王 竞，王世元，宴金旭，冯 薪，赵 晶
（1.四川省地震局，四川成都 610041；
2.四川交通职业技术学院，四川成都 611130）
强烈地震产生的巨大能量使得地表变形以及建筑物破坏，进而引发次生灾害，造成巨大的生命财产损失。场地是地震波传播的介质，地震灾害的实质就是场地对强烈地震动的响应所致。在工程地震学领域，场地条件主要包含地形地貌、岩土成分与性质、地质构造和水文地质等工程地质条件。不同的场地影响着地震波的放大或缩小，且场地条件和承灾体决定着地震灾害的大小和分布范围。场地在经历地壳运动后变的十分复杂，在纵横向上表现出不均匀性，在力学上表现出不连续性和非线性，且场地类别和场地土体非线性特征直接显著影响着地震动参数及建构筑物的损害程度［1－2］。从1906 年开始，Wood 在1906 年旧金山大地震震害调查的基础上明确了场地条件对震害程度有影响［3］，到我国现行的2016 年出版的《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2010）［4］（以下简称《10 规范（2016 版）》）的颁布，场地的分类经历了提出、修改和确定，目前国内采用以等效剪切波速和覆盖土层厚度为指标的双指标法进行分类。但是近年来，软弱夹层、填土、冻土和深厚土层等复杂场地条件频出，这些复杂场地对地震动的影响千差万别［5－8］，场地分类无法体现特定场地的具体情况和特殊性［1］，因此场地分类所涉及的相关参数的选择就显得尤为重要。本文以我国抗震设计规范为主线探讨与阐述了我国场地分类的发展进程，总结了国外场地分类的研究成果，结合工程实例比较并讨论了各国场地分类方法的优缺点，指出了未来发展的方向。
1.1 场地分类在建筑抗震设计规范中的演变过程
中国的建筑抗震设计规范从诞生距今经历了8 次修改，随着规范的不断改进，场地分类方法也逐渐完善。
1959 年，我国第一代建筑抗震规范草稿在中国科学院土木建筑研究所诞生（以下简称《59 规范》）［9］，规范中未给出相对较明确的场地分类方法，但是却对场地烈度、抗震有利以及不利条件做了相关界定，并明确反应谱采用动力放大系数（β）来表示，这标志着中国对场地分类研究的开始。
1964 年，刘恢先教授团队完成了第二代建筑抗震规范的编制（以下简称《64 规范》）［10］，给出了将场地类别划分为4类的方案，参考指标是计算强度、单位质量、卓越周期和纵波波速，反应谱的表达形式沿用《59规范》中的规定，采用动力放大系数（β）。
1974年，《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11－74）（以下简称《74规范》）［11］是我国第三代建筑抗震设计规范，也是第一部正式颁布的建筑抗震规范，规范中采用场地的岩土特性将场地划分为3 类，改进了反应谱的形式采用地震影响系数（α）来表征。
1978 年，颁布了第四代《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11－78）（以下简称《78 规范》）［12］，该规范是在《74 规范》的基础上修改完善的，保持以宏观描述为分类指标，地震影响系数（α）表示反应谱不变，对建筑物设计烈度和结构影响系数作了改进。《78规范》颁布以后，研究者对于场地分类相关方面展开研究，取得了一些进展。周锡元指出《78 规范》中场地分类若只凭一般岩性描述的绝对性，提出考虑土层厚度、土层刚度和分层结构将场地分为4类的划分方法，并且建议采用连续化的划分方法，有效解决了《78规范》分类方案在边界附近的场地类别差一类，反应谱特征周期（Tg）也相应跳一档的不合理性，同时还给出了只有表层地质资料时场地的粗略分类方法［13－14］。随后，王广军等［15－17］通过建立场地类别的模糊关系来确定隶属域的方法，解决了各场地类别间的不确定性和模糊性；
提出剪切波速和覆盖土层厚度作为场地分类的适宜指标进行分类，该方法对界限场地的划分具有一定的参考价值，使得处于分界线的场地分类更准确。
1989 年，在之前的研究基础上第五代《建筑抗震设计规范》（GB J11－89）［18］颁布（以下简称《89 规范》），给出了以覆盖土层厚度（dov）和平均剪切波速（vsm）为指标将场地划分为4类的详细方案，计算深度为15 m，这是我国首次采用双指标法进行分类，但是存在Ⅱ～Ⅳ类场地的跳跃区。对此，薄景山［19］修改了覆盖土层厚度分界线以避免Ⅱ－Ⅳ类场地跳跃。
