，可按表3.1.1划分为有利、不利和危险地段。宜选择对抗震有利地段，避开不利地段，未经充分论证不得在危险地段进行建设。

地震时，场地破坏的实例统计表明：等于或大于7级的震区（相当于烈度9度及9度以上地震区）可能产生有害的地震断裂和大规模崩塌、滑坡，难以处理，故划入危险地段；5级以上、7级以下地震的极震区（相当于烈度6度以上地震区）就有可能产生砂土液化和不均匀沉陷，但已掌握既经济又有效的处理方法，所以划为不利地段。

我国的紫坪铺水库大坝选在距映秀-北川发震断裂带17km与二王庙断裂带之间的相对稳定地段，在2008年汶川地震时，地震烈度已由11度衰减至10度，大坝虽出现沉陷和混凝土面板裂缝，但大坝整体保持稳定，是大坝选址的一个成功案例。第2章曾提到的石冈水库重力坝3个坝段，在1999年集集大地震中被其下穿过的次断层错开造成震垮，成为大坝选址失败的一个典型案例。

3.1.2　场地土分类

场地土是泛指工程场地下的岩石和土，而通常所说的地基土是指地表以下的浅层土（10～20m厚）。

（1）土层剪切波速。在有关场地因素的分析中，往往应用到层状地基的动力性质。其中，剪切波速作为对场地土动力性质的评价在工程应用中占有重要地位。这不仅是因为它与地基的强度、变形特性等诸常数间有密切的关系（例如标准贯入试验锤击数、横向地基系数、单轴压缩强度等），而且也在于它可用较简便的仪器和方法测得，因而近些年来，在层状土地震反应分析、地震小区划的研究、土与建筑物相互作用分析、软弱地基鉴定与处理等方面获得了广泛应用。

土层剪切波速是指地震横波在岩土层内的传播速度。波速测试一般采用单孔法、跨孔法或面波法。单孔法是在钻孔中沿深度某一点设置接收三分量（一个竖向和两个水平向）震动的拾震仪（或沿深度设置多个拾震仪），并通过在地面附近孔口处进行激震（例如采用振锤敲击或其他激振装置产生脉冲能量源），如图3.1.1（a）所示。通过适当调整拾震仪位置，可获得每一位置的S波或P波冲击信号到达拾震仪的时间曲线。由任一深度处曲线的斜率，可得该深度处土层的S波或P波波速。某一实例得到的各土层波速如图3.1.1（b）所示。

跨孔法是在一孔内激振，附近另一孔内拾振，多用于剪切波速的测量。

实际工作中，一般先实测获得土层波速值，然后估算土的一些初始动参数。例如土层的初始动态泊松比为［式（1.5.44）］，土的动态剪切模量（也称最大动剪切模量Gmax）为Gmax＝［式（1.2.2）］，土的最大动弹性模量为Ed＝2Gmax（1＋ υd）。地震作用过程中，土的动泊松比υd一般变化不大，而其剪切模量G一般随土剪应变幅值的增加而减小，表现出非线性性质。

（2）土层等效剪切波速。各分层土层的剪切波速采用上述波速测试方法得到后，整个土层的等效剪切波速，即土层计算深度与地震横波在各土层内传播总时间之比，可按式（3.1.1）计算：

式中：cSe为土层等效剪切波速，m/s；h0为计算深度，m，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；hi为计算深度范围内，第i土层的厚度，m；n为计算深度范围内土层的分层数；cSi为计算深度范围内，第i土层的剪切波速，m/s。

覆盖层厚度，这里以hov表示，是指从地表面至地下基岩面的距离。从地震波传播的观点看，基岩面是地震波传播路径中的一个强烈透射与反射面，此界面以下的岩层刚度要比上部土层的相应值大很多。根据这一背景，工程上常这样判定：当下部土层的剪切波速达到上部土层剪切波速的2.5倍，且该层及下卧土层的剪切波速不小于400m/s时，该下部土层就可以视为基岩。由于工程地质勘察往往较难取得深部土层的剪切波速数据，为了实用上的方便，抗震设计规范进一步采用土层的绝对刚度来定义覆盖层厚度，即：地面至剪切波速大于500m/s且其下卧各岩土层的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离。

（3）土层平均剪切波速。土层的平均剪切波速，即各土层剪切波速取土层厚度加权的平均值，按式（3.1.2）计算：

式中：cSm为土层加权平均剪切波速，m/s；h0为计算深度，m，取覆盖层厚度hov和20m两者的较小值。

土层等效剪切波速与土层加权平均剪切波速相比，有更为明确的物理意义。可将式（3.1.1）变化为

式（3.1.3）左端表示剪切波以等效波速穿过层状地基所需要的传播时间，右端表示剪切波以不同速度穿过各层土所需时间之和。

GB　50011—2010《建筑抗震设计规范》中采用土层等效剪切波速作为场地土类型判别依据，而DL　5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》、JTJ　225—98《水运工程抗震设计规范》则采用土层加权平均剪切波速作为判别依据。实际运用时根据设计需要，决定采用哪种波速。一般情况下，土层等效剪切波速与土层加权平均剪切波速数值上相差甚小。

