（一）概述

从地震工程角度来考察，对震害有重大影响的地质条件应包括场地的土层状态和土壤特性、地形地貌特征、地层结构和断层情况等。纵观国内外大地震的宏观考察（调查）资料可以看出，不但每次地震的时间、地点、规模等都不相同，而且上述地质条件的影响也存在着若干矛盾的现象和认识，这些都有待进一步考察和研究。近几十年来，通过仪器观测和理论分析，国内外关于地震工程地质条件对宏观震害的影响问题有了更深一步的认识，而且多次进行了总结，很多国家在抗震设计规范中还以各种不同的形式考虑这种影响。

不同厚度覆盖层上的建筑物受地震影响，产生的震害差异十分显著。例如，1923年日本关东地震时，东京都木结构房屋的破坏率明显的随冲积层厚度的增加而增高。1967年委内瑞拉地震中，加拉加斯高层建筑的破坏具有非常明显的地区性，主要集中在市区冲积层最厚的地方。在覆盖层为中等厚度的一般地基上，中等高度的一般房屋，破坏得比高层建筑物严重，而在基岩上各类房屋的破坏普遍较轻。1968年和1970年菲律宾马尼拉地震，1963年南斯拉夫克普里地震中也有类似的情况。在我国，对1975年辽宁海城地震震害调查中曾发现，营口市和盘锦地区砖烟囱的破坏程度与海城和大石桥相当，而海城和大石桥的一般砖房震害却远较营口市、盘锦地区严重得多。进一步分析表明，这种现象在一定程度上与该地区覆盖层厚度有关。1976年唐山地震时，位于10度区内的唐山陶瓷厂、唐山钢铁公司、唐山电厂一带，由于地处大城山一带，基岩埋藏浅，震害就相对轻一点。其中，唐山陶瓷厂附近100～200 m的地方房屋普遍倒塌，而该厂除砖烟囱外，建筑物基本没有倒塌或没有严重破坏，与附近严重倒塌相比，烈度可相差3度。综上所述，则不难得出这样的印象，即深厚覆盖土层上的建筑物的震害往往较严重，而浅层土上建筑物则相对要轻些。

宏观考察、仪器观测和理论分析是研究地震工程地质条件影响的三种主要方法，目前大量采用的是宏观考察方法，后两种也正逐步受到重视和取得若干成就。其中，应以宏观考察为根本，它是开展后两种研究工作的基础。在这方面，中国科学院工程力学研究所等单位进行了富有成效的探索。这些单位从20世纪60年代初就已开始研究地震工程地质条件的影响，但依据大多是外因资料，所得主要成果已列入了1964年我国抗震设计规范，其中的若干认识和研究结果，例如认为地基刚性对地层反应谱形状有明显影响，已由近十几年的实践所证实。现在多数国家的规范也作了类似的考虑。

如前所述，地层工程地质条件对震害影响的实例（特别是表现形式）在国内外是大同小异的，而我国目前已获得丰富的现场资料，故本章在叙述中将以我国的震害实例为主，国外的震害实例为辅。同时，还有必要在下面简略介绍一下房屋震害指数法。

震害指数i表示房屋破坏程度：i=0表示完好；i=1表示全部裂毁；部分损坏时0＜i＜1。震害指数i与房屋的破坏程度之间的关系可根据具体情况定出，例如对通常地震区常见的典型民房（瓦顶楼房和平房、土顶楼房和平房），给出如表3-6所示的关系。

表3-6　震害指数与房屋破坏程度之间的关系

（二）地层和土质条件的影响

地层和土质条件对震害的影响是目前研究得最广泛和深入的地震工程地质条件之一，这类震害在各次大地震中极为普遍，往往造成重大损失，所以早为人们所重视。

地层和土质条件的影响应包括地基刚度、土层厚度和软弱夹层（包括砂土液化层）等因素的影响。尽管实际震害往往是这几种因素综合影响的结果，但由于性质不同和各具特点，故仍须分别加以研究。

1.地基刚度

地基刚度在这里是指地基土的软硬程度。大量的宏观现象给人一种印象，即软土上的震害一般说来要比硬土上的大。最先详细研究这种影响的是伍德（Wood），根据1906年大地震时旧金山市区的宏观调查，他得到如表3-7所示的结果。可以看出，人工填土和沼泽上的震害比坚硬基岩上的严重得多。

