石家庄市断裂构造简述和岩土地震参数调整研究

孙立川 杨乾坤 张 乾

(河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021)

0 引言

石家庄市市辖区域跨太行山山地和华北平原两大地貌单元。石家庄凹陷位于华北平原坳陷区的冀中凹陷区西南隅(见图1)。西临保定-石家庄断裂[1]，东临邢衡凸起。

图1 河北省新构造单元划分图(局部)[1](粗线为二级构造单元，细线为三级构造单元，圆表示历史地震；I华北平原坳陷区；I2冀中凹陷；I3沧县凸起；I4黄骅凹陷；I6邢台衡水凸起；I7临清凹陷)

石家庄市及邻区是华北平原地震带的一部分，受华北地震区地震活动的制约和影响。1966年3月21日的邢台地震震中宁晋东旺村[2-3]位于石家庄市辖区边界东南2.35 km，距市中心仅60 km，震级7.2级，震源深度9 km，震中烈度为10度。2015年版中国地震动参数区划图把石家庄的地震分组从第一组调整至第二组，把辛集市的地震设防加速度由0.10g调整为0.15g，反映了这种制约和影响[4]。

随着经济发展，石家庄市市区面积逐步扩大，原来研究程度不高的市郊农村也开始了大规模的城市建设。本文整理、汇编了石家庄城区主要地质构造的特征，并对断裂进行活动性判别、分级。针对石家庄城区地层分布特点讨论了场地分类和错划场地分类对建筑结构设计的影响，分析了与场地类别划分密切相关的反应谱特征周期调整、地震加速度调整、地震分组调整和设防烈度调整等问题。

1 石家庄城区主要地质构造特征及分类

通过收集石家庄主城区周边半径100 km内的地质构造资料，结合文献[1]、文献[5-8]，整理了石家庄城区主要断裂构造特征、活动年代等内容，将断裂构造位置叠加到石家庄行政区划图上(见图2)。图中断裂构造相对于二环、三环和高速公路的位置仅为示意。主要的四条断裂构造特征描述如下，其余请参阅文献[1]。

图2 石家庄地区地质构造示意图

1.1 四条主要断裂构造特征

1.1.1 保定—石家庄断裂石家庄段(石家庄断裂)

1.1.2 栾城东断裂

栾城东断裂也称为藁城东断裂(见图4)，据人工地震勘探资料，该断裂呈NE40°展布，全长约36 km，是一条倾向SE、倾角约50°的张性正断裂，下端埋深达7000 m，上端埋深700 m。该断裂早更新世早期有过活动，属于早中更新世断裂。

图3 太行山山前断裂带在石家庄及其邻近地区的分布图[1]

1.1.3 北席断裂

该断裂自西南经北龙宫村北、前堤里村、岗上镇、北席、段干村、南留村、南赵台村，止于使庄村(见图4)，长约50 km，走向NE30°～50°，倾向NW，为正断层。北席断裂上端点埋深600～700 m，断裂未延入第四系地层。北席断裂和石家庄断裂同属太行山山前断裂带保定—石家庄断裂段的组成部分，它们的形成、演化、最新活动基本相同。综合考虑，认为北席断裂第四纪早期可能有过活动。

1.1.4 马村北断裂

位于石家庄南部装备制造基地的马村北断裂[1,6](见图4)是隐伏断裂，西起范家庄村西，经马村北、使庄村北止于栾城区西不落营村，走向NWW，倾向NNE，全长24 km，为转换正断层。切割石家庄断裂、北席断裂和元氏断裂。该断裂由两条断层组成，呈“y”字形构造，断裂带宽度120～140 m，主断层倾向北的正断层，倾角较缓。上端点埋深56～100m，晚更新世以来没有活动。

图4 马村北断裂与其他断裂的关系位置图[6]

1.2 石家庄城区主要构造的断裂活动性及分类

《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)(2009年版)5.8节规定，全新活动断裂为全新地质时期(一万年)内有过地震活动或者近期(500年来)发生过地震震级M≥5级的断裂。据此，对石家庄城区主要地质构造的工程分类如表1所示。

按照《岩土工程勘察规范》表5.8.3，对古运粮河断裂和晋获断裂带北段进行全新活动断裂分级，均属于微弱全新活动断裂，分级为Ⅲ级。

表1 石家庄城区主要地质构造汇总及断裂分类(分级)

