巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)場地類別劃分探討及對超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

龍秀海，丘友威，羅 沁，林家豪，胡劍波，段稱壽

（1、廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010；2、廣東粵海置地集團(tuán)有限公司 廣州 510010）

0 引言

國內(nèi)外大量的地震災(zāi)害表明，場地條件的好壞直接影響著建筑物地震作用下的震害程度，一般而言，場地條件是決定地震動參數(shù)（包括峰值加速度、特征周期）取值的重要因素［3-4］。海城、唐山等大地震宏觀震害資料表明：房屋倒塌率隨土層厚度的增加而增大；相對而言，軟弱場地上的建筑物震害一般重于堅硬場地［5］。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［6］中采用場地類別的方法來反映場地差異對建筑物地震的影響，在規(guī)范中則以土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度的兩個指標(biāo)將場地類別劃分為Ⅰ（Ⅰ0、Ⅰ1）、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個大類。

在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，因溶蝕作用形成大量的溶溝、溶槽，而填充溶溝、溶槽的一般為較軟弱土層，部分大溶溝軟土過深導(dǎo)致覆蓋層過厚使得勘察單位常把該區(qū)域場地類別往不利方向判定。本文以廣州某項目為例，針對勘察單位將局部溶溝區(qū)域判定為Ⅲ類場地進(jìn)行充分論證，探討后認(rèn)為本項目整體可按Ⅱ類場地進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)一步分析了場地類別的劃分對項目中T1 棟超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，為類似工程提供實際參考。

1 工程概況

1.1 基本信息

廣州白云區(qū)某辦公、商業(yè)綜合體項目總建筑面積37.82 萬m2，包括T1～T6 共6 棟高層建筑，其中：T1 塔樓建筑高度190.0 m（結(jié)構(gòu)高度175.5 m），地上40 層，地下3 層。采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），設(shè)計地震分組為第一組。項目整體結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

1.2 場地類別

本項目場地的內(nèi)隱伏巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，詳勘階段勘察單位給出的波速測試成果如表1所示。本場地等效剪切波速值Vse=187.04～239.68 m/s，覆蓋層厚度介于28.00～56.70 m，結(jié)合本場地巖土層的分布情況，建筑場地類別劃分為Ⅱ～Ⅲ類。

表1 鉆孔波速測試成果Tab.1 Results of Drilling Velocity Test

為準(zhǔn)確地反映場地類別，在安全前提下提高經(jīng)濟(jì)效益，勘察單位對整個場地按建筑規(guī)劃區(qū)域（獨(dú)立高層建筑、地庫）進(jìn)行細(xì)化分區(qū)判別，結(jié)論為：所有高層構(gòu)筑物區(qū)域場地類別均為Ⅱ類；場地西側(cè)中部地庫區(qū)域場地類別為Ⅲ類，其余地庫區(qū)域場地類別為Ⅱ類，如圖2 所示（除標(biāo)注Ⅲ類場地外其余均為Ⅱ類場地）。其中T1 棟塔樓西側(cè)緊貼Ⅲ類場地（T1 塔樓西側(cè)外框柱下承臺已處于Ⅲ類場地范圍），按不利原則T1 塔樓應(yīng)按Ⅲ類場地進(jìn)行設(shè)計。

圖2 建筑場地類別區(qū)劃Fig.2 Zoning Map of the Building Site Categories

圖2 中所劃分的Ⅲ類場地范圍對應(yīng)的就是T1 棟西側(cè)大型溶溝范圍，見場地巖層等高線（見圖3）。因大溶溝范圍軟土厚度即覆蓋層厚度普遍自地面深度大于50 m，等效剪切波速在150～250 m/s 之間，故勘察單位將溶溝范圍場地類別判定為Ⅲ類。

2 場地類別劃分探討

2.1 從場地的概念探討

文獻(xiàn)［6］第2.1.8條規(guī)定場地是指具有相似的反應(yīng)譜特征的工程群體所在地，其范圍相當(dāng)于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村不小于1.0 km2的平面面積。顯而易見場地是一個宏觀的概念，劃分場地類別主要考慮地層結(jié)構(gòu)和巖土特性在宏觀上的量及變化趨勢，對一些細(xì)節(jié)及局部的變化予以忽略。巖工程勘察工作應(yīng)針對“具有相似的反應(yīng)譜特征”從大局上整體把握，保證場地別劃分的準(zhǔn)確性。

