岩溶强发育区场地类别划分探讨及对超高层结构设计的影响

龙秀海，丘友威，罗 沁，林家豪，胡剑波，段称寿

（1、广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010；2、广东粤海置地集团有限公司 广州 510010）

0 引言

国内外大量的地震灾害表明，场地条件的好坏直接影响着建筑物地震作用下的震害程度，一般而言，场地条件是决定地震动参数（包括峰值加速度、特征周期）取值的重要因素［3-4］。海城、唐山等大地震宏观震害资料表明：房屋倒塌率随土层厚度的增加而增大；相对而言，软弱场地上的建筑物震害一般重于坚硬场地［5］。我国《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［6］中采用场地类别的方法来反映场地差异对建筑物地震的影响，在规范中则以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度的两个指标将场地类别划分为Ⅰ（Ⅰ0、Ⅰ1）、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个大类。

在岩溶强烈发育区，因溶蚀作用形成大量的溶沟、溶槽，而填充溶沟、溶槽的一般为较软弱土层，部分大溶沟软土过深导致覆盖层过厚使得勘察单位常把该区域场地类别往不利方向判定。本文以广州某项目为例，针对勘察单位将局部溶沟区域判定为Ⅲ类场地进行充分论证，探讨后认为本项目整体可按Ⅱ类场地进行设计，并进一步分析了场地类别的划分对项目中T1 栋超高层结构设计的影响，为类似工程提供实际参考。

1 工程概况

1.1 基本信息

广州白云区某办公、商业综合体项目总建筑面积37.82 万m2，包括T1～T6 共6 栋高层建筑，其中：T1 塔楼建筑高度190.0 m（结构高度175.5 m），地上40 层，地下3 层。采用框架-核心筒结构，嵌岩灌注桩基础，抗震设防烈度为7 度（0.10g），设计地震分组为第一组。项目整体结构计算模型如图1所示。

1.2 场地类别

本项目场地的内隐伏岩溶强烈发育，详勘阶段勘察单位给出的波速测试成果如表1所示。本场地等效剪切波速值Vse=187.04～239.68 m/s，覆盖层厚度介于28.00～56.70 m，结合本场地岩土层的分布情况，建筑场地类别划分为Ⅱ～Ⅲ类。

表1 钻孔波速测试成果Tab.1 Results of Drilling Velocity Test

为准确地反映场地类别，在安全前提下提高经济效益，勘察单位对整个场地按建筑规划区域（独立高层建筑、地库）进行细化分区判别，结论为：所有高层构筑物区域场地类别均为Ⅱ类；场地西侧中部地库区域场地类别为Ⅲ类，其余地库区域场地类别为Ⅱ类，如图2 所示（除标注Ⅲ类场地外其余均为Ⅱ类场地）。其中T1 栋塔楼西侧紧贴Ⅲ类场地（T1 塔楼西侧外框柱下承台已处于Ⅲ类场地范围），按不利原则T1 塔楼应按Ⅲ类场地进行设计。

图2 建筑场地类别区划Fig.2 Zoning Map of the Building Site Categories

图2 中所划分的Ⅲ类场地范围对应的就是T1 栋西侧大型溶沟范围，见场地岩层等高线（见图3）。因大溶沟范围软土厚度即覆盖层厚度普遍自地面深度大于50 m，等效剪切波速在150～250 m/s 之间，故勘察单位将溶沟范围场地类别判定为Ⅲ类。

2 场地类别划分探讨

2.1 从场地的概念探讨

文献［6］第2.1.8条规定场地是指具有相似的反应谱特征的工程群体所在地，其范围相当于厂区、居民小区和自然村不小于1.0 km2的平面面积。显而易见场地是一个宏观的概念，划分场地类别主要考虑地层结构和岩土特性在宏观上的量及变化趋势，对一些细节及局部的变化予以忽略。岩工程勘察工作应针对“具有相似的反应谱特征”从大局上整体把握，保证场地别划分的准确性。

项目周边情况如图4所示。周边地块离本项目均不到1 km的距离，场地类别均为Ⅱ类场地，未出现Ⅲ类场地。本项目只是局部出现了Ⅲ类场地，且对于不小于1.0 km2的平面面积的周边地块均为Ⅱ类场地，从宏观上看，本项目可以整体判别为Ⅱ类场地。

图4 项目周边地块场地类别Fig.4 Terrain Classification of Surrounding Plots for the Project

2.2 从覆盖层厚度计算上探讨

一般情况下，建筑场地覆盖层厚度的确定只与天然地面有关［6-8］，即：不考虑文献［6］中所列的其他复杂情况，一般情况下，场地覆盖层厚度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500 m/s 的土层顶面的距离确定。对于广州地区岩溶强烈发育区而言，基岩的剪切波速大于800 m/s，基岩上覆盖土层较软弱［9］，剪切波速一般在150～250 m/s 之间，故岩溶地区覆盖层厚度简单来说就是地面至基岩的距离。

