山区建筑场地类别划分及地震反应有限元分析

高 同 玉

(辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110006)

场地类别是勘察报告中必不可少的内容，对抗震设计有重要影响。但是在山区工程建设中，由于场地条件的复杂性，可能会遇到同一项目存在不同场地类别的情况，有些甚至出现同一建筑范围内存在不同场地类别的情况。抗震设计时如何处理这种情况，将会直接影响工程安全和造价。

1 场地及场地类别辨析

在进行场地类别划分以前需要首先明确什么是场地。场地通俗意义上来讲就是工程建设所在的区域，也就是规划红线内的区域，这里可称其为“红线场地”，是审批部门批准划定的区域，区域范围可大可小，没有定数；而场地的另外定义是从抗震角度考虑的，同一类场地相似的反应谱特征，这在相关规范中均有定义。简列如下：

在GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震设计规范和GB/T 50941—2014建筑地基基础术语标准中定义相同，即均为：工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区或不小于1.0 km2的平面面积。此定义中“工程群体所在地”即可理解为与前述“红线场地”相对应。

在CECS 160：2004建筑工程抗震性态设计通则(试用)中定义场地为：工程群体所在地。大体相当于一个厂区、居民点或自然村的范围，同一类场地应具有相似的设计谱特征。

从以上定义可以看出，场地只有一个，就是工程群体所在地，即所谓“红线场地”，而同一场地内可能存在多种场地类别，同一类别场地具有相似的设计谱特征。

如滕州市地震小区划图，可以看到同一小区存在不同的反应谱参数，即为不同的场地类型，如图1所示。

实际上一般工程建设项目不可能都通过进行反应谱分析，来划分场地类别，因此规范中给出了简易可行的方法。在GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)和GB 18306—2015中国地震动参数区划图均给出了通过剪切波速和覆盖层厚度进行场地类别划分的方法。二者内容一致，现给出GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)如表1所示。

表1 各类建筑场地的覆盖层厚度 m

2 山区建筑场地类别划分实例

根据以上表1进行场地类别划分，对于场地条件比较均匀的场地，一般一个场地只有一种场地类别，但当遇到场地条件复杂的情况，如山区建筑地基坐落在半挖半填地基、挖方地基或填方地基上，此时通过上述方法进行场地类别划分时，同一场地可能存在不同场地类别，甚至同一栋建筑所在范围内存在不同场地类别。

如某小区住宅用地为低山丘陵地貌(见图2)，局部为采石场形成的深积水塘，平均深度9 m，四周坑边为陡坡，坡度大于80°。勘探揭露地层为杂填土和基岩(中风化石灰岩)，土层厚度不足1 m，场区整平处理后，有些建筑位于坑内回填地基上，有些建筑一部分位于坑内回填地基上，一部分位于坑外岩石地基上。根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)表4.1.6判定，建筑地基全部为回填地基的场地类别为Ⅱ类，建筑地基既有回填地基又有岩石地基的场地类别为Ⅱ类和Ⅰ1类,抗震计算可按不利类别考虑。

3 地震反应PLAXIS有限元分析

3.1 PLAXIS简介

PLAXIS 2D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中。

PLAXIS地震动分析中可以采用瑞利阻尼考虑粘滞特性，瑞利阻尼由质量阻尼和刚度阻尼构成，如式(1)所示。

C=αM+βK

(1)

其中，C为阻尼;M为质量;K为刚度;α，β均为瑞利阻尼系数，α是决定质量对阻尼的影响的参数。α越高，较低频率的震动的阻尼越大。β是决定刚度对阻尼的影响的参数，β越高，较高频率震动的阻尼越大。

α，β与阻尼比、自振频率的关系如式(2)所示：

(2)