2001 年，颁布了第六代《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2001）（以下简称《01 规范》）［20］，该规范将场地分类指标之一的平均剪切波速改为等效剪切波速，计算深度为20 m。尚银生等［21］亦研究认为同一计算深度下，大多数情况等效剪切波速vse小于平均剪切波速vsm，建议增加计算深度增加至20 m。2008 年第七代《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2001）（以下简称《01规范（2008版）》）完善出版，在场地分类方面未作修改。
2010年，我国颁布第八代《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2010）（以下简称《10规范》）［22］。2015年，王海云等［23］采用单孔数据在不做回归分析的前提下，确定了以走时平均剪切波速为指标的分类方法，进一步提高场地分类的准确度，但该方法对于深度大于30 m的剪切波速度计算有较大误差未得到广泛应用。2016年出版了《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2016）（以下简称《10规范（2016版）》）［24］，其中关于场地方面规定不变。《10规范（2016版）》与《01规范（2008版）》相比将等效剪切波速上限增加至800 m/s，并增加了侧重于颗粒大小以及地基承载力影响的各类岩土性状描述，并将场地类别细化为5 类（包括一个亚类）。建筑抗震设计规范的演变过程见表1，我国现行《10规范（2016版）》场地类别划分情况见表2。
表1 建筑抗震设计规范的演变过程Table 1 Evolution process of building seismic design code
表2 GB 50011－2010（2016版）场地类别划分Table 2 Classification of sites in GB 50011－2010（2016 section）
1.2 我国场地分类研究焦点
纵观场地分类在我国建筑抗震设计规范的发展历程，诸多学者为了改进场地分类方案开展一系列研究，主要聚焦于采用强震动记录进行分类、以场地基本周期为分类指标以及计算深度的合理选择三个方面。
随着我国强震台网的逐步建设，利用强震记录进行场地分类越来越受关注并得到了广泛应用。相关研究表明：利用强震记录进行场地分类的结果与实测钻孔剪切波速的分类结果有较好的对应性，此外还可以弥补因钻孔资料缺失而无法分类的问题，在一定程度节约了经费，是我国场地分类发展的重要方向之一。温瑞智等［25－26］WEN 等［27］对此展开了大量的研究，2008年提出了采用反应谱峰值周期和其谱值进行分类，随后利用H/V 谱比法对汶川主震、芦山余震的强震动记录以及K－NET 台站数根据其谱形特性和卓越周期对场地类别进行了划分，2015 年首次统计出了我国前三类场地的标准化谱比曲线，其谱比特征和差异进行了分析对比，提出了适合我国抗震规范的谱比法场地类别划分经验方法，强调了场地地震动特性和区域性影响效应［25－27］。
场地周期是反应场地条件的固有参数之一，也是最体现场地振动特性的指标，该参数与覆盖土层厚度直接相关的，也与地表地震动的频谱特性和强度关系密切。2001 年，窦立军等［28］就给出了以最长共振周期为卓越周期进行分类的设想，但该方法是基于基岩地表以上全部土层的放大特性来考虑的，且标准依靠实测值。随后，土层结构对场地的影响收到广泛关注，诸多研究学者指出历代场地分类方法均没有考虑沉积土层排序也就是土层结构对场地的影响，而随着软夹层所在位置的变化会使场地类别发生变化，这显然是不合理的［29－31］。为此，薄景山等［32］、齐文浩等［33－34］和王竞等［35］开展了深入研究，采用逐层单自由度法推导得到了可反映土层结构影响的场地基本周期公式，在此基础上进一步给出了采用周期等效剪切波速为分类指标的分类方法，有效的解决了这一问题。经研究，现有的场地周期估算方法除逐层单自由度法［36］，还有弱震法和HVSR 法［37－38］，但估算的准确性和应用性有待作进一步研究，为探索以场地周期进行类别分类提供了理论基础。
场地特性划分准确性的基础是合理的分类指标选择，而计算深度的选择也是重要影响因数之一。目前，我国场地分类所选取的计算深度是取20 m和覆盖土层厚度的较小者，即最深取到20 m。研究表明：建议增加等效剪切波速的计算深度。从科研发现：计算深度越深，越能反映场地特性，厚度的影响相对越小［39］，此外土层对反应谱形态的影响变小也是发生在30 m 以后［30－31］；