但高层建筑的场地类别一直是工程界关心且争议较大的问题［6，10-11］，理论与实测均表明，一般土层中的地震加速度随距地面深度而渐减，我国亦有对高层建筑修正场地类别（由高层建筑基底起算）或折减地震力建议。由于高层建筑埋深常达10 m以上，与浅基础相比，带来的有力影响便是基底地震输入变小［6］。同时，本项目采用嵌岩灌注桩基础，结构地震加速度反应比采用天然地基时大大降低。

对于本项目而言，地下室开挖面积较大（约3万m2）且深度较深（＞10 m），有效地减少了地表覆土厚度，有利于场地类别的改善［8］，设计中将考虑这方面带来的有利影响。

本项目为3 层地下室，底板底标高为-13.7 m。根据勘察单位数据，Ⅲ类场地区域所有钻孔（为保证数据更有代表性，让尽可能多的样本进入统计，收集了Ⅲ类场地区详勘钻孔及超前钻孔共29 个钻孔数据）的覆盖层厚度按自地面起算和自底板底起算分别统计如表2所示。

表2 项目Ⅲ类场地区覆盖层厚度Tab.2 Thickness of the Covering Layer in Class ⅢTerrain for the Project

根据文献［6］4.1.6 条，当土层等效剪切波速为150 m/s＜Vse≤250 m/s 的中软土，覆盖层厚度不大于50 m 时，划分为Ⅱ类场地。依据勘察资料，项目中软土覆盖层厚度平均值为60.6 m，自底板底算起中软土的覆盖层厚度为60.6-13.7=46.9 m＜50 m，覆盖层厚度平均值满足文献［6］中Ⅱ类土的定义。如表2所示，覆盖层厚度从底板底（标高-13.7 m）起算覆盖层厚度大于50 m 的钻孔共有7 个（占总钻孔数的24.1%）。

表2 的覆盖层厚度是按勘察钻孔钻探结果统计的，但勘察钻孔直径仅有0.1 m 左右，为一孔之见，局限性很大，特别是勘察钻孔遇到了窄而深的小溶槽会导致覆盖层统计厚度过深的不利结果。覆盖层厚度也是一个宏观的量，不应因微小的局部影响整体的评价。本工程所有勘察钻孔均采用了管波探测的物探手段，其有效探测范围为2.0 m，可较大程度减少勘察钻孔的局限性，如图5所示。

图5 不同勘察手段覆盖层厚度计算示意图Fig.5 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

根据各孔柱状图结合管波探测结果，对这7 个钻孔进行详细分析。以ZK4-48 为例：本孔自底板底按勘察钻孔深度覆盖层厚度为64.34 m；但管波探测结果显示，本孔勘察钻孔钻入小溶槽，下部土层为小溶槽充填物，标高-63.50 m以下为微风化石灰岩，按管波探测结果覆盖层厚度为63.5-13.7=49.9 m＜50 m，详如表3 所示。需要说明的是，对于CQZ69 钻孔：本孔自底板底按勘察钻孔深度覆盖层厚度为73.05 m，但标高-12 m处的以下为中硬土，以下均不属于中软土，底板底等效剪切波速大于250 m/s，按文献［6］表4.1.6 判别为Ⅱ类场地。

表3 不同勘察手段计算的覆盖层厚度Tab.3 Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

表4 T1栋超高层Ⅱ、Ⅲ类场地基底剪力计算结果对比Tab.4 Comparison of Base Shear Calculations for T1 Super High-rise Building in Class Ⅱand Class Ⅲterrains

上述区域的钻孔自地下室底板底（-13.70 m）算起合理按管波探测结果计算的覆盖层厚度大部分均满足小于50 m 的要求，仅2 个钻孔数据稍大于50 m（超过比率不大于20%），仅占该区域钻孔数量的6.9%。将以上6 个钻孔分析后（CQZ69 已可判别为Ⅱ类，不参与统计）的覆盖层厚度与其他钻孔进行重新统计，自底板底起算的覆盖层平均厚度为43.4m，更加满足覆盖层不大于50 m时划分为Ⅱ类场地的规定。此外由表3 可见，自底板底算起大部分钻孔有一定深度的中硬土，可提高土层的等效剪切波速，有于场地类别的改善。

故本项目溶沟区域虽自地面起算覆盖层厚度dov1＞50 m，场地类别为Ⅲ类；但合理自底板底起算覆盖层厚度dov2＜50 m，场地类别可判为Ⅱ类，如图6所示。

图6 覆盖层厚度计算示意图Fig.6 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation

2.3 小结

无论从宏观上场地概念进行探讨，还是从微观的从覆盖层厚度计算上探讨，本工程场地类别可以统一定为Ⅱ类场地进行计算与设计，并得到超限审查、施工图审查的认可。

与此同时，亦采取措施对溶沟区域在设计上进行适当加强：①加强溶沟区域底板刚度，厚度提高到800 mm；同时采用大梁拉结跨过溶沟；②适当加大溶沟区域桩嵌岩深度，即穿过溶洞后进入稳定岩层不小于1.5 m；③地下室结构所有钢筋均采用机械连接。

