海外工程岩土抗震参数选取

2020-06-18赵树光沈明云

水运工程 2020年5期

赵树光，沈明云

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

随着“一带一路”的发展，中国在境外承接的项目越来越多，特别是在东南亚、非洲、美洲等地区比较集中。在项目执行过程中，经常遇到选择抗震参数、液化计算等问题。项目所在国家主要以不发达国家或发展中国家为主，很多国家抗震资料和体系不全，如非洲刚果金某码头项目存在缺乏抗震区划图的问题，马来西亚东海岸铁路项目存在线路长、地域广、抗震参数不好选取等问题。中标抗震规范已经比较成熟，形成了以建筑抗震设计规范和区划图相结合的体系，编制报告时参数选取非常方便，但在执行境外项目过程中，一般以英标、美标和欧标为主，部分国家如印尼、菲律宾等编制了自己的抗震设计规范，不同体系下设防目标、设计标准、参数选择都存在明显差异。部分项目虽在境外，但仍然采用国标，而参数来源于当地，技术人员在编制地勘报告时往往不知如何提供，设计人员对参数的来源也存在困惑，因此在承担境外项目时，既要研究中标参数的来源和含义，又要结合国外标准做好对比分析。在此基础上对已经完成的项目进行总结，系统性提出参数选取流程很有必要，更有针对性和可操作性，为以后承接海外项目、项目投标等提供指导和借鉴。

1 中国抗震规范的演变

我国是一个地震多发的国家，完善抗震规范以及积极吸取国外先进经验势在必行。

建国前我国没有完善的抗震体系[1-2]，20世纪50年代开始建立了区划图，1959年以苏联设计规范为蓝本，提出了采用反应谱进行设计的理念，1964年完善形成了1964规范。之后结合唐山地震和汶川地震经验,抗震设计规范总共经历了6次大的修订：第1次，TJ 11—1974《工业与民用建筑抗震设计规范》；第2次，TJ 11—1978《工业与民用建筑抗震设计规范》；第3次，GBJ 11—1989《建筑抗震设计规范》；第4次，GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》；第5次，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》；第6次，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》2016版[3]。各个地区和行业也编制了相关的抗震规范，如JTS 146—2012《水运工程抗震设计规范》、JTGTB 02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》、DGJ 08-9—2013《上海抗震设计规范》、GB 50111—2006《铁路抗震设计规范》、GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》等，逐渐形成了完善的抗震体系文件，其中国标以两图一表[4]和抗震规范相结合为特征。

中标抗震规范涉及的主要概念为：抗震设防烈度、地震基本烈度、设计基本地震加速度、设计特征周期、超越概率、土的类型、场地类别、地震分组、重现期等。从中标的演化来说，具有以下特征：逐渐与国际接轨，采用多级设防目标和概率设计理念，设计超越概率与欧标一致；地震区划图中动力放大系数提高到了2.5，与国外标准一致，同时根据中国国情提出了设计分组的概念；土的分类更加细化，提高了土的波速值，如软弱土波速值提高到了150 ms；结合国内外经验，液化公式逐渐由线性过渡到对数型，且偏于安全考虑，见图1。

注：Ncr为SPT锤击数临界值,ds为深度，N0为贯入器预打入土中15 cm的锤击数。

图1 液化对比

易犯错概念主要为超越概率和设计分组等，海外项目确定峰值加速度一般要先确定超越概率，否则极易导致选错参数，设计分组中第3组是为更安全考虑，比如汶川地震前成都主城区为第1组，后调整为第3组，如考虑远震的影响在液化计算时可按第3组确定调整系数。

2 中外标准岩土抗震参数对比分析

2.1 主要海外项目

表1选取了部分代表性国家的地勘项目，列举了区划图的收集以及峰值加速度的情况。大部分国家都建立了区划图，部分国家有完善的抗震设计规范，特别是地震高发国家。以印尼为例，目前已经更新到12版，如果是纯外资项目，一般根据业主要求并结合当地习惯采用英标、美标或欧标。少数非洲不发达国家或小国基础设施落后没有区划图等资料可利用，随着中国影响力的增加，中标逐渐得到了推广使用，也得到了业主的认可；大部分国家都为抗震峰值加速度较高的国家，东南亚以印尼和菲律宾为代表，美洲以墨西哥为代表，具有跨度大、极限值非常大的特点，非洲总体来说地震影响较小。