其中，ωi为自振频率；ξi为阻尼比。

以上关系式说明，如果已知两个频率和阻尼比，则可以形成联立方程，求解α和β。阻尼比、自振频率可以通过共振柱试验获得。

3.2 地震反应有限元分析模型

以下分别对位于较软场地上的结构、较硬场地上的结构、一半较软一半较硬场地上的结构、一半软(设置端承桩)一半硬场地上的结构，进行地基基础与结构共同作用的动力分析。由于地震作用时间较短，土体动力刚度比静态分析时大，为减少计算工作量，本文中土体、岩体、结构体本构模型均采用线性粘弹性模型。相关参数如表2所示。

表2 有限元动力分析参数

分析模型上部结构为4层框架带一层地下室。下部地基尺寸为20 m×100 m，在底部边界施加加速度时程，两侧边界为地震波吸收边界，具体如图3所示。

底部施加的台湾集集大地震加速度，其加速度时程曲线如图4所示，傅里叶变换频谱幅值如图5所示，峰值加速度为0.361g，卓越周期0.89 s。

3.3 地震反应有限元分析结果

1)两类均匀场地地面地震反应。

场地类别Ⅰ1类和Ⅱ类的地面加速度时程曲线如图6所示。

从图6看出，Ⅰ1类场地地面峰值加速度为0.18g，Ⅱ类场地地面峰值加速度为0.25g。Ⅱ类场地地面峰值加速度比Ⅰ1类场地大。

场地类别Ⅰ1类和Ⅱ类的地面加速度傅里叶频谱如图7，图8所示。

由图7，图8可看出，Ⅰ1类场地卓越周期0.71 s，Ⅱ类场地卓越周期0.93 s，Ⅱ类场地卓越周期比Ⅰ1类长。

场地类别Ⅰ1类和Ⅱ类的地面加速度反应谱如图9所示。

由图9可看出，Tg在(0～2.2 s)区间Ⅱ类场地加速度反应谱比Ⅰ1类场地反应谱大。

2)均匀、不均匀场地结构地震反应。

通过分析得到均匀场地、不均匀场地、不均匀场地设置桩基，上部结构顶部(选取梁中部)加速度时程曲线如图10，图11所示。

从图10看出，Ⅰ1类场地结构峰值加速度为0.35g，Ⅱ类场地地面峰值加速度为0.49g。Ⅱ类场地结构加速度反应比Ⅰ1类大。

从图11看出，不均匀场地天然地基上的结构峰值加速度为0.42g，桩基上的结构峰值加速度为0.19g。天然地基上的结构加速度反应比桩基础上的结构大。

均匀场地、不均匀场地、不均匀场地置桩基，上部结构顶部(选取梁中部)峰值加速度一览表如表3所示。

表3 不同类型场地结构顶部峰值加速度

通过表3可以看出，均匀场地时Ⅱ类场地结构地震加速度反应比Ⅰ1类场地大，半软半硬的不均匀场地天然地基上的结构地震加速度反应介于前二者之间。设置桩基时结构地震加速度反应比天然地基时大大降低。

4 结论与建议

1)建筑场地可以只有一个，而场地类别可能存在多种。需要实事求是，具体问题具体分析。

2)如果拟建建筑位于场地类别分界线附近时，直接选用不利的场地类别进行抗震设计当然是偏于安全，但是造价需要增加，建议按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)4．1．6条处理，即当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于表4．1．6所列场地类别的分界线附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期。

3)对进行抗震性态设计的建筑，可以按照《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》CECS 160：2004附录B根据场地覆盖层厚度和等效波速进行抗震参数插值。

4)采用桩基的结构地震反应会有所降低，这对于改善不利地段的建筑抗震是有益的。

5)场地类别会影响设计特征周期和峰值加速度，应进行双参数调整，具体可按照GB 18306—2015中国地震动参数区划图进行。

6)如果同一建筑范围内存在多种场地类别，可按不利场地类别考虑，并可考虑采用有利于抗震的地基基础型式。

7)场地类别的划分可以按照勘察期间地面进行初步划分，但如果场区整平后地面变化较大，需要进行再次复核，不能盲目采用初步划分结果，尤其对于半挖半填的地基。