1.3 石家庄城区未来可能遭受地震的矩震级

近年来石家庄市区新建的甲类建筑物仅有河北疾控中心项目，但未能收集到该项目的地震安评资料。根据文献资料，认为未来石家庄市区可能遭受到的地震危险中，威胁最大(或对石家庄市所遭受的地震贡献最大)的是邢台新河断裂，可能遭受到的最大震级为7.3级[9-10]。建议当资料缺乏时，可偏保守的暂按矩震级MW=7.3级进行相关计算。

2 设计地震分组和抗震设防烈度的调整

《建筑抗震设计规范》[11]附录A给出了我国各县级及县级以上城镇地区的抗震设防烈度、设计基本地震加速度以及所属的设计地震分组。但是没有给出所有城(乡)镇的抗震设防烈度、设计地震分组。由于县级行政区地域范围较大，有些乡镇的地震动参数会与县城所在地显著不同。因此需要根据具体的地震动参数进行调整，确定工程所在地的设计地震分组和抗震设防烈度。《中国地震动参数区划图》[12]中给出了所有行政区划中城(乡)镇的地震动峰值加速度和反应谱特征周期。

例如，某工程位于石家庄赵县新寨店镇，勘察报告需提供勘察场地所在地的设计地震分组、设计基本地震加速度和反应谱特征周期。查《建筑抗震设计规范》[11]附录A，赵县属于第一组，设计基本地震加速度为0.10g，显然，这些参数是赵县县城所在地的地震动参数。

根据《中国地震动参数区划图》[12]附录A和附录B,赵县处于分界线附近，又根据该规范的附录C，查得新寨店特征周期为0.4s，设计基本地震加速度为0.10g，而特征周期0.4s在《建筑抗震设计规范》中对应的设计地震分组为第二组，两规范的设计地震分组结果不一致。

在抗震规范[11]的附录A条文说明中，给出了以下内容：“当在各县级以及县级以上城镇中心地区以外的行政区域从事建筑工程活动时，应根据工程厂址地理坐标查询《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)的附录A和附录B,以确定工程厂址的地震峰值加速度和地震加速度反应谱周期，并根据下述原则确定工程厂址所在地的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和所属的设计地震分组”。

据此，对于该工程场地所在位置，应根据《中国地震动参数区划图》查得的特征周期(赵县新寨店为0.4s)，结合该条文说明的附表[11](见表2)，调整确定工程场地所在地的设计地震分组。所以，赵县新寨店的设计地震分组调整为第二组。

表2 设计地震分组与GB18306反应谱特征周期的对应关系[11]

又如，某工程位于辛集市南智丘镇。查抗震规范[11]附录A，辛集市属于第一组，设计基本地震加速度为0.15g，抗震设防烈度7度。显然，这些参数是辛集市主城区的地震动参数。同样根据上述条文说明，应根据南智丘镇的地震动峰值加速度0.20g和表3调整确定工程场地的设防类别为8度(0.20g)。

表3 抗震设防烈度、设计基本地震加速度与GB18306反应谱特征周期的对应关系

经笔者核查，石家庄市共有37个类似(乡)镇的设计地震分组与县城所在地的设计地震分组不一致，需根据特征周期进行调整，见表4。此外，还有三个位于辛集市的城(乡)镇的抗震设防烈度与县市政府所在地不同，见表5。

表4 调整前后石家庄辖区部分乡镇所在地设计地震分组一览表

表5 辛集市辖区抗震设防烈度调整前后一览表

3 场地类别划分

3.1 规范的场地类别划分方法存在的问题

现行《建筑抗震设计规范》场地类别划分是按照覆盖层厚度dov和等效剪切波速vse进行双参数分类[13]，采用了绝对的数值边界，划分的结果就是非此即彼的场地类别。根据抗震规范[11]，场地类别划分如图5所示，各类别场地中都有突变的尖角，在此处实测数据稍有变化，划分的场地类别就会相差一类。这样，就导致根据场地类别确定的特征周期存在着不连续现象。有时场地条件接近的两个场地，场地类别却相差一类。对此，文献[14]提出了采用等效特征周期以及模糊数学计算场地分类等方法来解决此类问题。

图5 场地类别划分示意图

3.2 场地类别与地质成因和年代的关系

石家庄市辖区大部分位于太行山山前冲洪积平原，城区大致以京广铁路和中华北大街为界，以西地区为上更新统冲洪积地层[5]，沉积年代久，密实度较好，剪切波速相对较高；以东地区浅部地层属于全新统冲洪积地层，沉积年代较短，密实度不高，剪切波速相对偏低。

