0 引言

在建筑抗震设计中^[1]，场地是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，其范围相当于厂区、居民小区和自然村或大于1.0 km²的平面面积。场地的选择是工程建设的重要内容，抗震设计在选择建筑场地时，通常根据地质、地形、地貌等场地条件将建筑场地划分为有利地段、一般地段、不利地段和危险地段。场地应尽量选择抗震有利地段，避开危险地段。在工程建设领域，场地条件通常指场地的工程地质条件，可理解为各种对工程建设有影响的地质要素的总称，主要包括地形地貌条件、岩土类型和工程地质性质、地质构造和区域地壳稳定性、水文地质条件、物理地质现象以及天然建筑材料。需要强调的是，场地条件指上述6个要素的总体，单独一个要素不能称其为工程地质条件，而只是工程地质条件的某一因素或某一方面。工程抗震中研究者主要关注前5个方面，特别是场地岩土的工程地质性质。场地是地震动的传播介质，它为结构提供支撑和环境，因此，在工程抗震领域研究场地条件对地震动和震害的影响显得尤为重要。

19世纪末和20世纪初，全球一系列特大地震的频发，推动了结构抗震理论的发展和场地条件对震害影响的研究^[2]。尽管早在1891年日本浓尾8.0级特大地震中，日本学者就已经注意到了地震滑坡和地表破坏对震害的影响，但场地条件对地震动和震害影响的系统研究始于美国学者Wood^[3]对1906年旧金山特大地震的震害调查，他提出了震害的差别与场地条件相关的重要结论，并开启了这方面的研究工作。中国学者翁文灏^[4]在考察1920年海原特大地震时，也注意到了黄土的厚度、地形和地质构造等场地条件对震害的影响，这是中国关于场地条件对震害影响最早的调查研究成果。一百多年来，这一领域取得了丰富的研究成果，极大地推动了工程抗震研究的发展。1965年，周锡元^[5]总结了土质条件对建筑物所受地震荷载的影响；1980年，胡聿贤等^[6]针对地质条件对震害和地震动影响的研究做过综述；2003年，薄景山等^[7]发表了《场地条件对地震动影响研究的若干进展》一文，对这一领域的研究工作进行了全面的梳理和总结。本文主要针对目前场地条件对地震动和震害影响研究中比较统一的认识做简要总结。

1 地形地貌对地震动和震害的影响

在工程抗震领域，常把地形地貌对地震动和震害的影响称之为局部地形影响。局部地形对场地地震动和震害的影响主要通过震害调查、强震记录分析和理论分析等方法进行总结和分析。若干次破坏性地震现场调查表明^[8-9]，地形突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘地带的震害相对严重，同样地质条件下，相对平坦的地带震害较轻；王海云等^[10-12]对汶川特大地震在不同地形上获得的强震资料的分析也证实了山顶对地震动的放大作用；刘晶波等^[13-14]用理论分析方法研究的结果与震害调查和强震观测的结果基本一致。目前，关于地形地貌对震害的影响比较统一的认识是，局部不规则地形的顶部较底部对地震动的放大效应强烈、地震动强度大、震害严重，形态变化急剧的部位较缓慢渐变的部位地震动大、震害严重，这些部位在场地选择时，在有条件的情况下，应尽量避开。当然，这一领域尚有若干问题需要研究，例如局部地形的几何尺度对地震动放大作用的影响、不同地形对地震动选频放大的问题等。

2 岩土类型和覆盖层厚度对地震动和震害的影响

场地岩土类型和覆盖层厚度对场地的地震动和震害均有显著的影响。场地是地震动传播的介质。从地震动传播的物理过程来看，震源产生的振动以地震波的形式通过基岩传播，若基岩上覆盖具有一定振动特性的场地土体，则土体将基岩入射的地震动放大，同时也改变了地震动的幅值和频谱特性^[15-16]。因此，场地的组成及性质必然对地震动和震害产生重要的影响。

