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岩土工程勘察中如判别建筑场地类别

288 2021-01-29 10:53:34

建筑结构在抗震设计中需要的一个重要参数就是地震影响系数。地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。地震影响系数一个重要特点就是在同样烈度、同样场地条件下的反应谱形状,随着震源机制、震级大小、震中距远近等的变化,有较大变化,影响因素很多。在抗震设计中,现行规范采用场地类别和设计地震分组对应的反应谱特征周期进行设计计算。而特征周期实际上是地震专家们为了模拟地震反应谱提出的设计反应谱的需要,而根据大量地震统计数据提出来的一个概念,特征周期的取值和地震影响系数的取值实际都是经验值,本来地震反应谱就是经过许多假定而提出来的,为了用设计反应谱模拟地震反应谱,必须提出一个公式,而特征周期就是公式里的一个系数。


由此可见,场地类别是确定特征周期,进而确定地震影响系数的重要依据,直接关系到建筑设计中水平地震作用计算的结果,最终影响结构设计内力计算和配筋等重要问题。

一、建筑场地类别判别的条件

   岩土工程勘察解决的主要问题之一是确定建筑场地类别,并通过划定的设计地震分组,进一步确定特征周期,为建筑抗震设计提供必要的参数。

   在抗震设计中,场地的概念是指具有相似的反应谱特征的房屋群体所在地,不仅仅是房屋基础下的地基土,其范围相当于厂区、居民点和自然村,在平坦地区面积一般不小于1km×1km。由此可见,建筑抗震设计上的场地应抓住其内涵(相似的地震反应谱特征)本质特征才能去理解,是一个反映宏观水平的概念,不能单纯地理解为建筑物地基所在的范围,是反映建筑场地宏观地震效应平均水平的概念。不能拘泥于场地面积大小,应以相似的反应谱特征特征为判别场地类别的主要依据。

   建筑场地类别是根据建筑场地覆盖层厚度和土层等效剪切波速等因素,按有关规定对建设场地所做的分类,用以反映不同场地条件对基岩地震震动的综合放大效应。因此,判定场地类别的首要任务是测定岩土层的剪切波速和确定覆盖层厚度,进一步按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第4.1.5条等效剪切波速计算公式计算覆盖层厚度内等效剪切波速值,进而判定场地类别。

二、规范对剪切波速测量和覆盖层厚度判定的规定

   1、《建筑岩土工程勘察设计规范》(DB37/5052-2015)

    第6.10.7条规定:为划分场地类别布置的勘探孔,每一场地不宜少于2个,建筑群场地每幢建筑物不宜少于1个,当场地类别可能有变化时,宜适当增加。当缺乏资料时,应有部分勘探孔深度大于覆盖层厚度。当覆盖层厚度大于80米时,勘探孔深度应大于80米,并分层测定剪切波速。十层或高度30米以下无实测剪切波速时,可按岩土名称和性状根据表6.10.7并结合经验估计各土层的剪切波速。

(注:《抗震设计规范》为区分多层和高层,参照《民用建筑设计通则》将高度改为24米的丙类建筑和丁类建筑(除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑,大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)。


    第6.8.10条规定:建筑场地覆盖层厚度的确定,应符合下列要求:

  (1)一般情况下,应按地面至剪切波速大于500m/s且其下卧各层岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离确定;

  (2)当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层,且其下卧岩土的剪切波速均不小于400m/s时,可按地面至该土层顶面的距离确定。  

  (3)剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体,应视同周围土层。  

  (4)土层中的火山岩硬夹层应视为刚体,其厚度应从覆盖土层中扣除。


   2、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010、2016版)

   第4.1.3条规定:土层剪切波速的测量,应符合下列要求:

  (1)在场地初步勘察阶段,对大面积的同一地质单元,测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于3个。

  (2)在场地详细勘察阶段,对单幢建筑,测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个,数据变化较大时,可适量增加;对小区中处于同一地质单元的密集高层建筑群,测量土层剪切波速的钻孔数量可适量减少,但每幢高层建筑和大跨空间结构的钻孔数量不得少于一个。

  (3)对丁类建筑及层数不超过10层且高度超过24m的丙类建筑,当无实测剪切波速时,可根据岩土名称和性状,按《抗震规范》表4.1.3 规定划分土的类型,再利用当地经验在表4.1.3的剪切波速范围内估算各土层的剪切波。


   第4.1.2-4.1.6条文说明“为保障安全的条件下尽可能减少设防投资,在保持技术上合理的前提下适当扩大了Ⅱ类场地的范围,有意识地将Ⅰ类场地的范围划得比较小”。

三、剪切波速钻孔布置及测量要求

1、甲、乙类建筑物、大面积场区的勘察项目(无论初勘或详勘及高层建筑和大跨度空间结构建筑等)均应按《抗震规范》第4.1.3条规定布置测试土层剪切波速的钻孔;

2、按照《省标》第6.10.7条规定“为划分场地类别布置的勘探孔,每一场地不宜少于2个,建筑群场地每幢建筑物不宜少于1个”,可以理解为每栋建筑物内至少布置1个钻孔,深度要满足揭露覆盖层厚度的要求,若覆盖层厚度变化较大时,应增加钻孔数量。

