趙樹光，沈明云

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

隨著“一帶一路”的發(fā)展，中國在境外承接的項目越來越多，特別是在東南亞、非洲、美洲等地區(qū)比較集中。在項目執(zhí)行過程中，經(jīng)常遇到選擇抗震參數(shù)、液化計算等問題。項目所在國家主要以不發(fā)達國家或發(fā)展中國家為主，很多國家抗震資料和體系不全，如非洲剛果金某碼頭項目存在缺乏抗震區(qū)劃圖的問題，馬來西亞東海岸鐵路項目存在線路長、地域廣、抗震參數(shù)不好選取等問題。中標抗震規(guī)范已經(jīng)比較成熟，形成了以建筑抗震設(shè)計規(guī)范和區(qū)劃圖相結(jié)合的體系，編制報告時參數(shù)選取非常方便，但在執(zhí)行境外項目過程中，一般以英標、美標和歐標為主，部分國家如印尼、菲律賓等編制了自己的抗震設(shè)計規(guī)范，不同體系下設(shè)防目標、設(shè)計標準、參數(shù)選擇都存在明顯差異。部分項目雖在境外，但仍然采用國標，而參數(shù)來源于當?shù)?，技術(shù)人員在編制地勘報告時往往不知如何提供，設(shè)計人員對參數(shù)的來源也存在困惑，因此在承擔(dān)境外項目時，既要研究中標參數(shù)的來源和含義，又要結(jié)合國外標準做好對比分析。在此基礎(chǔ)上對已經(jīng)完成的項目進行總結(jié)，系統(tǒng)性提出參數(shù)選取流程很有必要，更有針對性和可操作性，為以后承接海外項目、項目投標等提供指導(dǎo)和借鑒。

1 中國抗震規(guī)范的演變

我國是一個地震多發(fā)的國家，完善抗震規(guī)范以及積極吸取國外先進經(jīng)驗勢在必行。

建國前我國沒有完善的抗震體系[1-2]，20世紀50年代開始建立了區(qū)劃圖，1959年以蘇聯(lián)設(shè)計規(guī)范為藍本，提出了采用反應(yīng)譜進行設(shè)計的理念，1964年完善形成了1964規(guī)范。之后結(jié)合唐山地震和汶川地震經(jīng)驗,抗震設(shè)計規(guī)范總共經(jīng)歷了6次大的修訂：第1次，TJ 11—1974《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；第2次，TJ 11—1978《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；第3次，GBJ 11—1989《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；第4次，GB 50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；第5次，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；第6次，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2016版[3]。各個地區(qū)和行業(yè)也編制了相關(guān)的抗震規(guī)范，如JTS 146—2012《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》、JTGTB 02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細則》、DGJ 08-9—2013《上?？拐鹪O(shè)計規(guī)范》、GB 50111—2006《鐵路抗震設(shè)計規(guī)范》、GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計標準》等，逐漸形成了完善的抗震體系文件，其中國標以兩圖一表[4]和抗震規(guī)范相結(jié)合為特征。

中標抗震規(guī)范涉及的主要概念為：抗震設(shè)防烈度、地震基本烈度、設(shè)計基本地震加速度、設(shè)計特征周期、超越概率、土的類型、場地類別、地震分組、重現(xiàn)期等。從中標的演化來說，具有以下特征：逐漸與國際接軌，采用多級設(shè)防目標和概率設(shè)計理念，設(shè)計超越概率與歐標一致；地震區(qū)劃圖中動力放大系數(shù)提高到了2.5，與國外標準一致，同時根據(jù)中國國情提出了設(shè)計分組的概念；土的分類更加細化，提高了土的波速值，如軟弱土波速值提高到了150 ms；結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗，液化公式逐漸由線性過渡到對數(shù)型，且偏于安全考慮，見圖1。

注：Ncr為SPT錘擊數(shù)臨界值,ds為深度，N0為貫入器預(yù)打入土中15 cm的錘擊數(shù)。

圖1 液化對比

易犯錯概念主要為超越概率和設(shè)計分組等，海外項目確定峰值加速度一般要先確定超越概率，否則極易導(dǎo)致選錯參數(shù)，設(shè)計分組中第3組是為更安全考慮，比如汶川地震前成都主城區(qū)為第1組，后調(diào)整為第3組，如考慮遠震的影響在液化計算時可按第3組確定調(diào)整系數(shù)。