研究表明，土层场地较基岩场地的放大作用明显，通常覆盖土层地表峰值加速度是其下基岩的1~10倍，多数在2~4倍；建在坚硬地基上的建筑物一般震害较轻，建在软弱地基上的建筑物一般震害较重^[17]。据统计，在唐山大地震中，14个多层砖房小区的平均倒塌率为60%，但大城山小区为坚硬的基岩地基，其倒塌率仅为10%^[18-19]。软弱土层反应谱的特征周期较坚硬土层的大，在不同类型岩土之上的地基对不同的结构会产生选择性的破坏。

覆盖层厚度是指基岩之上等效剪切波速大于500 m/s的土层厚度^[1]，它对场地地震动和震害的影响可以概括为覆盖土层越厚，地表反应谱长周期的成分愈显著，反应谱曲线及其峰值愈向后移，标准反应谱的周期越大^[17]，土体的自振周期也随之增大^[20]。覆盖层厚度对建筑的选择性破坏突出，建在厚土层上的中、长周期建筑物破坏严重。李秀领^[21]研究了对地震动有显著影响的覆盖层厚度，结果表明，小于30 m的覆盖层厚度对地表加速度峰值影响显著，小于15 m的覆盖层厚度几乎对规准谱的特征周期不产生影响。由于我国现行的建筑抗震设计规范^[1]利用20 m深度内土层的等效剪切波速和覆盖层厚度来划分场地类别，因此，也有学者分析场地类别对地震动的影响^[22-25]，得到的结论是，随着场地类型增大、土层变软、覆盖层厚度增大，反应谱的特征周期增大；这一结论符合当前人们对覆盖层厚度对地震动影响的认识。

3 土层结构对地震动和震害的影响

工程抗震研究中，土层结构通常是指地面以下覆盖土层的排列组合以及下伏基岩表面的形态，这方面的研究主要集中在软弱夹层和基岩面起伏对地震动的影响两个方面。Dezfulian等^[26-27]通过数值计算方法得出的结论是，覆盖土层下伏基岩面的起伏状态对地面峰值加速度有影响，基岩面的坡度越小，影响越大，但对地震动频谱特征的影响却很小。王智猛等^[28]利用振动台实验研究了下伏基岩倾向和倾角对地震动的影响，得出的结论是，地表加速度放大系数峰值随岩层倾角的增大而增大，但增大的趋势不够明显。软弱夹层对地震动的影响备受学术界关注，学者们分别从不同的角度对其开展了深入的研究工作^{[21, 29-35]}，目前总体的认识可归纳为：相同地震动输入下，软弱夹层埋藏越深、厚度越大，计算得到的地表峰值加速度越小，规准后的反应谱特征周期越大；当软弱夹层厚度小于0.1 m时，对地表地震动的影响几乎可以忽略；当一定厚度的软弱夹层位于土层剖面底部时，通常起到隔震作用，位于顶部时一般对地震动的放大效应显著；同时，软弱夹层对地震动的输入比较敏感，非线性反应强烈。不过，这些理论上的认识还有待实验和强震观测的进一步证实。由于场地中存在软弱夹层，按现行建筑抗震设计规范给出的设计地震动参数与理论计算的结果矛盾，齐文浩等^[36-37]提出了针对波速非递增型场地土层等效周期的概念，利用这一指标对场地进行分类可消除这一矛盾。齐文浩等^[38-40]基于场地土层等效周期的概念，开展了场地分类和放大效应的研究。此外，周正华等^[41]还研究了硬夹层对场地地震反应的影响，得到的主要结论是，硬夹层的厚度对场地地震反应峰值加速度和反应谱有较明显的影响，硬夹层厚度的增加减少了场地的非线性效应。