（4）场地土类型的划分。DL　5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》主要根据土层加权平均剪切波速确定抗震区场地土的类型，见表3.1.2。当各土层无实测剪切波速时，也可根据GB　50011—2010《建筑抗震设计规范》所规定的地基承载力特征值fak（由荷载试验测定的地基土压力-变形曲线在线性范围内的最大值，单位取kPa）进行场地土类型估计。

3.1.3　场地类别

场地类别，即根据场地覆盖层厚度和场地土类型等因素，按有关规定对建设场地进行分类，用以反映不同场地条件对基岩地震动的综合放大效应，主要是作为在抗震计算中选择设计反应谱的依据。反应谱有加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱。关于反应谱的介绍，见第5章。

水工建筑物场地类别应根据前述场地土类型和场地覆盖层厚度划分为4类，并宜符合表3.1.3的规定。

【例3.1】　例表3.1.1为某工程场地地质钻孔资料，试确定该场地土类型。

解：因为地面4.90m以下土层剪切波速cS＝500m/s，所以场地计算深度h0＝4.90m＜20m。计算土层等效剪切波速，按式（3.1.1）计算：

计算土层平均剪切波速，按式（3.1.2）计算：

由此可见，土层平均剪切波速和等效剪切波速数值相差不大。由表3.1.2查得，当250m/s＞cSm＝244.7m/s＞cSe＝236.03m/s＞140m/s时，属于中软场地土。

【例3.2】　试确定［例3.1］中的场地类别。

解：由［例3.1］可知，该场地土为中软场地土，场地覆盖层厚度hov＝4.90m，所以查表3.1.3可知，该场地属于Ⅱ类场地。

【例3.3】　例表3.1.2为某工程场地地质钻孔资料，试确定该场地类别。

解：根据建筑抗震设计规范，计算土层等效剪切波速：场地覆盖层厚度为20.70m＞20m，故取场地计算深度h0＝20.0m。将上表中数值代入式（3.1.1），得

或者，根据水工建筑物抗震设计规范，计算土层平均剪切波速：场地覆盖层厚度为20.70m＞15m，故取场地计算深度h0＝15.0m。

将上表中数值代入式（3.1.2），得

查表3.1.2和表3.1.3可知，该工程场地为Ⅱ类场地。这里，等效剪切波速大于加权平均剪切波速，是因为根据场地覆盖层厚所取值的计算深度稍有不同。

3.1.4　场地的周期特性

从震源发出的地震波在传播时，经过不同性质土层界面的多次反射、透射、散射和聚焦等物理作用，将出现不同周期的地震波，并呈现一定的带宽特征。地震波作用下，场地各层土可视为一受迫振动结构体系，本身也具有多个固有周期或频率。我们把土层在地震作用下的最大反应幅值所对应的频率，称为场地基本频率（Fundamental frequency）或卓越频率（Predominant frequency）。基本频率或卓越频率的倒数，就是基本周期（Fundamental period）或卓越周期（Predominant period）。

覆盖土层若仅由单层土构成时，场地卓越周期Ts可采用式（3.1.4）进行估计（详细推导见3.3.1节）：

式中土层剪切波速cS一般由实测得到。若无实测资料，也可根据覆盖层厚度hov按表3.1.4进行粗略估计。

覆盖土层一般由多层土构成，场地卓越周期Ts可采用下式进行计算：

式中：cSi为第i土层的剪切波速；hi为第i土层厚度；n为土层总数。

式（3.1.5）给出了场地土的第1阶固有周期估算式。对于第n阶振动周期，可由式（3.1.6）给出：

在沉积覆盖层中，波的多重反射可使振动放大。覆盖层表面的位移幅值As与其下基岩（或剪切波速大于500m/s的硬土）的位移振幅A之比（定义为放大系数）为（推导过程见3.3.1节）

式中：ω为地震动作用频率，假设传至基岩的地震动为一具有频率ω的谐波运动，在此情况下场地运动也为谐波运动；ρscSs和ρrcSr分别为波在覆盖层与在基岩中传播所遇到的阻抗，ρs和cSs是覆盖层的质量密度和剪切波速，ρr和cSr是基岩的质量密度和剪切波速。

当发生共振时，作用频率ω接近覆盖土层某阶固有频率，即满足ω＝2π/Ts，n，根据式（3.1.6），有从而

式（3.1.8）表明，位移振幅放大系数取决于基岩与覆土的阻抗之比。一般ρscSs＜ρrcSr，所以，放大系数大于1　。

场地放大效应的一个著名例子可在发生于1985年9月19日的墨西哥地震（8.1级）找到。尽管震中距约390km，但这次地震给首都墨西哥城市区的建筑物造成了意想不到的严重损伤和破坏，且有超过1万人死亡。墨西哥城坐落于过去曾是个大湖但经过长期自然和人工填埋而形成的盆地上，覆盖层平均厚约40m，其土层平均剪切波速约为80m/s，因此根据式（3.1.4）计算得到的土层卓越周期Ts约为2.0s。那些5～15层、自振周期接近Ts的中、高层建筑遭受了严重破坏。场地放大效应也在1994年美国加利福尼亚北岭地震中得到了证实。

所以，建议建筑物的自振周期与场地卓越周期之比值应尽量远离1.0。在估算场地周期时，不仅要重视地表土层情况，而且深部的土质条件也不可忽视；也应复核场地的高阶自振周期与建筑物的前若干阶主要周期的遇合可能性。建筑物的自振周期可以通过环境振动测试得到，也可以通过建立计算模型进行估算。