另一方面，对于沿海地带，沿海回填土层后，回填层下低俗层考虑不足，需综合考虑软弱层和地质条件差异等因素，增加计算深度。从基岩定义分析，我国定义的基岩是剪切波速大于500 m/s的硬土层，但是薄的夹砂层或孤石不能作为“基岩”对待，这在当时主要受到较低的钻探水平的制约而采用的权宜办法。郭峰等［40］认为vs20＞500 m/s严格意义上只能算作坚硬土或软基岩［47］，建议参考美国或欧洲规范的取值，即为vs20＞760 m/s 或vs20＞800 m/s。从工程需求来看：如今中国是基建强国，越来越多的大跨度、超高层结构和地下空间场地条件对勘察深度提出更高要求，需要详细了解地下土层特性，为了工程的安全性考虑，迫切需要考虑更深的钻孔和增加土层反应的计算深度。从经济发展来考虑，目前我国经济水平和钻探技术均已有大幅度的提升，钻探和波速测试所需的成本支持也提高很多，为钻探的深入提供了有力支持。综合来看：可以考虑将剪切波速调高以便更准确的确定基岩面所在位置，或者增加计算深度至30 m更全面的对地下结构进行了解，更清楚的反应场地特性，也更便于与国际接轨。同时，对于未达到30 m 深度的剖面，戴志军等［41］提出了基于条件独立性—瞬时速度的vs30估计模型，郭峰等［40］提出的对应关系，喻畑等［42］利用延拓方法、地形地貌等6种方法对vs30经验估计的研究，均对于30 m深度剪切波速估计提供方法，便于对于我们利用国外资源来弥补我国强震资料的匮乏。
2.1 国外主要场地分类方法发展历程
国外规范在分类指标的选取上除日本以外大多以vs30为指标进行场地分类［43－44］，这一指标第一次是由Borcherdt、Glassmoyer和Borcherdt分别在1992年和1994年提出的。为进一步完善并改进场地分类方案，尽可能的提出一种方便、便宜、有效且精度高和可操作性强的分类标准，对分类方法及指标等因素的研究不断地深入。
对于场地分类方法的确定。2001年，Yaghmaei等［45］在对记录到的数据进行精确说明和可靠分析的基础上构建了一种基于神经网络的方法；
2011 年CAPUA 等［46］研究了基于vs30的浅层地质图，利用GIS/DEM 数据分类的方法；
在ANBAZHAGAN 等［47－48］看来，NEHP 和IBC 规范中的场地分类在浅层土中不适用，而且该分类方法会低估场地反应谱纵值，最终建议采用到达基岩面的剪切波速/平均土层厚度进行分类；
2012 年，CHUNG 等［49］考虑了NEHRP 对大区域使用的困难及对vs随深度变化的忽略认为可直接采用30 m 处的剪切波速值进行分类；
此外，PITILAKIS 等［50］和VERDUGO 等［51］的研究结果表明：较好的场地分类方法应单列需专门进行研究的特殊土场地的场地类别，确定出特殊土场地的范围。
针对于分类指标的选择，BOORE 等［52－53］分析比较了三种估计vs30的浅层波速模型，并验证了vs30作为场地效应的代表性，指出来这一参数作为分类指标的合理性；
而考虑了vs30对浅层地区分类的不合理及单一指标的不完全性，2001年ADRIAN 等［54］提出了主要指标和次要指标的分类方法，主要指标为沉积物类型、基岩深度或表层土沉积物与760 m/s的物质有显著波阻抗比的深度，次要指标为沉积物年代和土类型，该方法显著减小了标准差，但所考虑的因素较多；
除等效剪切波速以外，诸多研究表明场地周期亦是表征场地土性质的一个较好参数，ZHAO［55］采用卓越周期进行场地分类起到了更好的效果；
ZHAO等［56］将场地周期Ts及vs30的
预测能力进行了比较分析，发现两者有相似的标准差；
但Ts的放大率表现的更好［57］，结果与DONG 等［58］和ZHU等［59］认为场地周期是最有用、作为场地分类最佳的的一个单一参数的说法一致。
2.2 国外场地分类现状
2000年，美国国际规范协会ICC（International Code Council）出版发行了美国规范IBC（International Building Code），场地类别划分标准为2009 版的IBC 规范（以下简称“IBC2009”），场地类别划分情况见表3［60］。该规范采用等效剪切波速、平均标准贯入系数和平均不排水剪切强度三个指标，将场地分为6类。其计算深度为30 m，基岩波速取760 m/s。
表3 IBC2009场地类别划分Table 3 Classification of sites in IBC2009
欧共体委员会为了完善欧洲各国抗震规范出现的不一致问题，建议制定统一的抗震规范，简称“欧洲规范EC”。2004 年，欧共体委员会相关部门颁布了欧洲国家现行的抗震设计规范Eurocode8（以下简称“EC8”），场地类别划分见表4［61］。该规范的划分指标为30m 深度的等效剪切波速vs30、标准贯入击数NSPT以及土的不排水剪切强度Cu。规范将场地划分为7 类，5 个基本分类（与我国分类相对应），加上S1和S2两个关于高塑性粘土和可液化土、敏感土的分类［62］。
表4 EC8场地类别划分Table 4 Classification of sites in EC8