4 地震地表破裂对地震动和震害的影响

地表破裂与发震断层的震级和覆盖层厚度密切相关。孙平善^[42]对我国大陆1900年以来6级以上地震地表破裂的统计结果是，6.0~6.9级地震地表破裂的比例为2.4%，7.0~7.9级为34.0%，8.0级以上为100.0%。黄静宜^[43]统计了有记载以来中国大陆688次6级以上的地震，产生地表破裂的地震64次，约占10%；中国大陆小于6级的地震未出现过地表破裂，而8级以上的地震几乎都出现了地表破裂；中国东部发生地表破裂的最小震级为7.2级(1966年2月22日河北邢台地震)，中国西部发生地表破裂的最小震级为6.25级(1888年11月2日甘肃景泰地震)。地表破裂可能性的预测是工程上关心的问题，薄景山等^[44]根据震级、震源深度、断层性质和覆盖层厚度等参数，利用逻辑回归分析，给出了强震地表破坏的预测方法，该方法经随机检验成功率可大于87%。覆盖层厚度是决定地表破坏的重要因素，王钟琦等^[45]根据通海、炉霍、海城地震的调查结果认为，产生地表破裂的覆盖层最大厚度不超过50 m，基岩的错动位移为2~3 m。由断层蠕动而产生地表破裂的覆盖层临界厚度为30~50 m^[46]。这说明当基岩的错动位移不超过3 m时，覆盖层临界厚度在50 m以上的场地不易出现地表破裂。覆盖层安全厚度的临界值在隐伏断层的评价中一直存在争议。综合现场调查和土工离心试验的结果^[47]，2002年实施国家标准GB 50011-2001《建筑抗震设计规范》^[48], 在考虑一定安全储备和模拟实验与实际地震动差异的情况下，给出了场地烈度为8度和9度时覆盖层厚度分别为60和90 m的安全界限值，并一直沿用至今。考虑到各种不确定因素，后期的若干研究成果基本接受了这一规定^[49-52]。需要强调的是，发震断层引起的地表倾斜也是工程上关心的问题，国家行业标准JGJ 125-2016《危险房屋鉴定标准》^[53]规定，因地基变形使房屋整体倾斜率大于1%时，应评定为危险状态。沈超^[54]通过离心机实验对发震断层引起的断层两侧地表倾斜问题进行了详细的研究并给出有工程意义的研究结果。本文认为近断层的地表变形应成为活断层避让的一个重要指标。

近断层通常是指断层两侧20 km左右的范围。已有震例的研究结果表明，近断层的地震动特征主要表现为方向性效应、滑冲效应、上盘(主动盘)效应和显著的竖向地面运动效应^[55]。方向性效应是指地震断层破裂使得前方和后方地震动幅值、频率和持时出现显著差别的现象，主要表现为前方的脉冲效应，它对近断层地面运动的速度和位移影响较大^[56]。滑冲效应是指断层错动造成的近断层地面突发性永久位移现象，实际上是地表破裂和地面变形。断层的上盘效应是指倾斜断层上盘地震大于下盘地震的现象，1994年的美国Northridge地震^[57]和1999年中国台湾的Chi-Chi地震^[58]都出现了明显的上盘效应。竖向地震动显著是近断层地震动的重要特征，竖向和水平向的峰值加速度比大于建筑抗震设计规范建议的2/3，甚至达到或超过1^[59-60]，有研究者认为建筑抗震规范的建议值有时会低估近断层的竖向地震动^[61]。基于近断层地震动的特征，我国现行建筑抗震设计规范^[1]规定，对处于发震断裂两侧10 km以内的结构，地震动参数应计入近场影响，5 km以内宜乘以增大系数1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。不过，这一规定的合理性还有待商榷。

发震断层对震害的影响总体上可归纳为：地表破裂带上的结构无一幸免，断层的地表错动可谓无坚不摧，断层上盘的震害通常重于下盘的震害，震害严重的区域常分布在断层两侧数十米范围内，远离这一区域的震害逐步减轻。此外，发震断层还可能诱发滑坡、崩塌等物理地质现象而产生的地震地质次生灾害。