項目周邊情況如圖4所示。周邊地塊離本項目均不到1 km的距離，場地類別均為Ⅱ類場地，未出現(xiàn)Ⅲ類場地。本項目只是局部出現(xiàn)了Ⅲ類場地，且對于不小于1.0 km2的平面面積的周邊地塊均為Ⅱ類場地，從宏觀上看，本項目可以整體判別為Ⅱ類場地。

圖4 項目周邊地塊場地類別Fig.4 Terrain Classification of Surrounding Plots for the Project

2.2 從覆蓋層厚度計算上探討

一般情況下，建筑場地覆蓋層厚度的確定只與天然地面有關(guān)［6-8］，即：不考慮文獻(xiàn)［6］中所列的其他復(fù)雜情況，一般情況下，場地覆蓋層厚度應(yīng)按地面至剪切波速大于500 m/s 且其下臥各層巖土的剪切波速均不小于500 m/s 的土層頂面的距離確定。對于廣州地區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)而言，基巖的剪切波速大于800 m/s，基巖上覆蓋土層較軟弱［9］，剪切波速一般在150～250 m/s 之間，故巖溶地區(qū)覆蓋層厚度簡單來說就是地面至基巖的距離。

但高層建筑的場地類別一直是工程界關(guān)心且爭議較大的問題［6，10-11］，理論與實測均表明，一般土層中的地震加速度隨距地面深度而漸減，我國亦有對高層建筑修正場地類別（由高層建筑基底起算）或折減地震力建議。由于高層建筑埋深常達(dá)10 m以上，與淺基礎(chǔ)相比，帶來的有力影響便是基底地震輸入變?。?］。同時，本項目采用嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)比采用天然地基時大大降低。

對于本項目而言，地下室開挖面積較大（約3萬m2）且深度較深（＞10 m），有效地減少了地表覆土厚度，有利于場地類別的改善［8］，設(shè)計中將考慮這方面帶來的有利影響。

本項目為3 層地下室，底板底標(biāo)高為-13.7 m。根據(jù)勘察單位數(shù)據(jù)，Ⅲ類場地區(qū)域所有鉆孔（為保證數(shù)據(jù)更有代表性，讓盡可能多的樣本進(jìn)入統(tǒng)計，收集了Ⅲ類場地區(qū)詳勘鉆孔及超前鉆孔共29 個鉆孔數(shù)據(jù)）的覆蓋層厚度按自地面起算和自底板底起算分別統(tǒng)計如表2所示。

表2 項目Ⅲ類場地區(qū)覆蓋層厚度Tab.2 Thickness of the Covering Layer in Class ⅢTerrain for the Project

根據(jù)文獻(xiàn)［6］4.1.6 條，當(dāng)土層等效剪切波速為150 m/s＜Vse≤250 m/s 的中軟土，覆蓋層厚度不大于50 m 時，劃分為Ⅱ類場地。依據(jù)勘察資料，項目中軟土覆蓋層厚度平均值為60.6 m，自底板底算起中軟土的覆蓋層厚度為60.6-13.7=46.9 m＜50 m，覆蓋層厚度平均值滿足文獻(xiàn)［6］中Ⅱ類土的定義。如表2所示，覆蓋層厚度從底板底（標(biāo)高-13.7 m）起算覆蓋層厚度大于50 m 的鉆孔共有7 個（占總鉆孔數(shù)的24.1%）。

表2 的覆蓋層厚度是按勘察鉆孔鉆探結(jié)果統(tǒng)計的，但勘察鉆孔直徑僅有0.1 m 左右，為一孔之見，局限性很大，特別是勘察鉆孔遇到了窄而深的小溶槽會導(dǎo)致覆蓋層統(tǒng)計厚度過深的不利結(jié)果。覆蓋層厚度也是一個宏觀的量，不應(yīng)因微小的局部影響整體的評價。本工程所有勘察鉆孔均采用了管波探測的物探手段，其有效探測范圍為2.0 m，可較大程度減少勘察鉆孔的局限性，如圖5所示。