表3-7　不同地基土的震害

软土上的震害确实大于硬土上的震害，但由于表3-7的划分缺乏定量指标，因此该结论仍是定性的。此外，基岩上的震害似乎总是比土层上的轻，这不仅由房屋震害所证明，而且在宏观调查中人们普遍反映基岩上的地震动幅值小，持续时间短。强震后的中强余震记录也证实了这一点，对比的观测点一个设在基岩上，另一个设在土层上，两者之间的距离比震中距小得多，因而反映出的只是地基刚度的影响。

2.土层厚度

综合目前国内外分析覆盖层地震效应的方法，不难看出国内外学者都将注意力首先集中于“水平成层”的覆盖层研究上，亦即采用两个基本假设作为前提：一是认为基岩、覆盖层各土层及地表是水平成层并无限延伸的；二是认为地表水平地震动主要是由基岩的剪切波垂直向上传所造成的。尽管假设具有局限性，但在计算上较简易，与实际振动规律亦较符合，所以应当是当前应用最普遍、最基本的分析方法。(www.daowen.com)

土层可以看作是在基岩上层状分布的有限体。地震波到达不同性质地层的分界面时，一部分反射，一部分透射。一定周期的地震波在土层中多次反射的结果，由于叠加而增强，也就是表土层对这些地震振动起“放大作用”。当表层厚度为波长的1/4或其奇数倍数时，由于类似共振的作用，地表震动最强。与这一波长相当的周期就是表土层的卓越周期。

薄层表土的卓越周期很显著，厚层表土的卓越周期较长，当表土由多层组成时，每层各有其卓越周期。只有当这些周期相等或互成简单比例时，才能对某一周期的地震波起显著的增强作用。在自然条件下，各层常以复杂方式组合，因此厚层表土中卓越周期常不明显。

不同土层的交界处，由于地震波的折射、反射和绕射等影响，强度常有增加。

3.场地的液化

液化是引起许多类型的地基失效的共同原因。在强烈振动的作用下，饱和含水、松散的颗粒物质（如粉砂、细砂）的强度急骤下降。地震引起的形变，使稳定的饱和含水颗粒状物质转变为流体状态。这时，固体颗粒实际上像流砂那样悬浮于液体中。当液化了的物质是埋藏在地表以下的一个广阔地层时，其效果就像滚珠轴承那样，起减少物质间动摩擦力的作用，而使地震剪切波不能向上传播，从而减轻震害。

地层中饱和砂土的液化对场地震害有双重影响。一方面，砂土液化造成的地基失效可能使地面建筑物下陷、开裂或倾倒。另一方面，砂土液化又可能减轻地面建筑所承受的振动荷载，使建筑物和居民生命得以保全。

此外，地下水位的升高，减少了沿潜在破裂面上的摩擦阻力，起到了滑动的作用。

必须指出，有关场地条件对宏观震害的影响的经验认识，尚不能满足工程抗震的需要。抗震设计必须将地基失效引起的建筑物破坏（静力破坏）与结构振动引起的破坏（动力破坏）相区别，并采取不同的抗震措施。

（三）土层对地面运动影响研究

20世纪50年代以前，地面运动的计算方法都是将土假设为弹性体。在日本、墨西哥、智利等国家较早使用的一种方法是傅里叶变换法，它假设各土层具有不变的粘弹性，建立的运动方程是线性的，从而可方便地按傅里叶积分法求解。但该方法明显未考虑土的最重要的弹塑性非线性性质，从而对土层在强震时的消能作用无法估计，故该法对强震反应的计算是不理想的。

20世纪60年代以后，西特等人为了研究局部土层对地面运动的影响，考虑了地基土的非弹性特性，提出了等价黏弹性方法。该法把土的弹塑性非线性特性化为等效的弹性模量和等效的黏滞阻尼比，从而可借助振型分解法和积分变换法对集中质量体系的地震反应进行反复迭代求解。该法在国际上广为流传，在美国、日本等国家直接用于核电站和大型钢铁基地的设计中，这是20世纪60年代中期对覆盖层地震效应研究的一个重大突破。