2 中外標準巖土抗震參數(shù)對比分析

2.1 主要海外項目

表1選取了部分代表性國家的地勘項目，列舉了區(qū)劃圖的收集以及峰值加速度的情況。大部分國家都建立了區(qū)劃圖，部分國家有完善的抗震設(shè)計規(guī)范，特別是地震高發(fā)國家。以印尼為例，目前已經(jīng)更新到12版，如果是純外資項目，一般根據(jù)業(yè)主要求并結(jié)合當?shù)亓?xí)慣采用英標、美標或歐標。少數(shù)非洲不發(fā)達國家或小國基礎(chǔ)設(shè)施落后沒有區(qū)劃圖等資料可利用，隨著中國影響力的增加，中標逐漸得到了推廣使用，也得到了業(yè)主的認可；大部分國家都為抗震峰值加速度較高的國家，東南亞以印尼和菲律賓為代表，美洲以墨西哥為代表，具有跨度大、極限值非常大的特點，非洲總體來說地震影響較小。

表1 部分國家的區(qū)劃圖情況

2.2 抗震體系及設(shè)計原則

中標設(shè)計原則[5]：一直貫徹三水準目標，即小震不壞、中震不倒、大震可修的原則。采用3個水準烈度和對應(yīng)的設(shè)防目標：建筑物處于正常使用狀態(tài)、非彈性工作階段、較大的非彈性變形，對應(yīng)的狀態(tài)為多遇、設(shè)防、罕遇，超越概率分別為63%、10%、2%～3%，重現(xiàn)期分別為50、475、1 600～2 400 a，重現(xiàn)期和超越概率可以通過經(jīng)驗公式計算：

TR=-TLln(1-PR)

(1)

式中：TR為重現(xiàn)期；TL為超越概率對應(yīng)的年限；PR為超越概率。區(qū)劃圖給出各種概率之間加速度換算的經(jīng)驗范圍值，為便于使用，表2給出了平均值。中標的主要設(shè)計原則見表2。

表2 中標設(shè)計原則

注：PGA為峰值加速度。

中外抗震體系及設(shè)計原則差異較大，主要表現(xiàn)為：美標設(shè)計原則和設(shè)防目標較單一，體系文件相對較多，超越概率要求較高(一般為2%)，歐標與中標超越概率一致(10%)，中標只有對核電等項目才采用極罕遇地震?；鶞实貙又袠艘话銥棰蝾悎龅兀鴩鈽藴驶疽詭r石為基準；動力放大系數(shù)區(qū)劃圖已經(jīng)調(diào)整為與海外標準一致，抗震規(guī)范仍采用2.25，重大項目一般采用2.5，更合理安全，也與國際接軌，量大面廣的項目可采用2.25。與中標不同，境外項目一般沒有設(shè)計遠震、近震、中震的概念，也沒有涉及到地震分組，按照中標進行液化評價時則缺乏對應(yīng)的參數(shù)。在沒有充足數(shù)據(jù)的前提下可按設(shè)計不利即設(shè)計遠震(第3組)考慮。中外標準對比見表3。

表3 中、美、歐標準抗震標準對比

注：英標與歐標類似，本文選擇歐標作對比。

2.3 土類的劃分

土層類別劃分的基本原則一樣，即按照土的力學(xué)特性來劃分，國內(nèi)場地劃分為5類：Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，土的類型劃分為軟弱土至巖石5大類；美標或歐標一般劃分為6類或7類。中外標準土層分類的對比見表4。

表4 中外標準土的分類對比

我國早期土層劃分較簡單，1978版抗震規(guī)范場地土劃分只有3類：Ⅰ(穩(wěn)定巖石)、Ⅱ(松砂或軟土)、Ⅲ(填土等)，場地是不分類的，僅僅根據(jù)感性認識分類，沒有具體的指標或參數(shù)；1989規(guī)范開始擴展到4類土，開始結(jié)合波速試驗和承載力分類，并首次結(jié)合覆蓋層的厚度確定場地類別，為以后的規(guī)范奠定了基礎(chǔ)；后面經(jīng)過陸續(xù)修訂最終分為5類，并且波速也適當提高，與國外標準接近。

