由工程场地抗震韧性的定义可知,工程场地抗震韧性既表现为工程场地本身抵抗和吸收地震干扰保持稳定的能力,又表现为在地震灾害发生后人们采取的有效措施,通过有限资源将工程场地快速恢复的能力,工程场地抗震韧性应该是这两种能力的综合。也就是说,工程场地抗震韧性评价应包括维持和恢复两个方面,即稳定性和恢复力。薄景山等(2022)也指出场地的韧性主要表现在稳定性和迅速恢复至稳定状态的能力。因此,本文关于工程场地抗震韧性影响因素的研究主要围绕稳定性和恢复力两方面展开,并构建工程场地抗震韧性影响因素分析框架,如图1所示。
2.1 稳定性
工程场地的稳定性是指工程场地在受到地震影响时其本身抵抗和吸收地震灾害的能力。在地震作用下,稳定性差的工程场地容易出现各种破坏,如地面破裂、滑坡、崩塌、地基失效、软土震陷等,这些破坏会造成城市或重大基础设施的重要功能中断。不同类别的工程场地抗震稳定性不同,工程场地的稳定性主要与场地条件及特征参数、地震危险性、地震地质灾害、工程对场地的功能要求等因素有关。
(1)场地条件及特征参数。在工程地震学研究中,场地条件指场址区内近地表的工程地质条件,主要包括地形地貌、岩土类型、水文地质条件等。场地条件对工程场地稳定性的影响极为显著。多次震害研究表明(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2008; 皇甫岗,2015; 薄景山等,2021),高耸孤立的山丘、强风化岩石的陡坡、条件突出的山嘴、河岸和边坡的边缘地带、黄土地貌及喀斯特地貌等不利的地形地貌所在地段震害相对严重,场地稳定性较差; 地形平坦、地貌简单的地段场地稳定性较好。场地的岩土类型对场地的地震动和震害有明显影响。通常,土层场地比基岩场地对地震动的放大效应更明显,软弱地基上的建筑物比坚硬地基上的建筑物震害重,基岩场地比土层场地稳定性好。水文地质条件对场地稳定性有重要影响,地下水的存在增大了砂土液化、软土震陷、滑坡等地质灾害隐患,一般情况下地下水埋藏越浅,震害越严重,场地稳定性越差。场地特征参数通常指用以反映基岩上覆盖的近代沉积物或土层的空间分布和动力性能的参数,包括场地覆盖土层厚度和土层等效剪切波速等。《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB 50011—2010)依据覆盖层厚度和等效剪切波速对建设场地进行分类,用以反映不同场地条件对基岩地震动的综合放大效应。通常,场地地质条件优良、覆盖层厚度小、土层等效剪切波速较大的工程场地稳定性好,抗震韧性高。
(2)地震危险性。地震危险性指城市或工程、建筑物所在场地,在未来一段时间内可能发生破坏性地震的危险程度。工程场地的稳定性与其遭受的干扰程度有关,活动断层、地震动峰值加速度及地震动加速度反应谱特征周期在一定程度上反映了场地内可能遭受地震作用的概率与强弱。通常活断层发育或靠近断层的工程场地发生地震的可能性较大,震害比较严重,稳定性较差。《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)将全国根据II类场地上相当于50年超越概率10%的基本地震动峰值加速度数值和地震动加速度反应谱特征周期数值的不同划分为不同抗震设防区域,反映了不同地区可能遭受地震作用的强弱程度。地震作用强烈的场地抗震韧性低,地震作用弱的场地抗震韧性高(张毅毅,2022)。在其它条件相同时,地震动峰值加速度及地震动加速度反应谱特征周期分区值小的工程场地遭受地震灾害的危险程度低,稳定性较好,抗震韧性高。
(3)地震地质灾害。地震地质灾害指在地震作用下地质体变形或破坏所引起的灾害,影响工程场地稳定性的地震地质灾害隐患主要有地基土液化、软土震陷、滑坡与崩塌等。地基土液化会造成地基失效、喷水冒砂、地面沉降及地面塌陷等破坏形式,使工程场地失去原有功能,降低了场地的稳定性。软土震陷是软土地基的主要震害,指地震引起的建筑或土层的附加沉陷,软土深度浅、厚度大的工程场地震害较为严重,稳定性较差。滑坡与崩塌危险性取决于它们的发育程度,《场地地质灾害危险性评估技术要求(试行)》(T/CAGHP 025—2018)对这两种地质灾害现状评估做了详细说明。通常,地震地质灾害隐患越大,工程场地稳定性越差、抗震韧性越低。
(4)工程对场地的功能要求。不同类别的工程重要程度不同,对工程场地功能要求也有所不同。重大工程如交通工程、通讯工程、能源工程、生命线工程、工业工程及其它重要工程,如省重点建设的大型影剧院、大型体育馆、大型展览馆、会展中心及高度100米以上的高层建筑等,因其特殊性及重要性,要保证地震来临时其重要功能不中断,对场地抵抗地震干扰的能力要求较高。通常,满足这一要求的工程场地稳定性较好、抗震韧性较高。
2.2 恢复力
恢复力是指地震灾害发生后,工程场地迅速从不平衡状态恢复为稳定状态的能力,具体表现为地震灾害发生后各相关部门有序地采取工程场地功能恢复措施,及时消除地震带来的不利影响,将工程场地迅速恢复至原有功能的能力。工程场地的震后恢复能力主要与地震危险性分析能力、资源保障能力及应急管理能力等因素有关。
(1)地震危险性分析能力。地震危险性分析能力反映了政府部门对区域场地未来地震活动性及可能的地震地质灾害的类型、程度及分布情况的掌握程度,可用地震小区划编制的完善程度来衡量(刘莉,2009)。地震小区域划分(简称为“地震小区划”),包括地震动小区划和地震地质灾害小区划,指对某一特定区域范围内地震安全环境划分,预测这一范围内可能遭遇的地震影响分布。与全国地震区划相比,地震小区划更重视场地工程地质条件,尤其是局部场地条件对地震灾害的影响。地震小区划可以为城市和工程震害的预测和预防、防震减灾规划、救灾措施的制定提供基础资料,有利于政府部门在震前和震后采取适当措施减少地震损失,快速恢复工程场地功能。通常,地震危险性分析能力越强,工程场地在震后恢复速度越快,工程场地抗震韧性也越高。
(2)资源保障能力。资源保障能力是影响工程场地恢复能力的重要因素之一,可以通过经济发展水平和应急救援人员数量反映。过往震例中(张风华,谢礼立,2001),即使是损失相近的地震灾害,救灾投入的人力、物资也大有不同。经济发展水平高的城市和地区由于社会财富丰富,在恢复重建的过程中有足够的财力和物力投入,可有效使用的社会资源较多,工程场地功能恢复的速度也更快。同时,地震发生后应急救援人员可以第一时间快速奔赴震灾现场进行救援,也能减轻地震损失,为恢复重建争取时间。综上认为,工程场地所在城市或区域的资源保障能力越强,工程场地的震后恢复能力就越强,抗震韧性也越高。
(3)应急管理能力。地震应急预案的完备程度和地震应急演练情况可以反映相关部门的应急管理能力。建立较为完备的地震应急预案,定期举行地震应急演练,能够有效增强应急行动的时效性,地震灾害发生后能够按照预定的行动方案快速、有效地处置,从而大大减轻地震灾害,缩短工程场地的恢复时长。地震应急预案越完备,定期开展地震应急演练的频率越高,相关部门的应急管理能力就越强,工程场地的抗震韧性也越高。