继Seed等人的工作后，美国的V.Streeter、F.Richar Jr及加拿大的Finn等人试图改进这一方法，他们先后在1974—1977年期间发表了几篇介绍特征线法及逐步积分法求解覆盖层地震反应的文章。采用更符合土性的弹塑性模型及特征线-差分混合法，比较正确地反映了覆盖层在地震作用下波的传播物理图像以及土的动力非线性特征。把土的非线性特征和波的传播法结合起来，不需要化为“等价”参数，因此可以直接对波动方程积分解出土层各深度的地震反应时程曲线。这是继西特之后的又一次突破，它突破了1972年Seed曾说的：“把土的非线性和波的传播分析方法结合起来的方法迄今尚未创造出来”的结论。

在国内，国家建委建筑科学研究院、中科院工程力学所、北京大学等科研院所在这方面也做了不少工作。冶金建筑研究总院的王志良、韩清宇在吸收Seed及Streeter等人近年来工作成果的基础上，提出了新的差分格式，并利用特征线-差分混合解法满意地求解了包含土的黏、弹、塑性的地震剪切波作用下的覆盖层运动方程。在引入阻尼比退化系数的概念后，提出了能符合土的切变模量-切变应变和阻尼比-切应变非线性试验曲线的加、卸、再加载分析曲线，并通过实例论证了分析方法的合理性。

符圣聪等鉴于在地震工程中有时并不要求计算地震反应的整个时间历程，提出了确定土层地震最大反应的简化方法。通过修正土层的自振周期，考虑土层的非线性，参考概率理论中有关极值的办法，给出了与功率谱密度相应的反应谱，然后根据振型平方和开方根的方法，得出了土层的加速度、位移、切应变和切应力的最大的反应值沿深度的分布。其结果与振型叠加法和黏弹塑性波动法的结果有很好的吻合。

对层理倾斜和不规则的沉积土体，由于不能再被看成“水平成层”，故引入了有限单元法结合数字计算机进行分析。克劳（Clough）和乔普拉（Chopra）曾首先把有限单元法用于堤坝动力反应的研究，随后又用于计算倾斜基岩上的堤岸及沉积土体的反应。该法将连续介质分割成一组适当尺寸和形状的有限单元，并以有限数量的节点加以连接，原型的材料特性能保留在各个单元内，因此材料性能的变化和复杂的几何形状都易于处理，可以解决不规则地形、堤坝及其相互作用等问题。

上述20世纪60年代后期所采用的线性迭代模型及弹塑性的土模型，主要进行的是总应力的分析，即只考虑了土的剪切模量和阻尼比的非线性变化，而未计入土中孔隙水压力的影响。但震害表明土中的孔隙水对土的变形和稳定有极重要的影响，如砂土液化就起因于地震力作用下孔隙水压力的急剧上升。因此，许多学者主张按有效应力模式进行场地地震反应分析。例如，加拿大的Finn进行了有效应力的地震反应与液化分析工作；冶金建筑研究总院的王余庆等用一维有效应力地震反应分析法，分析了廊坊某场地在唐山地震中的动态反应，并与现场的宏观现象进行了比较，说明该法具有一定实际应用的可靠性。运用有效应力法进行地震反应的研究，就能把土的地震反应、孔隙水压力的产生与消散以及土液化的整个过程，作为一个联系的整体来求解。

通过上述各种对覆盖土层地震效应分析方法的回顾，以及大量震害现象表明场地的震害异常与其下卧土层的厚度、构成有密切关系。一般情况下，由于环境、地理、地质和气候条件的不同，致使覆盖层在堆积厚度和土的物理力学性质等方面有明显的差别。现实中的层状地基是由各种类型的土层所构成，由于各地区沉积环境不同，即使是一种类型的土也会表现出明显不同的物理力学性能指标，其物理力学性质具有非均匀性。如果将一些复杂土层看成是非均匀介质，则需要大量的与现场联系紧密的数学解决方案。根据由大量实际测得的现场勘探资料、实验数据来建立土体的密度、切变模量、阻尼等参数随深度变化的关系式。