圖5 不同勘察手段覆蓋層厚度計算示意圖Fig.5 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

根據(jù)各孔柱狀圖結(jié)合管波探測結(jié)果，對這7 個鉆孔進(jìn)行詳細(xì)分析。以ZK4-48 為例：本孔自底板底按勘察鉆孔深度覆蓋層厚度為64.34 m；但管波探測結(jié)果顯示，本孔勘察鉆孔鉆入小溶槽，下部土層為小溶槽充填物，標(biāo)高-63.50 m以下為微風(fēng)化石灰?guī)r，按管波探測結(jié)果覆蓋層厚度為63.5-13.7=49.9 m＜50 m，詳如表3 所示。需要說明的是，對于CQZ69 鉆孔：本孔自底板底按勘察鉆孔深度覆蓋層厚度為73.05 m，但標(biāo)高-12 m處的以下為中硬土，以下均不屬于中軟土，底板底等效剪切波速大于250 m/s，按文獻(xiàn)［6］表4.1.6 判別為Ⅱ類場地。

表3 不同勘察手段計算的覆蓋層厚度Tab.3 Covering Layer Thickness Calculation by Different Survey Methods

表4 T1棟超高層Ⅱ、Ⅲ類場地基底剪力計算結(jié)果對比Tab.4 Comparison of Base Shear Calculations for T1 Super High-rise Building in Class Ⅱand Class Ⅲterrains

上述區(qū)域的鉆孔自地下室底板底（-13.70 m）算起合理按管波探測結(jié)果計算的覆蓋層厚度大部分均滿足小于50 m 的要求，僅2 個鉆孔數(shù)據(jù)稍大于50 m（超過比率不大于20%），僅占該區(qū)域鉆孔數(shù)量的6.9%。將以上6 個鉆孔分析后（CQZ69 已可判別為Ⅱ類，不參與統(tǒng)計）的覆蓋層厚度與其他鉆孔進(jìn)行重新統(tǒng)計，自底板底起算的覆蓋層平均厚度為43.4m，更加滿足覆蓋層不大于50 m時劃分為Ⅱ類場地的規(guī)定。此外由表3 可見，自底板底算起大部分鉆孔有一定深度的中硬土，可提高土層的等效剪切波速，有于場地類別的改善。

故本項目溶溝區(qū)域雖自地面起算覆蓋層厚度dov1＞50 m，場地類別為Ⅲ類；但合理自底板底起算覆蓋層厚度dov2＜50 m，場地類別可判為Ⅱ類，如圖6所示。

圖6 覆蓋層厚度計算示意圖Fig.6 Illustration of Covering Layer Thickness Calculation

2.3 小結(jié)

無論從宏觀上場地概念進(jìn)行探討，還是從微觀的從覆蓋層厚度計算上探討，本工程場地類別可以統(tǒng)一定為Ⅱ類場地進(jìn)行計算與設(shè)計，并得到超限審查、施工圖審查的認(rèn)可。

與此同時，亦采取措施對溶溝區(qū)域在設(shè)計上進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)：①加強(qiáng)溶溝區(qū)域底板剛度，厚度提高到800 mm；同時采用大梁拉結(jié)跨過溶溝；②適當(dāng)加大溶溝區(qū)域樁嵌巖深度，即穿過溶洞后進(jìn)入穩(wěn)定巖層不小于1.5 m；③地下室結(jié)構(gòu)所有鋼筋均采用機(jī)械連接。

3 場地類別對超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

對比采用文獻(xiàn)［1］及文獻(xiàn)［2］場地類別對超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的差異，同時采用文獻(xiàn)［2］計算補(bǔ)充T1棟超高層基底剪力對比。

3.1 規(guī)范相關(guān)參數(shù)

文獻(xiàn)［1］與文獻(xiàn)［6］一脈相承，時程分析時輸入地震加速度最大值A(chǔ)max、水平地震影響系數(shù)最大值αmax、場地最小地震剪力系數(shù)λmin均未考慮場地類別的影響；文獻(xiàn)［2］對Amax、αmax、λmin則均合理考慮了場地類別的影響：Ⅱ類場地下Amax、αmax、λmin文獻(xiàn)［2］與文獻(xiàn)［1］一致，以Ⅱ類場地的Amax、αmax、λmin為基準(zhǔn)，文獻(xiàn)［2］Ⅰ類場地Amax、αmax、λmin為Ⅱ類場地Amax、αmax、λmin的0.9倍，Ⅲ、Ⅳ類場地Amax、αmax、λmin為Ⅱ類場地Amax、αmax、λmin的1.1倍。

3.2 抗震設(shè)計反應(yīng)譜

規(guī)范所采用的抗震設(shè)計反應(yīng)譜以地震影響系數(shù)曲線的形式體現(xiàn)。影響反應(yīng)譜形狀的因素很多，在繼續(xù)保留烈度概念的基礎(chǔ)上，用設(shè)計地震分組的特征周期Tg予以反映［5］，而影響特征周期的一個重要參數(shù)就是場地類別。