表1 部分国家的区划图情况

2.2 抗震体系及设计原则

中标设计原则[5]：一直贯彻三水准目标，即小震不坏、中震不倒、大震可修的原则。采用3个水准烈度和对应的设防目标：建筑物处于正常使用状态、非弹性工作阶段、较大的非弹性变形，对应的状态为多遇、设防、罕遇，超越概率分别为63%、10%、2%～3%，重现期分别为50、475、1 600～2 400 a，重现期和超越概率可以通过经验公式计算：

TR=-TLln(1-PR)

(1)

式中：TR为重现期；TL为超越概率对应的年限；PR为超越概率。区划图给出各种概率之间加速度换算的经验范围值，为便于使用，表2给出了平均值。中标的主要设计原则见表2。

表2 中标设计原则

注：PGA为峰值加速度。

中外抗震体系及设计原则差异较大，主要表现为：美标设计原则和设防目标较单一，体系文件相对较多，超越概率要求较高(一般为2%)，欧标与中标超越概率一致(10%)，中标只有对核电等项目才采用极罕遇地震。基准地层中标一般为Ⅱ类场地，而国外标准基本以岩石为基准；动力放大系数区划图已经调整为与海外标准一致，抗震规范仍采用2.25，重大项目一般采用2.5，更合理安全，也与国际接轨，量大面广的项目可采用2.25。与中标不同，境外项目一般没有设计远震、近震、中震的概念，也没有涉及到地震分组，按照中标进行液化评价时则缺乏对应的参数。在没有充足数据的前提下可按设计不利即设计远震(第3组)考虑。中外标准对比见表3。

表3 中、美、欧标准抗震标准对比

注：英标与欧标类似，本文选择欧标作对比。

2.3 土类的划分

土层类别划分的基本原则一样，即按照土的力学特性来划分，国内场地划分为5类：Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，土的类型划分为软弱土至岩石5大类；美标或欧标一般划分为6类或7类。中外标准土层分类的对比见表4。

表4 中外标准土的分类对比

我国早期土层划分较简单，1978版抗震规范场地土划分只有3类：Ⅰ(稳定岩石)、Ⅱ(松砂或软土)、Ⅲ(填土等)，场地是不分类的，仅仅根据感性认识分类，没有具体的指标或参数；1989规范开始扩展到4类土，开始结合波速试验和承载力分类，并首次结合覆盖层的厚度确定场地类别，为以后的规范奠定了基础；后面经过陆续修订最终分为5类，并且波速也适当提高，与国外标准接近。

土层分类基本原则一致，但参考指标不相同。中标侧重用波速，欧标及美标侧重用标贯和不排水抗剪强度(黏性土)判别，执行较方便，黏性土的分类如无抗剪强度可按经验(表5)或Skempton经验公式通过SPT换算。中标与欧标的最大波速接近。中标软弱土最大波速调整到150 ms，偏安全考虑，同时与国际接轨，硬质岩石接近欧标。中标不涉及等级，只有土类的定名，仅有场地才确定等级，场地分类采用双参数确定。美标波速一般为英制单位，存在单位换算的问题。

表5 黏性土分类对比

2.4 抗震区划图和峰值加速度

除了少数不发达国家外，国外一般都结合国情编制了抗震区划图，选取峰值加速度时注意以下事项：

1)峰值加速值PGA不是一个固定的值，需要确定一个前提，即采用什么基准地层和超越概率，国外一般按岩石考虑，我国是按Ⅱ类场地确定。超越概率也各不相同，我国对应的概率为50 a超越10%，重现期为475 a，有的国家给出了几种概率的区划图，不同概率之间的PGA可以相互换算[6]。