正定新区滹沱河沿岸浅部地层属于全新统冲积地层，沉积年代较短，剪切波速不高。按照工程经验，石家庄地区地层的剪切波速普遍都在Ⅱ类、Ⅲ类场地类别边界线附近，在划分场地类别时不仅要考虑实测的波速数值以及覆盖层厚度，还应该考虑沉积年代、密实程度等地质因素。

根据资料，石家庄城区西部属于剥蚀区，缺失全新统地层[5](见图6)，表层主要以Q3或更古老地层为主。根据剪切波速度试验结果统计，大致以京广铁路为界，以西市区平原部分以Ⅱ类场地为主，以东以Ⅲ类场地为主，但裕华路以北部分区域剪切波速较高，存在Ⅱ类场地。

图6 石家庄市第四纪地质图[5]

3.3 错划场地类别的影响

文献[15]总结了场地类别与抗震措施和抗震构造措施的影响(见表6)。由表6可以看出，如果因测试误差或者其它原因把Ⅱ类(错)划成Ⅲ类，或者把Ⅲ类(错)划成Ⅱ类，对于石家庄主城区的乙类和丙类工程来说，结构的抗震措施和抗震构造措施都是按照8度设防(比设防烈度提高一度)来设计，也即对结构的抗震措施和抗震构造措施没有影响。但如果工程位于石家庄其他地区，结果就可能有所不同。

表6 乙、丙类建筑的抗震措施和抗震构造措施[15]

根据《中国地震动参数区划图》[12]，石家庄市绝大部分抗震设防烈度7度(0.10g)，但辛集市抗震设防烈度7度(0.15g)(表5所示三个乡镇为8度0.2g)。由表6可知，位于辛集市的乙类抗震建筑，除按照提高一度采取抗震措施外，还应该按照8+采取抗震构造措施。如果此时因测试误差或者其它原因把Ⅱ类(错)划成Ⅲ类，或者把Ⅲ类(错)划成Ⅱ类，就会对结构抗震设计产生很大影响。

根据抗震规范[11]第5.1.2-3条规定，对于8度设防的Ⅰ类和Ⅱ类场地以及7度设防的全部场地类别，当建筑物高度大于100 m；或者8度设防的Ⅲ、Ⅳ类场地，当建筑物高度大于80 m时，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。第5.1.2-5条规定，平面投影尺度很大的空间结构等特殊建筑物在6度和7度设防时，Ⅰ、Ⅱ类场地的抗震验算可采用简化方法，7度设防的Ⅲ、Ⅳ类场地和8、9度设防时，应采用时程分析方法进行抗震验算。可见把Ⅱ类(错)划成Ⅲ类，或者把Ⅲ类(错)划成Ⅱ类都会对工程设计计算工作产生影响。

另外，《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(2015版)第13条规定：“结构总地震剪力……，(超限建筑)Ⅲ、Ⅳ类场地时尚宜适当增加(旧版文件规定为增加10%)”。照此，对位于辛集市外的超限建筑物，错划场地类别(把Ⅱ类(错)划成Ⅲ类，或者把Ⅲ类(错)划成Ⅱ类)尽管不影响抗震措施和抗震构造措施，但需适当增加地震作用，意味着主体结构要加强，造价也会增加。

根据以上讨论，依据现有规范，对于石家庄地区设防加速度0.05g和0.10g的非超限且高度符合抗震规范[11]表5.1.2-1规定的乙、丙类建筑物，场地类别划为Ⅱ类或Ⅲ类的影响不大，除此之外的建筑物，场地类别划为Ⅱ类或Ⅲ类的影响较大。

4 地震反应谱参数按照场地类别调整

建设场地地震动反应谱参数调整是指对地震动峰值加速度和反应谱特征周期进行调整。这是因为抗震规范[11]只给出了Ⅱ类场地的上述参数，而对于其他类别场地需要进行调整，以反映场地条件的变化对地震动参数的影响。

4.1 特征周期按照场地类别调整计算

抗震规范[11]的8.2条提供了按照场地类别进行特征普周期的调整方案。该方案隐含了特征周期不连续的跳跃现象，即在某些等效剪切波速数值附近，只要波速数值稍有变化，就会导致场地类别变化一类，从而特征周期增加或减少0.1s。

4.1.1 《建筑抗震设计规范》条文说明的方法

针对特征周期不连续现象，抗震规范[11]第4.1.6条的条文说明给出了一种连续化插入方案配图(见图7)，该图在场地覆盖层厚度dov和等效剪切波速vse平面上用等步长以及按线性规则改变步长的方案进行连续化插入，相邻等值线的Tg值均相差0.01s。文献[13]对上述插值计算方法进行了详细说明。