5 地下水和岩土动力性质对地震动和震害的影响

地下水作为一种流体在地震预报中受到广泛重视^[62]。地下水赋存在岩土中，对岩土的物理性质和动力学参数产生重要影响，因此地下水对场地地震动参数和震害必然有显著的影响。震害调查资料^[63]显示，地下水位埋藏越浅，震害越重；反之亦然。在早期的烈度评定中，需要利用场地条件对烈度进行调整，地下水埋深是一个重要指标。麦德维杰夫(S. V. Medvedev)通过震害调查资料分析认为, 当地下水埋深大于10 m时，可不考虑对地震烈度的影响, 当地下水位接近地表时，烈度可提高一度，并给出了利用地下水埋深和地基土类型调整地震烈度的经验公式^[64]。地下水对场地地震动参数的影响是岩土工程和地震工程领域研究的重要课题，以门福录为代表的一批学者对此开展了深入研究，取得了丰富的研究成果^[65-71]；常晁瑜^[72]对这些成果做了简要的总结。总体上，随着地下水位的上升，地表峰值加速度的放大效应减小，规准谱的特征周期变大，平台变宽。含水率对土的抗剪强度有重要影响^[73]，含水介质的动力反应可归纳为两相介质动力反应问题，介质条件复杂，影响因素较多，这方面还有待深入研究。另外，地下水还为砂土液化和软土震陷提供条件，导致发生滑坡和崩塌等地震地质灾害的危险性增大。

在岩土工程抗震领域，土的动力性质通常利用剪切波速、动剪切模量比和阻尼比等来表示，这3个指标也是土层地震反应分析计算的重要参数。一般情况下，理论计算的结果为，随着土的动剪切模量比和阻尼比曲线的提高、剪切波速的增大，规准反应谱的平台值增大、特征周期减小。乔峰^[74]总结了土动力学参数对设计地震动影响的研究现状，并研究了特殊土的地震反应特征。

6 物理地质现象对震害的影响

物理地质现象通常是指滑坡、崩塌、泥石流、砂土液化、软土震陷、地面沉降、地裂缝等地质现象，传统工程地质学中称为不良地质现象。地震是产生物理地质现象的重要原因之一，在工程抗震领域主要研究的是滑坡、崩塌、砂土液化、软土震陷、地震地表破裂等地震地质灾害的成因、预测方法和减轻灾害的措施。

关于地震对滑坡和崩塌等斜坡稳定的影响问题，薄景山等^[75]对这一领域的研究成果做了详细的总结，许冲等^[76]对汶川地震滑坡灾害的成果进行了综述。目前，滑坡和崩塌的调查和评价方法在有关规范中都有具体的规定，评价和治理在技术上不存在困难。强烈地震常触发大量的滑坡和崩塌，我国1920年的海原特大地震和2008年的汶川特大地震都触发了大量的山体滑坡和崩塌，造成严重的灾难。滑坡和崩塌的发生与地形地貌关系密切，常发生在山区或丘陵地区。滑波和崩塌的破坏力巨大，治理难度大。工程上关心的问题是斜坡失稳的可能性、崩塌体的规模、滑动所波及的范围及高速远程滑坡气浪所冲击的范围。治理的方法主要包括排水、减载、锚固、支档、防止冲刷和降低坡角等，工程建设中应避开可能发生大规模滑坡和崩塌的场地。

砂土液化和软土震陷常使地基失效，地面沉降。流滑、侧移、液化伴生的喷砂冒水常毁坏农田和公路等基础设施。王亮^[77]对砂土液化的研究现状进行了较为全面的总结。廖振鹏^[78]在分析我国震害调查结果的基础上认为：在地震破坏数以万计的建筑物中，因地基失效而招致上部结构破坏的比例较小；地基失效主要造成经济损失，一般不造成严重的人员伤亡。砂土液化、软土震陷及地基永久变形的工程评价方法比较成熟，并且这些现象多发生在地面以下20 m以内，采取适当的工程措施和地基处理方法完全可以避免，通常不影响工程建设。

地震地表破裂尽管分布在局部范围内，但造成的后果极其严重，对分布在破裂带上的工程结构几乎是毁灭性的破坏，近断层的地震动特征也使震害表现出差异。工程建设避开活断层是各国抗震规范的一致做法，张建毅^[79]对这方面的研究工作进行了详细的总结。在工程抗震领域，关于地表破裂的研究主要关注地表破裂位置和避让距离的确定。前者是活断层探查问题，根据当前的技术在精准定位上不存在困难，但基岩的破裂与上覆土层破裂一致性的问题没有很好地解决。后者是国内外一直争论的问题，尚不统一，避让的距离从数米到几百米的规定都有；不过，越来越多的震害资料和理论分析结果都认为我国现行建筑抗震设计规范规定的距离偏大^[80]。