3、在场地详细勘察阶段,对重点设防类的多层建筑工程(如学校、医院、养老院等)布置测试土层剪切波速的钻孔数量,对于单栋建筑物不宜少于2个,同一地质单元多栋密集建筑群可适量减少但不宜少于3个;每栋高层建筑和大跨度空间结构(指横向跨越60米以上空间的各类结构)钻孔数量不得少于一个。测试数据变化较大时,可适量增加。

4、根据岩土名称和性状估算剪切波速的丙类和丁类建筑,有当地经验时按《抗震规范》表4.1.3 规定的范围值估算各土层的剪切波速。对经验不足或缺少当地工程经验的场地,可参照《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)附录B的规定,通过标准贯入试验和与地层厚度相关的经验公式估算各土层的剪切波速值。

5、钻孔内测量剪切波速的要求和注意的问题

  (1)勘察期间,应有应有部分钻孔深度大于覆盖层厚度,并按规范要求分层测量剪切波速。当覆盖层厚度已大致掌握并在以下情况时,测量剪切波速的勘探孔可不必穿过覆盖层,而只需达到20m即可;

①对于中软土,有可靠资料显示覆盖层厚度能明显大于50m或小于50m;

②对于软弱土,有可靠资料显示覆盖层厚度能明显大于80m或小于80m。

③场地覆盖层厚度可通过搜集资料确定,但应有充分的证据。此处“有可靠资料”可理解为附近有确切的钻孔资料和剪切波速测试数据。在此深度若为中风化岩时,可认定为剪切波速值大于500m/s,并确定为覆盖层厚度;若为密实碎石土或强风化岩时,剪切波速值可能在500m/s左右,此时应分层测量剪切波速进一步确定覆盖层厚度。

④第四系土层厚度小、强风化基岩埋深浅且厚度较大时,覆盖层厚度可能在3、5米附近变化,强风化岩剪切波速可能在500m/s左右,应加密测量点,准确判定覆盖层厚度。对厚层的强风化岩可根据剪切波速值变化细分波速层,剪切波速分层与地层结构分层不一定同为一层。

  (2)现场实测时要尽量选择钻孔附近没有影响人工波传播障碍物的场地做剪切波速试验钻孔;

  (3)在波速试验深度范围,如果采用套管护壁,应尽量做到全程跟进套管,保证套管与土层紧密接触;如果是泥浆护壁钻孔,泥浆比重应尽量小;

  (4)波速试验数据的采集原则上在地层变层处要采集数据,如果单层土层厚度大于2米,应该按每米加采数据。

  (5)岩土层剪切波速经验值详见下表:

岩土层剪切波速经验值表

注:剪切波速随深度的变化规律计算公式:vs=124.5H0.267。对149个钻孔分层剪切波速平均值分析的经验公式,相关系数为0.99。

四、场地类别判别方法探讨

1、场地的基本概念指出在平坦地区面积一般不小于1km×1km。平坦地区主要为冲积平原地貌或准平面地貌单元(如南部郯城、兰陵中南部等区域、临沂三区中南部地区)。由于基岩埋深较大,分布稳定,可根据场地区域变化条件判定覆盖层厚度;对于低山或剥蚀丘陵地貌单元的建设场地,覆盖层厚度受地形和岩性变化等影响较大,可按建设工程所在地貌单元及周边一定范围分析确定。

2、对于地形相对平坦、无须进行整平的建筑场地,其建成前后场地环境相差不大时,可以原始地形地貌条件进行评价;对于场地地形变化较大、需要大填大挖整平,应以整平场地即建成后场地地面为起算依据,这样才能较好反映拟建物的地震环境。

3、当场地覆盖层厚度变化较大,一个场地可能出现两个不同的类别时,若在区域上具有明显的变化特点,可按不同的类别分区评价;若不具备一定的规律性,可按不利条件判定评价。

4、对于规划设计为整体地下车库的建筑群场地,结构计算参数主要以地下车库周边地震动参数进行设计,按相似的反应谱特征判定场地类别出发,应考虑地下车库周边一定范围内覆盖层厚度等条件评价场地类别。

5、当采用多孔测量波速时,测试数据应进行数理统计,提供最大值、最小值、平均值,6个孔以上应提供标准差和变异系数。利用统计结果选取有代表性钻孔揭露的不利地层计算等效剪切波速。

五、总结

1、岩土工程勘察工作的主要任务之一通过外业钻探、现场测量土层的剪切波速,经过资料和数据分析后判定建筑场地的类别,并通过划定的设计地震分组,进一步确定特征周期,为建筑抗震设计提供必要的参数。

2、建筑场地类别可以认为是在地震力作用影响时一个宏观判定的结果,一般不以局部微观条件的变化而发生变化。但由于场地地形地貌、设计条件、环境条件变化等因素各不相同,从宏观区域条件上很难准确把握。因此,可在已掌握勘察资料基础上,并结合区域环境条件,按抗震设计的不利条件综合分析评价为宜。

3、判定场地类别最重要的工作就是测量岩土层的剪切波速。测量数据的准确性直接影响到抗震设计参数的选用,进而影响到抗震设计的安全性和建设工程的投资规模。因此,在实际工作中,应严格按照有关的操作规程和规范要求的钻孔深度进行测量,以保证测量结果的准确性和可靠性。