太原市兴华岩土工程勘察质量检测有限公司
摘要：介绍了岩土工程勘察中所涉及的抗震计算，从场地类别的划分、液化土的判别、地震反应谱的应用及地基基础抗震承载力的验算四方面，探讨了其计算，并总结了计算过程中应注意的问题，为抗震设计提供参考。
关键词：建筑抗震；场地类别；液化判别；地震反应谱；抗震承载力验算
Seismic calculation in geotechnical engineering investigation
Zhang Na
abstract：The seismic calculation involved in geotechnical engineering investigation, division, from the site of soil liquefaction evaluation, seismic application and foundation bearing capacity of the seismic response spectrum calculation four aspects, discusses the calculation, and summarizes the key problems of the calculation, provide reference for seismic design.
Key word：Building earthquake resistance; site classification; liquefaction discrimination; seismic response spectrum; seismic bearing capacity calculation.
1.序言
建筑抗震设计是工程设计中不可缺少也是相当重要的一部分，勘察做为工程建设的一部分。我国的抗震设防目标是：当遭遇低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构不致受损；当遭遇相当于本地区抗震设防烈度的设防地震时，结构经一般修理可继续使用；当遭遇高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构不致倒塌。
我国规定设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须继续抗震设计。
依据现行的《建筑抗震设计规范》GB5001-2010的内容对于勘察阶段勘察技术人员需向设计人员提供抗震的计算参数做如下分析与讨论。
2.场地类别的划分
建筑场地的类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分划分成四类，其中Ⅰ类分为Ⅰ0、Ⅰ1两个压类。
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建筑场地覆盖层厚度应按以下原则确定：①一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s且其下卧各岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离确定；②当地面下存在剪切波速大于其上部各土层剪切波速2.5倍的土层，且该层及其下卧各层岩土的剪切波速不小于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，其厚度应从覆盖层土层中扣除。
土层中的等效剪切波速计算有两种方法：
方法1，实测法（甲类、乙类和部分丙类建筑均要求实测）
Vse=d0/t t=Σ（di/Vsi）
d0取覆盖层厚度和20m两者的较小值，Vsi为实测土层的剪切波速。
方法2，估算法（丁类建筑及丙类不超过10层且高度不超过24m的多层建筑），当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，先划分土的类型，再利用当地经验估计各土层的剪切波速。
3.液化土的判别
当地面下存在饱和粉土和砂土时，应进行液化判别。
当符合下列条件之一时，可初判为不液化或可不考虑液化影响：
1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7、8度可判为不液化。
2）粉土的粘粒含量百分率，7、8和9度分别不小于10、13和16时，可判为不液化。
3）浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。
du＞d0+db-2；dw＞d0+db-3；du+dw＞1.5d0+2db-4.5
dw—地下水位深度（m），宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；du—上覆盖非液化土层厚度（m），计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；db—基础埋置深度（m），不超过2m时应采用2m；d0—液化土特征深度（m）。
当饱和粉土、砂土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下20m范围内的液化。当饱和土标准贯入锤击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时应判为液化土。液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：
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N0—液化判别标准贯入锤击数基准值；ds—饱和土标准贯入点深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc——粘粒含量百分率；β—调整系数。
经过了初判和复判的过程，若均存在液化，则在勘察阶段就应按下式计算每个钻孔的液化指数。
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Ile—液化指数；n—在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni、Ncri—分别为第i点标准贯入锤击数的实测值和临界值；di—第i点所代表的土层厚度（m），可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi—第i土层单位土层厚度的层位影响权函数值（m-1），当该层中点深度不大于5m时取10，等于20m时取0，5m～20m时应按线性内插法取值。