土層分類基本原則一致，但參考指標不相同。中標側(cè)重用波速，歐標及美標側(cè)重用標貫和不排水抗剪強度(黏性土)判別，執(zhí)行較方便，黏性土的分類如無抗剪強度可按經(jīng)驗(表5)或Skempton經(jīng)驗公式通過SPT換算。中標與歐標的最大波速接近。中標軟弱土最大波速調(diào)整到150 ms，偏安全考慮，同時與國際接軌，硬質(zhì)巖石接近歐標。中標不涉及等級，只有土類的定名，僅有場地才確定等級，場地分類采用雙參數(shù)確定。美標波速一般為英制單位，存在單位換算的問題。

表5 黏性土分類對比

2.4 抗震區(qū)劃圖和峰值加速度

除了少數(shù)不發(fā)達國家外，國外一般都結(jié)合國情編制了抗震區(qū)劃圖，選取峰值加速度時注意以下事項：

1)峰值加速值PGA不是一個固定的值，需要確定一個前提，即采用什么基準地層和超越概率，國外一般按巖石考慮，我國是按Ⅱ類場地確定。超越概率也各不相同，我國對應(yīng)的概率為50 a超越10%，重現(xiàn)期為475 a，有的國家給出了幾種概率的區(qū)劃圖，不同概率之間的PGA可以相互換算[6]。

2)獲取PGA常用的方法包括：①根據(jù)項目經(jīng)緯度查閱USGS(美國地質(zhì)勘探局)網(wǎng)站，獲取有關(guān)參數(shù)，通過參數(shù)SS和S1(分別為0.2 s和1 s處B類場地的設(shè)防加速度)換算得到峰值加速度；②收集當?shù)氐卣鸩块T的區(qū)劃圖等資料；③查閱網(wǎng)站GSHAP(全球地震災(zāi)害評估計劃)，和USGS一樣，受限于地震資料收集，往往與當?shù)氐囊?guī)范相差較大，一般以當?shù)匾?guī)范為準；④強地震地區(qū)一般要做專題評估報告，這是最可靠的方法，且一般要做反應(yīng)譜試驗，可以得到更精確的結(jié)果，以菲律賓某電廠項目為例，由有資質(zhì)的公司做了專題研究；⑤專家會議法，會議一般由業(yè)主發(fā)起，由地震方面的專家討論決定，統(tǒng)籌結(jié)合各自方法的優(yōu)缺點，共同承擔(dān)責(zé)任。以菲律賓某電廠項目為例，專題報告采用不同研究手段得到場地的3種加速度值，但并沒有給出推薦值；會議上專家通過討論協(xié)商確定采用平均值作為最終的峰值加速度采用值。

我國最新的區(qū)劃圖2015版，吸取汶川地震、日本311大地震經(jīng)驗，給出了兩圖(地震動峰值加速度區(qū)劃圖和特征周期區(qū)劃圖)，確立了雙調(diào)整(加速度和場地類別相結(jié)合)原則，區(qū)劃圖非常詳細，可以查到具體的鄉(xiāng)鎮(zhèn)；國外一般只是給出大概的范圍，類似于等值線圖，沒有細分到具體城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)，不便于查找，只能根據(jù)大致的位置確認。以馬東鐵為例，馬來西亞為地震災(zāi)害少的國家，但受到印尼等鄰近國家的影響，抗震也逐漸受到重視，不同部門(建設(shè)部門和地礦部門)也提出了區(qū)劃圖，但存在不統(tǒng)一的問題。該項目總長超過500 km，跨越多個州，僅提供一個單一的峰值加速度值不合理，根據(jù)地礦部門提供的區(qū)劃圖，并將擬建線路疊加于區(qū)劃圖上，推算得到PGA一般為0.04g～0.06g，給出了不同里程范圍的推薦值。

2.5 反應(yīng)譜和特征周期

2.5.1反應(yīng)譜異同

中標反應(yīng)譜在1989規(guī)范以前沒有直線上升段，直接以平臺段開始，從1989規(guī)范開始引入上升段，其基本形狀逐漸與國際接軌[7-8]，動力放大系數(shù)中標依然采用2.25，比國外標準小，在速度下降段中標引入衰減指數(shù)，位移下降段按直線下降，總體下降得較慢。反應(yīng)譜特征對比見表6。