2)获取PGA常用的方法包括：①根据项目经纬度查阅USGS(美国地质勘探局)网站，获取有关参数，通过参数SS和S1(分别为0.2 s和1 s处B类场地的设防加速度)换算得到峰值加速度；②收集当地地震部门的区划图等资料；③查阅网站GSHAP(全球地震灾害评估计划)，和USGS一样，受限于地震资料收集，往往与当地的规范相差较大，一般以当地规范为准；④强地震地区一般要做专题评估报告，这是最可靠的方法，且一般要做反应谱试验，可以得到更精确的结果，以菲律宾某电厂项目为例，由有资质的公司做了专题研究；⑤专家会议法，会议一般由业主发起，由地震方面的专家讨论决定，统筹结合各自方法的优缺点，共同承担责任。以菲律宾某电厂项目为例，专题报告采用不同研究手段得到场地的3种加速度值，但并没有给出推荐值；会议上专家通过讨论协商确定采用平均值作为最终的峰值加速度采用值。

我国最新的区划图2015版，吸取汶川地震、日本311大地震经验，给出了两图(地震动峰值加速度区划图和特征周期区划图)，确立了双调整(加速度和场地类别相结合)原则，区划图非常详细，可以查到具体的乡镇；国外一般只是给出大概的范围，类似于等值线图，没有细分到具体城市或乡镇，不便于查找，只能根据大致的位置确认。以马东铁为例，马来西亚为地震灾害少的国家，但受到印尼等邻近国家的影响，抗震也逐渐受到重视，不同部门(建设部门和地矿部门)也提出了区划图，但存在不统一的问题。该项目总长超过500 km，跨越多个州，仅提供一个单一的峰值加速度值不合理，根据地矿部门提供的区划图，并将拟建线路叠加于区划图上，推算得到PGA一般为0.04g～0.06g，给出了不同里程范围的推荐值。

2.5 反应谱和特征周期

2.5.1反应谱异同

中标反应谱在1989规范以前没有直线上升段，直接以平台段开始，从1989规范开始引入上升段，其基本形状逐渐与国际接轨[7-8]，动力放大系数中标依然采用2.25，比国外标准小，在速度下降段中标引入衰减指数，位移下降段按直线下降，总体下降得较慢。反应谱特征对比见表6。

表6 中外标准反应谱特征对比

注：T为反应谱周期；Fa为场地放大系数；Ss为B类场地0.2 s处的设防加速度。

2.5.2特征周期

中标的反应谱平台起始段为固定值0.1 s，特征周期一般由场地类别和分组两个因素确定，可查规范和区划图确定，区划图上标明了每个地区具体乡镇的特征周期。

美标涉及到3个时间节点：平台段起始周期T0、平台段末端周期TS、长周期TL，其中TL可以从USGS给出的长周期过渡周期图中查出。

T0=0.2SD1SDS

(2)

TS=SD1SDS

(3)

式中：SD1、SDS分别为反应谱曲线中周期为0.2 s和1.0 s处的设计地震加速度。

欧标平台段起始周期TB、平台段末端周期TC、确定位移范围的起始点周期TD直接查表确定。中美标准实际上是考虑场地类别和分组，欧标只考虑了场地类别。

2.6 液化判别

中外标准液化评价方法差异较大，国外常用的方法为NCEER法[9-10]、SEED法，NCEER法实际是一种简化的SEED法，涉及的概念主要是水平剪应力比CSR和抗液化强度比CRR。NCEER法已经在巴基斯坦、墨西哥等海外项目中得到了应用。其计算公式如下：

(4)

CSR=(τavσ′vo)=0.65(amaxg)(σvoσ′vo)γd

(5)

γd=

(6)

FS=(CRR7.5CSR)·MSF

(7)

(8)

