4.3 场地地层条件的影响

场地地层条件对震害的影响是目前研究得最广泛和深入的场地工程地质条件之一。大家最为熟知的现象就是几乎每次地震都能发现位于松软场地上的建筑物震害要比位于坚硬或岩石地基上的建筑物震害严重。这里指的地层条件包括地层刚度、厚度、软弱夹层及地层结构等主要影响因素。

4.3.1 地层刚度的影响

地层刚度是指地基土的软硬程度。大量的宏观震害现象表明，软土场地的震害一般要比坚硬或基岩场地大。Wood（伍德）根据1906年美国旧金山8.3级大地震时市区的宏观震害调查首先对这一问题进行了研究，从表4 1所示的结果可以看出，地基土越软，烈度越高，宏观震害越严重。Medvedev（梅德韦杰夫）甚至以花岗岩地基为基准，对软硬不同的各类地基的烈度增加值进行定量分析，得到了相同的烈度变化趋势。

表4 1

1906年美国旧金山地震不同地基土的震害

国外典型的软土场地放大地震动引起大量结构破坏的例子还有发生在1985年9月19日清晨的墨西哥8.1级大地震。距离震中约400km的墨西哥城中心30%的建筑物在几十秒内化为瓦砾，特别是自振周期较长的10～12层建筑，并造成7000多人死亡，10000多人受伤。图4 1为震中附近4个典型台站的强震记录，从图中可以看出，距离震中400km的墨西哥城松厚软土上的台站SCT记录无论是地震动幅值、持续时间还是卓越周期都要明显大于其他3个台站的记录，甚至比震中附近台站的记录还要大。究其原因，是因为墨西哥城坐落于一个古湖盆地的松软湖相沉积地层之上，松软土层对长周期地震波的选择性放大使得大量高层建筑产生强烈共振而损毁甚至倒塌。可见，墨西哥城场地条件的特殊性是造成宏观震害异常的根本原因。

图411985年墨西哥8.1级地震典型强震记录示意图

国内，1966年的邢台地震、1970年的通海地震、1975年的海城地震以及1976的唐山地震均显示地基土体类型与宏观震害具有明显关系。图42和图43是1975年海城地震中砖平房和砖烟囱震害的统计结果。从图中可以看出，在同样震中距情况下，无论是砖平房还是砖烟囱，松软的Ⅲ类场地的震害均要高于刚度较大的Ⅰ类场地。

图4 2 砖平房震害统计

图4 3 砖烟囱震害统计

由上述大量震害实例不难看出，软土上的震害确实大于硬土上的震害，即地层刚度越小，则震害越严重。

4.3.2 土层厚度的影响

很多地震资料表明，场地覆盖层厚度同样对震害有较大影响。图44和图45为1923年日本关东大地震的震害统计资料，可见，土层越厚，房屋的震害越大。1976年唐山地震时，低烈度异常区主要是玉田地区（Ⅵ度区中的Ⅳ度异常区），勘察资料显示，该区恰好位于一个基岩埋深较浅、覆盖土层较薄的隆起区。

图4 4 土层厚度与破坏率关系

图4 5 土层厚度与完全破坏率关系

1967年委内瑞拉发生6.3级地震，虽然震级不高，但却造成了震中以东约56km处的首都加拉加斯的4座10～12层公寓建筑倒塌，许多结构遭到严重破坏，并造成200多人死亡。图4 6为该次地震不同层数房屋结构破坏率与场地土层厚度的关系统计曲线。从图中可以看出，当土层厚度小于100m时，低层建筑物的结构破坏程度要大于高层建筑，层数越多，震害反而越小；但当土层厚度超过150m甚至200m时，3～5层建筑的破坏程度明显降低，而10层以上，特别是14层以上建筑物的破坏程度则急剧增大。可见，土层厚度对震害的影响显著。

图4 6 土层厚度与震害的关系

将日本关东地震、委内瑞拉地震震害特征与前述旧金山地震和墨西哥地震进行对比我们可以发现，土层厚度与刚性对宏观震害的影响似乎具有相同的作用。一方面，土层越软或厚度越大则震害越大；另

一方面，当土层松软或厚度较大时，它们均对地震的长周期部分选择性放大，导致了自振周期较长的柔性结构的震害加重。实际上，如果我们将地基土层作为一个整体来看，其厚度越大，则其整体刚度越小，因而两者对震害的影响类似。这也是我们常以覆盖土层厚度和刚度（常以剪切波速表示）两个指标来共同确定场地土类别的根本原因。

4.3.3 软弱夹层的影响

从前面的分析可知，软土地基不利于上部结构的抗震，但是地层中软弱夹层的作用却表现出更为复杂的特性。很多地震的宏观震害调查结果显示，在一定条件下，软弱夹层可能有利于上部结构的抗震，使得局部场地的震害减轻。

如1976年的唐山地震，市区烈度高达Ⅹ～Ⅺ度，但市区北部和东部的陡河两岸300～400m宽的范围内由于地下一定深度处的淤泥质黏土层的隔震作用而出现一条低烈度异常带，带内的多层砖房一般裂而未倒，而附近无淤泥质黏土夹层场地的砖房则多数倒塌。

地层中的液化地层也可视为一种特殊的软弱夹层。在1970年的通海地震和1975年的海城地震中均发现了由于砂层液化起到隔震作用而减轻上部结构震害的现象。但这种情况一般仅在液化地层埋藏较深，上部地层能在液化时防止地基整体失效时才出现。否则，即使液化地层具有隔震作用，但由于地基整体失效，震害还是可能加重。

4.3.4 地层结构的影响

地层结构是指地面下不同地层的排列组合以及基岩起伏等情况，图4 7为实际可能存在的各种地层结构形式。地层结构对场地地震响应和震害的影响虽然比较复杂，研究较少，但其影响是肯定的。

图4 7 各种地层结构的简化图

H.Dezfulian（H.戴茨富里安）对图4 8所示的两种基岩情况的地面地震响应进行了系统计算和分析，以研究该种地层结构对地震动的影响。其中A类地层结构典型的地面峰值加速度分布如图4 9所示。可以看出，基岩起伏形状对地表加速度响应具有显著影响。1976年唐山地震时，位于基岩隆起区的玉田低烈度异常现象其实也可看作基岩起伏影响震害的典型例子。

此外，地基土层的组合形式对地震响应及震害也有一定影响。如上硬下软地基和上软下

图4 8 倾斜基岩面计算断面简图

硬地基会有不同；同一软弱夹层，位于顶面、中间还是底面时也有差别。

图4 9 倾斜基岩对加速度的影响