3 场地类别对超高层结构设计的影响

对比采用文献［1］及文献［2］场地类别对超高层结构设计影响的差异，同时采用文献［2］计算补充T1栋超高层基底剪力对比。

3.1 规范相关参数

文献［1］与文献［6］一脉相承，时程分析时输入地震加速度最大值Amax、水平地震影响系数最大值αmax、场地最小地震剪力系数λmin均未考虑场地类别的影响；文献［2］对Amax、αmax、λmin则均合理考虑了场地类别的影响：Ⅱ类场地下Amax、αmax、λmin文献［2］与文献［1］一致，以Ⅱ类场地的Amax、αmax、λmin为基准，文献［2］Ⅰ类场地Amax、αmax、λmin为Ⅱ类场地Amax、αmax、λmin的0.9倍，Ⅲ、Ⅳ类场地Amax、αmax、λmin为Ⅱ类场地Amax、αmax、λmin的1.1倍。

3.2 抗震设计反应谱

规范所采用的抗震设计反应谱以地震影响系数曲线的形式体现。影响反应谱形状的因素很多，在继续保留烈度概念的基础上，用设计地震分组的特征周期Tg予以反映［5］，而影响特征周期的一个重要参数就是场地类别。

文献［1］采用小震设计，文献［2］采用中震设计，本项目设防烈度为7度（0.10g）、设计地震分组第一组，不同场地类别的地震影响系数曲线如图7所示。

图7 不同场地时地震影响系数曲线Fig.7 Seismic Coefficient Curves for Different Terrains

如图7所示，在自振周期小于0.1 s即刚度很大的超短周期的结构地震影响系数不受场地类别的影响外，地震影响系数随着场地类别的提高而增大，即场地覆盖层越厚、土质越软结构所受到的地震力越大。所不同的是，对于长周期结构（一般自振周期大于3.5 s），地震影响系数对场地的敏感性文献［1］低于文献［2］。

以本项目来说，第一自振周期T为4.95 s，阻尼比均取0.05，Ⅱ类场地特征周期Tg为0.35 s，Ⅲ类场地特征周期Tg为0.45 s。

按文献［1］第4.3.8条计算：αmax=0.08；

由式⑴、⑵可知，在同一条件下，地震影响系数Ⅲ类场地αⅢ比Ⅱ类场地αⅢ文献［1］仅提高约6%，而文献［2］Ⅲ类场地αⅢ比Ⅱ类场地αⅢ提高达40%，说明文献［2］充分考虑了场地类别对长周期结构的影响。

3.3 T1栋超高层基底剪力对比

从上述对比来看，场地类别的不同决定了地震力的大小，为对比实际设计计算中场地类别对工程设计结果影响程度，以T1 栋超高层计算模型为例，分别按场地类别Ⅱ、Ⅲ类采用文献［2］进行计算（注：整个项目经与业主、审图单位商定采用文献［2］进行设计），地震下基底剪力计算结果如表4所示。

由表4 的计算结果可知，当按文献［2］设计时，在其他参数相同的情况下，同一计算模型仅改变场地类别的设置，Ⅲ类场地的调整前的基底剪力会比Ⅱ类场地增大35%左右，这与式⑵增大40%的结果相吻合，说明调整前的基底剪力即为基准地震剪力与地震影响系数基本成正比。

经剪力调整后，基底剪力相差为10%左右，这也说明文献［2］的最小剪力调整系数对结构安全进行兜底，避免不同场地类别的地震剪力相差过大而导致不安全。

对于T1 栋超高层来说，按Ⅲ类场地将比按Ⅱ类场地设计时的计算地震力会增大约10%，这将间接导致工程造价增加约5%～8%。反过来说，经过论证T1栋最终按Ⅱ类场地进行设计，相当于节约了5%～8%左右的造价。

4 结论

⑴场地是个宏观概念，场地类别的划分应针对“具有相似的反应谱特征”从大局上整体把握，尽量减少局部对整体的影响。

⑵在岩溶发育区，对于采用桩基础的超高层建筑，场地覆盖层厚度建议从底板底起算。

⑶相对于文献［1］，文献［2］对Amax、αmax、λmin均考虑了场地类别的影响，较为合理。对于长周期结构，地震影响系数对场地类别的敏感性文献［1］低于文献［2］。

⑷采用文献［2］设计时，超高层建筑（长周期结构）按Ⅱ类场地进行设计，比按Ⅲ类场地设计节约造价约5%～10%。因此根据实际场地的地质条件来科学、合理地判别建筑场地类别对节约工程成本具有重要意义。