表6 中外標準反應(yīng)譜特征對比

注：T為反應(yīng)譜周期；Fa為場地放大系數(shù)；Ss為B類場地0.2 s處的設(shè)防加速度。

2.5.2特征周期

中標的反應(yīng)譜平臺起始段為固定值0.1 s，特征周期一般由場地類別和分組兩個因素確定，可查規(guī)范和區(qū)劃圖確定，區(qū)劃圖上標明了每個地區(qū)具體鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特征周期。

美標涉及到3個時間節(jié)點：平臺段起始周期T0、平臺段末端周期TS、長周期TL，其中TL可以從USGS給出的長周期過渡周期圖中查出。

T0=0.2SD1SDS

(2)

TS=SD1SDS

(3)

式中：SD1、SDS分別為反應(yīng)譜曲線中周期為0.2 s和1.0 s處的設(shè)計地震加速度。

歐標平臺段起始周期TB、平臺段末端周期TC、確定位移范圍的起始點周期TD直接查表確定。中美標準實際上是考慮場地類別和分組，歐標只考慮了場地類別。

2.6 液化判別

中外標準液化評價方法差異較大，國外常用的方法為NCEER法[9-10]、SEED法，NCEER法實際是一種簡化的SEED法，涉及的概念主要是水平剪應(yīng)力比CSR和抗液化強度比CRR。NCEER法已經(jīng)在巴基斯坦、墨西哥等海外項目中得到了應(yīng)用。其計算公式如下：

(4)

CSR=(τavσ′vo)=0.65(amaxg)(σvoσ′vo)γd

(5)

γd=

(6)

FS=(CRR7.5CSR)·MSF

(7)

(8)

式中：CSR為水平剪應(yīng)力比；CRR7.5為震級為7.5級的抗液化強度比；γd為應(yīng)力折減系數(shù)；N1為考慮上覆壓力為100 kPa時SPT能量效率為60%時修正后的SPT擊數(shù)；τav為地震產(chǎn)生的平均剪應(yīng)力；αmaxg為地面最大加速度與重力加速的比值；σv0和σ′v0為土層的垂直總應(yīng)力和總有效應(yīng)力；z為深度;MW為抗震烈度；MSF為烈度影響系數(shù)；FS為安全系數(shù)，大于1時一般為不液化。中標的液化公式綜合了各國的經(jīng)驗，并結(jié)合我國的國情，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推算得到，公式較簡單，方便使用，且SPT不必修正，一般偏于保守，目前中標還未得到國外咨詢公司的認可。

2.7 關(guān)系轉(zhuǎn)換

2.7.1簡易轉(zhuǎn)換法

利用經(jīng)緯度查閱USGS網(wǎng)站得到SS和S1，并根據(jù)USGS的說明文件得到換算公式：PGA=SS(2×2.5)，查閱中標區(qū)劃圖再乘以放大系數(shù)得到場地加速度值。SS和S1分別為B類場地反應(yīng)譜0.2 s和1 s處的設(shè)防加速度值。

2.7.2常規(guī)轉(zhuǎn)換法

根據(jù)反應(yīng)譜特征，換算關(guān)系推導(dǎo)如下[11-13]：

(9)

(10)

由上述公式推算得到：

PGA=Fa·SS(β·rCN)

(11)

式中：Fa為場地放大系數(shù)，可查表求得；PGA為中標峰值加速度值；β為動力放大系數(shù)；rCN為超越概率換算系數(shù)。

2.7.3其他

如已經(jīng)查得加速值，一般只須按照超越概率換算，再按場地類別放大。轉(zhuǎn)換過程中注意采用的標準，只有美標才會涉及SS和S1；動力放大系數(shù)一般按2.5計算，超越概率換算系數(shù)可按表2計算；先轉(zhuǎn)加速度再確定放大系數(shù)，放大系數(shù)每個國家不一樣。

2.8 報告中抗震章節(jié)