文獻(xiàn)［1］采用小震設(shè)計，文獻(xiàn)［2］采用中震設(shè)計，本項目設(shè)防烈度為7度（0.10g）、設(shè)計地震分組第一組，不同場地類別的地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 不同場地時地震影響系數(shù)曲線Fig.7 Seismic Coefficient Curves for Different Terrains

如圖7所示，在自振周期小于0.1 s即剛度很大的超短周期的結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)不受場地類別的影響外，地震影響系數(shù)隨著場地類別的提高而增大，即場地覆蓋層越厚、土質(zhì)越軟結(jié)構(gòu)所受到的地震力越大。所不同的是，對于長周期結(jié)構(gòu)（一般自振周期大于3.5 s），地震影響系數(shù)對場地的敏感性文獻(xiàn)［1］低于文獻(xiàn)［2］。

以本項目來說，第一自振周期T為4.95 s，阻尼比均取0.05，Ⅱ類場地特征周期Tg為0.35 s，Ⅲ類場地特征周期Tg為0.45 s。

按文獻(xiàn)［1］第4.3.8條計算：αmax=0.08；

由式⑴、⑵可知，在同一條件下，地震影響系數(shù)Ⅲ類場地αⅢ比Ⅱ類場地αⅢ文獻(xiàn)［1］僅提高約6%，而文獻(xiàn)［2］Ⅲ類場地αⅢ比Ⅱ類場地αⅢ提高達(dá)40%，說明文獻(xiàn)［2］充分考慮了場地類別對長周期結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 T1棟超高層基底剪力對比

從上述對比來看，場地類別的不同決定了地震力的大小，為對比實際設(shè)計計算中場地類別對工程設(shè)計結(jié)果影響程度，以T1 棟超高層計算模型為例，分別按場地類別Ⅱ、Ⅲ類采用文獻(xiàn)［2］進(jìn)行計算（注：整個項目經(jīng)與業(yè)主、審圖單位商定采用文獻(xiàn)［2］進(jìn)行設(shè)計），地震下基底剪力計算結(jié)果如表4所示。

由表4 的計算結(jié)果可知，當(dāng)按文獻(xiàn)［2］設(shè)計時，在其他參數(shù)相同的情況下，同一計算模型僅改變場地類別的設(shè)置，Ⅲ類場地的調(diào)整前的基底剪力會比Ⅱ類場地增大35%左右，這與式⑵增大40%的結(jié)果相吻合，說明調(diào)整前的基底剪力即為基準(zhǔn)地震剪力與地震影響系數(shù)基本成正比。

經(jīng)剪力調(diào)整后，基底剪力相差為10%左右，這也說明文獻(xiàn)［2］的最小剪力調(diào)整系數(shù)對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行兜底，避免不同場地類別的地震剪力相差過大而導(dǎo)致不安全。

對于T1 棟超高層來說，按Ⅲ類場地將比按Ⅱ類場地設(shè)計時的計算地震力會增大約10%，這將間接導(dǎo)致工程造價增加約5%～8%。反過來說，經(jīng)過論證T1棟最終按Ⅱ類場地進(jìn)行設(shè)計，相當(dāng)于節(jié)約了5%～8%左右的造價。

4 結(jié)論

⑴場地是個宏觀概念，場地類別的劃分應(yīng)針對“具有相似的反應(yīng)譜特征”從大局上整體把握，盡量減少局部對整體的影響。

⑵在巖溶發(fā)育區(qū)，對于采用樁基礎(chǔ)的超高層建筑，場地覆蓋層厚度建議從底板底起算。

⑶相對于文獻(xiàn)［1］，文獻(xiàn)［2］對Amax、αmax、λmin均考慮了場地類別的影響，較為合理。對于長周期結(jié)構(gòu)，地震影響系數(shù)對場地類別的敏感性文獻(xiàn)［1］低于文獻(xiàn)［2］。

⑷采用文獻(xiàn)［2］設(shè)計時，超高層建筑（長周期結(jié)構(gòu)）按Ⅱ類場地進(jìn)行設(shè)計，比按Ⅲ類場地設(shè)計節(jié)約造價約5%～10%。因此根據(jù)實際場地的地質(zhì)條件來科學(xué)、合理地判別建筑場地類別對節(jié)約工程成本具有重要意義。