最终按下表划分液化等级，供设计使用。
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勘察判定场地存在液化土层的地基时，设计应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的工程措施。
4.地震反应谱
在给定的地震输入下，不同固有周期的地层或结构物将有不同的振动位移反应，这种反应的时程曲线是由多种频率成分组成的振动曲线叫地震反应谱，取对应于不同固有周期的位移时程曲线的最大值作为纵坐标，取所对应的固有的周期为横坐标，由此绘成曲线，供抗震设计中选用在设计周期下的相应振动幅值。
地震设计加速度反应谱的地震影响系数α是对某一输入地震波，单自由度体系的动力反应最大惯性力与重力的比值，一般由地震影响系数曲线求得，该曲线包括4段，即直线上升段、水平段、第一曲线下降段和第二曲线下降段。
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利用该曲线求α需确定以下几个参数：场地的特征周期Tg由场地类别与设计地震分组确定；水平地震影响系数最大值αmax由抗震设防烈度确定；T为结构自振周期；由阻尼比ζ来确定衰减指数γ、下降斜率调整系数η1和阻尼调整系数η2，有了各个参数后看结构自振周期T落到曲线的哪一个部分（0-0.1，01-Tg，Tg-5Tg，5Tg-6.0）就用相应的计算公式求出地震影响系数α。
曲线下降段的衰减指数、直线下降段的下降斜率调整系数、阻尼调整系数由下列3个公式组成。
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α—地震影响系数；αmax—地震影响系数最大值；η1—直线下降段的下降斜率调整系数；γ—衰减指数；Tg—特征周期；η2—阻尼调整系数；T—结构自振周期；ζ—阻尼比。
特征周期（Tg）由场地类别和设计地震分组两个参数确定。
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注：在计算罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。
地震影响系数最大值（αmax）由地震影响与设防烈度来确定。
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注：括号中的数字分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
5.地基及基础的抗震承载力验算
1）天然地基基础抗震验算
①应采用地震作用效应标准组合，且地基抗震承载力应取地基承载力特征值乘以地基抗震承载力调整系数。抗震承载力按下式计算：
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ζa—地基承载力调整系数；fa—深宽修正后的地基承载力特征值。
②验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列公式。
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P—地震作用效应标准组合的基础底面平均压力；Pmax—地震作用效应标准组合的基础边缘的最大压力。
③高宽比大于4的高层建筑，地震作用下基础底面不宜出现脱离区（零应力区）；其他建筑基础底面与地基之间脱离区（零应力区）面积不应超过基础底面面积的15％。
2）桩基础抗震承载力验算
①非液化土中低承台桩基的抗震验算，应符合下列规定。
单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%；
当承台周围的回填土夯实至干密度达到一定要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用，但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力。
②存在液化土层的低承台桩基抗震验算，应符合下列规定。
承台埋深较浅时，不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用；
当桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土层或非软弱土层时，可按下列两种情况进行桩的抗震验算，并按不利情况设计：
Ⅰ）桩承受全部的单桩作用，液化土的桩周摩阻力及水平抗力应乘以下表的土层液化影响折减系数：
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Ⅱ）地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用，桩承载力可均比非抗震设计时提供25%，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。
③对于打入式预制桩或其他挤土桩，当平均桩距为2.5-4倍桩径且桩数不小于5×5时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化变形限制的有利影响。当打桩后桩间土的标贯锤击数达到不液化的要求时，单桩承载力可不折减，但对桩尖持力层作强度校核时，桩群外侧的应力扩散角应取为零。打桩后桩间土的标贯锤击数应由试验确定，也可按下式计算。
N1=NP+100ρ（1-e-0.3NP）
N1—打桩后的标贯锤击数；NP—打桩前的标贯锤击数；ρ—面积置换率。
6.结束语
本文从场地类别的划分、液化土的判别、地震反应谱的应用及地基基础抗震承载力的验算四方面，探讨了其计算，并总结了计算过程中应注意的问题，为抗震设计提供依据与参考。
随着科学水平的发展和经济条件的提高，抗震设计在工程设计中的作用也会越来越高，这就要求我们工程技术人员必须对抗震的原理、机理及计算理论等不断的学习并加以总结。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》.GB50011-2010（2016年版）.中国建筑工业出版社.
[2]《中国地震动参数区划图》.GB18306—2015.中国标准出版社.
[3]《工程地质手册》第五版.中国建筑工业出版社.