日本的建筑抗震规范被誉为是世界最先进的规范［40］，1981 年发行的BSL（Building Standard Law）建筑基准法（以下简称“BSL1981”）是使用较多的，与现行的BSL2000 在场地分类这一部分并无较大区别，因此将BSL1981 场地分类情况列于表5 中［62］。该规范将场地分为3 类，场地分类的唯一指标是特征周期，涉及的计算深度是30 m。因是一种宏观划分，故分类较简单，但是考虑了土的性状和回填土的影响。
表5 BSL1981场地类别划分Table 5 Classification of sites in BSL1981
3.1 规范中的场地分对比
迄今为止，众多学者对场地分类的相关研究做出了贡献，YU等［63］、EDOARDO等［64］、黄雅虹等［65］、薄俊晶等［66］和李慧等［62］对不同时期中、美、欧和日建筑抗震规范中有场地划分的规定作了不同程度介绍和对比。本文系统梳理出中国、美国、欧洲和日本各国对场地分类的规定相关参数，并在一定程度上作对比分析，见表6。通过对比分析发现，各国抗震规范的差异主要在于分类指标、分类类别数量、计算深度等的不同，美国、欧洲、日本的计算深度均采用30 m，比我国更深，但是我国考虑了覆盖土层厚度的影响。2015年，李敏［67］亦指出考虑覆盖土层厚度的分类方法显示了一定的优势性，然而对于计算深度的选取有待进一步的研究。整体上中国、美国和欧洲规范的分类方法基本一致，日本有所不同，但最终分类结果相似。
表6 中、美、欧和日场地分类对比Table 6 Compare of Classification of sites in China、USA、UE、Japan
3.2 工程实例应用对比
利用各国场地分类方法对实际工程场地进行类别划分，进一步分析不同分类方法的差异性。在众多的地震安全性评价工作和中国地震试验场建设过程中发现四川西昌地区场地类别丰富，各类场地齐备，因此本文在选取分类模型时均选取该地区的场地，具体分类情况见表7。
表7 中、美、欧和日实际工程场地分类对比Table 7 Compare of classification of engineeringsites in China、USA、UE、Japan
综上所述，通过对国内外主要国家的抗震设计相关规范对场地分类有关情况进行了实例应用和对比分析，产生了几点思考：
（1）各国场地类别的对应关系。通过对实际工程场地进行分类可大致得到不同国家场地类别的对应关系，中国Ⅰ0类场地相当于美国A 类、欧洲A 类和日本1 类场地；
中国Ⅰ1类场地相当于美国B 类、欧洲A 类和日本1 类场地；
中国Ⅱ类场地相当于美国C 或D 类、欧洲B 或C 类和日本1 或2 类场地；
中国Ⅲ类场地相当于美国D 类场地、欧洲C类场地和日本2类场地。可以看出：波速在分档附近时由于各国所选的的剪切波速分档值不同而造成类别划分的不完全对应。
（2）各国场地分类的优越性。中国双指标场地分类，同时考虑了等效剪切波速和覆盖土层厚度的影响，这不仅把土的深度和硬度的影响考虑在内，而且避免了使用单一指标可能造成的误差，经济实用，还具有可操作性。美国、欧洲和日本计算深度的选取，均取30 m 深度进行计算，能较好地表现地下土层的特性，满足现今的工程需求，单对浅层地区存在的不适用性，其钻孔深度也许达不到30 m；
此外三个国家在进行场地分类时，均考虑了特殊土的类别，如美国F 类场地的高塑性土等特征土层、欧洲E 类、S 类场地的冲积层及特殊粘土、日本3类场地的回填土，对实际工程场地的软弱性进行了考虑。
（3）中国场地分类的改进建议。中国分类指标不能反映土层结构的影响，建议可采用场地周期作为分类指标，该参数比剪切波速对场地的放大预测更准确，且能够较为清晰的反映土层层序对场地效应的影响，可以作为分类的一个重要参数；
建议增加计算深度的选取，进一步与国际接轨统一，综合考虑深层土特性、工程需求、经济发展和防灾减灾需求等因素；
建议在类别的划分上单列出需要考虑的特殊土类，在可操作的范围内进行一定程度的细分。
场地分类能明确地区分不同场地的放大效应，从而确定设计反应谱以满足抗震的需求，有效地减轻震害。本文研究了国内外主要国家关于场地分类的进展，对美国、日本、欧洲以及我国各抗震规范进行了分析比较，其分类指标的选取应多参考各国场地实际情况及国情。现行建筑抗震设计规范中关于场地的分类可圈可点，随后针对这一领域的研究方向将会更多的聚焦于改善现有分类指标不能反映土层结构的问题，如采用场地周期为指标进行分类；
利用强震动进行场地分类；
探讨对vs20与vs30适宜性等一系列问题。研究表明：场地的基本周期作为一种更为合理的分类指标，其精确性计算需要开展更多大量的研究，通过一般工程场地进行计算结果的准确性和分类结果的合理性检验。因此，解决现行分类方法的不足，提出一种经济和准确具有可操作性的新分类方法，将会在一定程度上推动工程地震的研究。