需要指出的是，图7说明中 “用于设计特征周期一组”的说法，含义模糊。究竟是指地震分组还是其他意思尚有争议，因为抗震规范[11]其他地方没有“设计特征周期一组”这一用语，也未见对此有说明解释之处。

图7 抗震规范[11]Tg等值线图(用于设计特征周期一组,相邻Tg等值线差值0.01s)

4.1.2 《建筑抗震设计规范》条文说明修正方法

文献[16]认为，类别界限附近15%的范围是插值计算范围，而其他的范围为确定的范围，不需要插值。例如，对于第一分组，图8中Ⅱ类和Ⅲ类界限附近折线BDFHJ为覆盖层厚度±15%范围，向右超过这条线特征周期就取值0.45s，则插值计算时取折线BDFHJ对应的特征周期为0.45s，那么插值计算就可以仅仅在阴影区进行。

图8 插值计算示意图(注:虚线位置处界限数值未按比例标注)

插值计算时按照以下原则[16]进行计算：根据覆盖层厚度dov和等效剪切波速vse确定插值点位置。插值点位置位于ABDC、EFGH横线阴影区域内时，根据覆盖层厚度dov进行线性插值；位于CDFE、HJIG竖线阴影区域时，根据等效剪切波速vse线性插值。

4.1.3 专家建议的调整方法

中国建筑设计院有限公司总工程师朱炳寅在其编著的《建筑抗震设计规范应用与分析》(第二版，2017年版)提供了一个表格，对特征周期一组的场地，可根据场地的覆盖层厚度和等效剪切波速查该书表4.1.6-1得到特征周期，并允许线性插值。

4.2 地震加速度按照场地类别调整计算

根据《中国地震动参数区划图》[12]附录C查得的是Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度α′maxⅡ，然后根据《中国地震动参数区划图》[12]6.2节规定对基本加速度进行调整计算，得到不同地面运动水准的Ⅱ类场地地震动峰值加速度αmaxⅡ(当只考虑基本/设防地震加速度时，无需进行此调整计算)。

区划图[12]附录E指出，对于Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅲ、Ⅳ类场地地震动峰值加速度αmax可根据Ⅱ类场地地震动峰值加速度αmaxⅡ和场地地震动峰值加速度调整系数Fa(查规范[12]附录表E.1)按照下式确定。

αmax=FaαmaxⅡ

旧版区划图不考虑按照场地类别调整地震加速度，也即所有场地类别的场地地震加速度是一样的。调整以后实际上是考虑了场地土(Ⅲ、Ⅳ类)对基岩入射地震波的放大作用，这样，地震作用就有可能比原来的大，从而加大建设投入。

需要指出的是，现行《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010，2016年版)在局部修订时尚未要求对地震加速度进行场地类别调整计算[11,17]。

5 结论

石家庄城区及周边断裂构造研究深度不一，位于主城区的断裂构造研究程度相对较高，随着石家庄的经济发展和城区范围扩大，原来研究程度不高的断裂的资料也会逐步丰富，岩土工程勘察应随着资料的丰富，不断改进，以适应工程建设的需要。

石家庄市地层类别介于Ⅲ类和Ⅱ类之间，主城区西部和东部分别是全新统缺失区和全新统覆盖区，并不全是Q4地层。全新统缺失区以Ⅱ类为主，全新统覆盖区场地类别以Ⅲ类场地为主，但也有Ⅱ类场地分布，地层剪切波波速处于分界线附近，勘察时需要仔细区分。

《中国地震动参数区划图》规定了全国主要城(乡)镇的Ⅱ类场地地震基本加速度，而抗震设计规范规定了全国县级政府所在地的Ⅱ类场地地震基本加速度，在实际工程中，需要分别根据场地类别进行调整。反应谱参数中的特征周期更是和场地类别、工程所在地位置有关。而地震基本加速度调整尚未在抗震设计规范中进行规定，目前可暂不根据场地类别调整。

随着石家庄的经济发展，甲类建筑物会越来越多，对石家庄主城区地震影响贡献最大的断裂的主要指标(例如矩震级)研究应会更加明确。另外，随着南水北调对主城区特别是滹沱河沿岸地下水的调蓄影响，地下水位会逐步回升，地基的地震液化和抗浮设防水位问题也需充分关注。

承蒙河北省地震局彭远黔研究员提供部分资料，特此致谢！