如項目采用英標或歐標，在編制報告的過程中注意報告類別的差異。英標報告一般分為FR(事實報告)、GIR(分析報告)和GDR(設(shè)計報告)，強調(diào)責(zé)任明確，F(xiàn)R側(cè)重實施過程和完成情況，GIR側(cè)重對數(shù)據(jù)進行驗證和分析，參數(shù)的采用強調(diào)設(shè)計人員經(jīng)驗，最終的參數(shù)會在GDR中體現(xiàn)。對于抗震參數(shù)如提交的是FR報告，不須提供相關(guān)參數(shù)，GIR報告只須提交相關(guān)區(qū)劃圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)即可，實際使用的具體參數(shù)要在GDR報告中體現(xiàn)，另外還須根據(jù)咨詢公司的意見確定是否提供參數(shù)。

3 抗震參數(shù)選取流程及案例分析

根據(jù)上述分析，對于海外工程在編制地勘報告時可按圖2的流程選取參數(shù)，下面以3個案例來分析具體的工程項目抗震參數(shù)的選取。

圖2 抗震參數(shù)選取流程

案例1：非洲小島國，基礎(chǔ)設(shè)施落后，一般以2～3層建筑物為主，缺乏區(qū)劃圖，某擬建碼頭地勘項目執(zhí)行中標，采用簡易換算法，由USGS網(wǎng)站(圖3)得到SS=0.16g,S1=0.06g，根據(jù)USGS說明文件得到巖石類的PGA=0.16g(2×2.5)=0.032g，場地類別為Ⅱ類，需要乘上放大系數(shù)1.25，得到場地(Ⅱ類場地)加速度為0.04g，特征周期取0.4 s，此類方法計算方便，依據(jù)USGS的補充文件，一般咨詢公司都給予認可。

圖3 USGS網(wǎng)站提供的參數(shù)SS和S1

常規(guī)換算法如下：PGA=FaSS(βrCN)=1.2×0.16g(2.5×1.9)=0.04g，如采用美標計算得到特征周期為0.53 s，場地類別為SC類。兩種方法得到的峰值加速度基本相同，如采用不同規(guī)范特征周期有差異。

案例2：巴新某碼頭項目執(zhí)行中標，巴新是一個地震多發(fā)的國家，建立了成熟的抗震區(qū)劃圖，因靠近澳洲，與澳洲標準比較接近，借鑒了澳洲標準的經(jīng)驗。查閱GSHAP網(wǎng)站(圖4)得到的基巖峰值加速值為0.17g，而根據(jù)最新版的當?shù)貐^(qū)劃圖為0.25g，本次選取了0.25g，場地為Ⅳ場地，再根據(jù)中標區(qū)劃圖文件進行放大，得到場地Ⅳ類場地加速值為0.26g。

圖4 GSHAP網(wǎng)站確定PGA

案例3：巴基斯坦某碼頭項目執(zhí)行英標，場地存在一層較厚的粉細砂③1層，SPT平均擊數(shù)為14.4擊，按英標為中密狀，選擇鉆孔NK11分別按照NCEER和中標進行液化評價，按美標計算結(jié)果為不液化，按中標為中等液化，通過反算得到美標的臨界擊數(shù)，均小于中標臨界擊數(shù)，驗證了中標計算結(jié)果偏于保守的結(jié)論，計算結(jié)果見表7和表8。

表7 NK11鉆孔美標液化評價結(jié)果

表8 NK11鉆孔中標液化評價結(jié)果

4 結(jié)語

1)在執(zhí)行海外項目中，要熟練掌握國外標準體系相關(guān)條款，注意各種參數(shù)之間的差異及不同。明確采用的具體規(guī)范，各種參數(shù)不能生搬硬套。

2)土層分類原則相同，但參考的指標側(cè)重點不同，中外標準土的類別互有重疊。

3)中外標準在抗震設(shè)計原則、PGA的確定、區(qū)劃圖特征、反應(yīng)譜、特征周期以及液化計算方面有一定差異。

4)在參數(shù)換算時，要注意基準地層和超越概率的確定。本文提出了參數(shù)選取流程，國內(nèi)單位在執(zhí)行海外項目過程中要改變思路，適應(yīng)國外標準，需要認真研究相關(guān)文獻，積累工程數(shù)據(jù)，還要及時關(guān)注國外標準及當?shù)貐^(qū)劃圖及抗震規(guī)范版本的變化情況，及時更新，建立動態(tài)的數(shù)據(jù)庫，做好中外對比，取長補短。

5)中標抗震規(guī)范逐步與國際標準接軌，某些條款具有優(yōu)勢，在實踐中要合理推行中標。