式中：CSR为水平剪应力比；CRR7.5为震级为7.5级的抗液化强度比；γd为应力折减系数；N1为考虑上覆压力为100 kPa时SPT能量效率为60%时修正后的SPT击数；τav为地震产生的平均剪应力；αmaxg为地面最大加速度与重力加速的比值；σv0和σ′v0为土层的垂直总应力和总有效应力；z为深度;MW为抗震烈度；MSF为烈度影响系数；FS为安全系数，大于1时一般为不液化。中标的液化公式综合了各国的经验，并结合我国的国情，采用人工神经网络推算得到，公式较简单，方便使用，且SPT不必修正，一般偏于保守，目前中标还未得到国外咨询公司的认可。

2.7 关系转换

2.7.1简易转换法

利用经纬度查阅USGS网站得到SS和S1，并根据USGS的说明文件得到换算公式：PGA=SS(2×2.5)，查阅中标区划图再乘以放大系数得到场地加速度值。SS和S1分别为B类场地反应谱0.2 s和1 s处的设防加速度值。

2.7.2常规转换法

根据反应谱特征，换算关系推导如下[11-13]：

(9)

(10)

由上述公式推算得到：

PGA=Fa·SS(β·rCN)

(11)

式中：Fa为场地放大系数，可查表求得；PGA为中标峰值加速度值；β为动力放大系数；rCN为超越概率换算系数。

2.7.3其他

如已经查得加速值，一般只须按照超越概率换算，再按场地类别放大。转换过程中注意采用的标准，只有美标才会涉及SS和S1；动力放大系数一般按2.5计算，超越概率换算系数可按表2计算；先转加速度再确定放大系数，放大系数每个国家不一样。

2.8 报告中抗震章节

如项目采用英标或欧标，在编制报告的过程中注意报告类别的差异。英标报告一般分为FR(事实报告)、GIR(分析报告)和GDR(设计报告)，强调责任明确，FR侧重实施过程和完成情况，GIR侧重对数据进行验证和分析，参数的采用强调设计人员经验，最终的参数会在GDR中体现。对于抗震参数如提交的是FR报告，不须提供相关参数，GIR报告只须提交相关区划图基础数据即可，实际使用的具体参数要在GDR报告中体现，另外还须根据咨询公司的意见确定是否提供参数。

3 抗震参数选取流程及案例分析

根据上述分析，对于海外工程在编制地勘报告时可按图2的流程选取参数，下面以3个案例来分析具体的工程项目抗震参数的选取。

图2 抗震参数选取流程

案例1：非洲小岛国，基础设施落后，一般以2～3层建筑物为主，缺乏区划图，某拟建码头地勘项目执行中标，采用简易换算法，由USGS网站(图3)得到SS=0.16g,S1=0.06g，根据USGS说明文件得到岩石类的PGA=0.16g(2×2.5)=0.032g，场地类别为Ⅱ类，需要乘上放大系数1.25，得到场地(Ⅱ类场地)加速度为0.04g，特征周期取0.4 s，此类方法计算方便，依据USGS的补充文件，一般咨询公司都给予认可。

图3 USGS网站提供的参数SS和S1

常规换算法如下：PGA=FaSS(βrCN)=1.2×0.16g(2.5×1.9)=0.04g，如采用美标计算得到特征周期为0.53 s，场地类别为SC类。两种方法得到的峰值加速度基本相同，如采用不同规范特征周期有差异。

案例2：巴新某码头项目执行中标，巴新是一个地震多发的国家，建立了成熟的抗震区划图，因靠近澳洲，与澳洲标准比较接近，借鉴了澳洲标准的经验。查阅GSHAP网站(图4)得到的基岩峰值加速值为0.17g，而根据最新版的当地区划图为0.25g，本次选取了0.25g，场地为Ⅳ场地，再根据中标区划图文件进行放大，得到场地Ⅳ类场地加速值为0.26g。

图4 GSHAP网站确定PGA

案例3：巴基斯坦某码头项目执行英标，场地存在一层较厚的粉细砂③1层，SPT平均击数为14.4击，按英标为中密状，选择钻孔NK11分别按照NCEER和中标进行液化评价，按美标计算结果为不液化，按中标为中等液化，通过反算得到美标的临界击数，均小于中标临界击数，验证了中标计算结果偏于保守的结论，计算结果见表7和表8。