7 问题与建议

场地条件对地震动和震害的影响一直是工程抗震领域研究的重要课题，尽管经过百余年的研究取得丰富的成果，但仍有若干问题需要继续开展研究。

1) 系统地分析和整理地震现场调查资料。近百年来，我国发生过海原地震、唐山地震、汶川地震等多次大地震，获得了大量地震现场调查资料，这些资料来之不易，但对于地震现场的调查工作明显不足。建议系统地开展地震现场资料的分析、整理和总结，使其最大限度地发挥作用。

2) 开展局部地形几何尺度对地震动的影响和不同地形对地震动选频放大效应的研究。局部地形的几何尺度对地震动影响较大，对于不同地形，地震动会有不同程度放大或减小，在场地选择时应注意避让。目前这方面研究比较匮乏，有必要开展深入研究。

3) 加强场地分类指标和分类方案的研究。场地条件对地震动和震害的影响是场地分类的基础，我国现行建筑抗震设计规范采用的双指标分类法存在明显的不足，不能合理地反映土层结构等影响。分类指标的计算深度、连续性变化、界限值选取等问题有待进一步讨论。

4) 覆盖层安全厚度的界限问题尚需理论研究和实验的进一步验证。我国现行建筑抗震规范给出的覆盖层安全厚度的界限是根据部分现场资料和实验模拟确定的，给出了场地烈度为8度和9度时覆盖层厚度分别为60和90 m的安全界限值；而该值在隐伏断层的评价中一直存在争议，缺乏震害结果的验证。建议开展深入研究，使得给出的覆盖层安全厚度界限值更为合理可靠。

5) 研究近断层地震动参数的分布规律，提出近断层地震动估计的工程方法。震害严重区域通常分布在断层带附近，且越靠近断层带，地震动参数越大。我国现行建筑抗震规范对发震断层两侧10 km范围内的地震动参数通过增大系数进行调整，而该参数的合理性尚需深入研究。建议通过研究近断层地震动参数的分布规律给出近断层地震动估计的工程方法。

6) 建议从破裂带宽度、地表变形和地震动现场的分布特征出发，研究活断层的避让问题。活断层对各类结构物构成威胁，在工程建设中应该避让是学术界和工程界的共识，但国内外对活断层的避让距离争议较大，从几米到几百米不等。建议结合破裂带的宽度、地表变形倾斜角度、震害现场资料等方面进行研究。

7) 倡导利用振动台、土工离心机和现场爆破等方法大力开展场地条件对地震动影响的实验研究。地震具有很强的随机性和不确定性，无法准确有效地验证场地条件对地震动的影响。建议利用振动台、土工离心机和现场爆破等方法模拟实际地震中不同场地条件对地震动的影响，来验证理论研究的结果。

8) 加强场地强震台站建设，积累和丰富场地强震观测资料。强震观测资料是研究场地条件对地震动和震害影响的重要手段之一，我国地域辽阔，场地条件差异较大，且分布不均，尤其缺乏软土地区的强震资料。建议有针对性地建设场地强震台站，积累和丰富更多的强震观测资料供相关研究人员使用。

8 结语

场地是工程结构的承载体和建设环境，场地的选择是工程建设的重要内容，场地条件对地震动和震害影响的研究一直是工程抗震和岩土工程领域研究的热点问题。百余年的研究取得了丰富的成果，在若干方面取得了共识，这些通过震害调查、科学实验和理论分析并经过地震检查的共同认识为减轻地震灾害提供了强有力的技术支持，做出了重要贡献，并已成为工程抗震设计根本遵循。尽管如此，由于场地岩土材料的复杂性，加之地震为小概率事件，这一领域的研究工作还没有完全满足工程建议的需求，若干问题还需要深入研究。地震现场调查和震害总结与分析是研究场地影响的手段，地震现场调查、科学实验和理论分析是研究场地影响的根本途径。本文针对这一领域研究工作的总结对工程抗震有重要的指导意义，提出的研究工作建议对进一步推动场地影响的研究工作有一定的参考价值。