地脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)

1、前言工程抗震設(shè)計(jì)是地震區(qū)建筑物設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容,通常除了測(cè)試場(chǎng)地土剪切波速,進(jìn)行場(chǎng)地土類型劃分、場(chǎng)地類別劃分、場(chǎng)地地震反應(yīng)分析外,測(cè)試場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期也是一項(xiàng)重要工作。場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期的測(cè)試除了防止特殊的地震效應(yīng)發(fā)生,避免擬建建筑物自振周期與場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期一致或接近,在地震發(fā)生時(shí),地基與建筑物產(chǎn)生共振或類共振；還可依據(jù)場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期作為工程抗震中場(chǎng)地土類型劃分、場(chǎng)地類別劃分的標(biāo)準(zhǔn),以及估算地震動(dòng)峰值加速度。因此, 從地脈動(dòng)出發(fā)研究地基土層構(gòu)造與地脈動(dòng)卓越周期的關(guān)系以及不同場(chǎng)地類別的卓越周期特征, 以便對(duì)地基土層場(chǎng)地準(zhǔn)確評(píng)價(jià),以及有針對(duì)性地選用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與埋深等方面都具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2、1 地脈動(dòng)簡(jiǎn)介在一般情況下,任何時(shí)刻在地球表面的任何地點(diǎn),都可以用高靈敏度的儀器觀測(cè)到非地震引起的一種振幅很小的微弱震動(dòng)噪聲,其位移一般只有幾微米到幾十微米,把這種人體難以察覺到的微小振動(dòng)稱為地脈動(dòng)。地脈動(dòng)是由場(chǎng)地周圍自然震源(風(fēng)、海浪等) 和人工震源(機(jī)器振動(dòng)源、交通工具等) 所產(chǎn)生, 是地面的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性隨機(jī)波動(dòng)。通常情況下地脈動(dòng)具有頻率低、振幅小等特點(diǎn)。從地震觀測(cè)的角度,按周期長(zhǎng)短把地脈動(dòng)分為兩類:一是短周期地脈動(dòng);二是長(zhǎng)周期地脈動(dòng),長(zhǎng)短周期地脈動(dòng)有如下區(qū)別:(1) 常時(shí)微動(dòng)。為短周期地微動(dòng),一般為0. 11 s ,波長(zhǎng)較短,是地微動(dòng)信號(hào)中反映場(chǎng)地土動(dòng)態(tài)特性的成分,主要是近距離的人

3、類活動(dòng)、交通運(yùn)輸、機(jī)械振動(dòng)等人工振動(dòng)源引起的。在理論上可用橫波在土層中的多層反射理論解釋。(2) 脈動(dòng)。為中長(zhǎng)周期地微動(dòng),一般為1 s至幾十秒,波長(zhǎng)較長(zhǎng),是地微動(dòng)中反映振源特性的分量,主要是由海浪、風(fēng)雨、氣候、雷電、火山、地震等自然現(xiàn)象變化引起的,由較遠(yuǎn)距離的振源或海洋波浪、大氣環(huán)流及地球深部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)激發(fā),可利用它研究地震、臺(tái)風(fēng)、火山及地球內(nèi)部的其它運(yùn)動(dòng),理論上可用面波傳播特征解釋。相對(duì)于常時(shí)微動(dòng)而言,是一短期內(nèi)的振動(dòng)現(xiàn)象,故稱之為“脈動(dòng)”。2 常時(shí)微動(dòng)的成因常時(shí)微動(dòng)主要反映了場(chǎng)地結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,與振源關(guān)系不大,可以把它看成是由地下垂直入射的SH波,這種假設(shè)可以解釋許多實(shí)際觀測(cè)到的現(xiàn)象。根據(jù)

4、波傳播理論,SH波從下伏基巖垂直入射覆蓋土層中,在水平成層土中的傳播可以用一維平面波在層狀介質(zhì)中的傳播來模擬。在小應(yīng)變范圍,土層可以看作線彈性或粘彈性介質(zhì)。從下伏基巖入射的波在基巖與覆蓋土層的界面處會(huì)發(fā)生反射和透射,上行透射波在遇到土層內(nèi)部的分層界面時(shí)還會(huì)發(fā)生反射和透射,自上層界面處反射向下的下行波也會(huì)在下界面處發(fā)生反射與透射,新的反射波和透射波又會(huì)在前進(jìn)方向上的下一個(gè)界面處產(chǎn)生各自的反射波和透射波。振動(dòng)經(jīng)過多次的反射與透射到達(dá)地表。3 測(cè)試儀器圖1 武漢巖?；鶚秳?dòng)測(cè)儀 圖2 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所891-4 拾振器4 測(cè)試方法與信號(hào)處理4.1 測(cè)試方法常時(shí)微動(dòng)測(cè)試根據(jù)工程需要、面積大小、地

5、層復(fù)雜程度等確定測(cè)點(diǎn)數(shù)量,在同一土層中應(yīng)至少布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)按相互垂直的X 、Y 、Z 方向布置3 個(gè)拾振器,放置在平整密實(shí)的土層上,拾振器與土層之間墊上托板,3個(gè)拾振器之間距離盡可能靠近,應(yīng)小于1m。測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)選擇在環(huán)境安靜的地點(diǎn),盡可能遠(yuǎn)離脈動(dòng)源?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)在深夜進(jìn)行。地脈動(dòng)測(cè)試一定要在同一點(diǎn)上,不同時(shí)間觀測(cè)足夠多的次數(shù),以排除主振源因素,則所獲得的頻譜及參數(shù)才能真正反映該點(diǎn)地基的固有特性。4.2 信號(hào)處理地脈動(dòng)信號(hào)通常采用功率譜函數(shù)來分析描述其頻率特性。按頻譜圖中最大峰值所對(duì)應(yīng)的頻率確定為卓越頻率,卓越頻率的倒數(shù)即為卓越周期。式中：為卓越周期（s）；為卓越頻率。圖3 某場(chǎng)地地脈動(dòng)

6、實(shí)測(cè)信號(hào)與分析示例=2.98Hz =0.34s5 場(chǎng)地土特性對(duì)地脈動(dòng)測(cè)試信號(hào)的影響5.1 某高層建筑場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試 該場(chǎng)地地形平坦, 巖土層結(jié)構(gòu)單一, 自上而下分別為耕土 、砂質(zhì)粘性土 以及燕山早期中微風(fēng)化花崗巖, 覆蓋層深度約為1619m。地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果：說明在巖土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,覆蓋層深度變化不大的場(chǎng)地, 地脈動(dòng)卓越周期變化很小, 在不同位置的測(cè)試結(jié)果甚至可能相同。同時(shí)可以看出在這種場(chǎng)地下的功率變譜圖波形也相對(duì)簡(jiǎn)單, 為單峰型,主峰突出,頻帶窄,譜面積小,卓越頻率的判定也較準(zhǔn)確。5.2 某變電站場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試該場(chǎng)地地面平坦, 地貌上屬于巖溶平原區(qū)。場(chǎng)地巖土層主要為新近人工堆積形成的素填土、第四

7、系河流沖洪積形成的可塑狀粉質(zhì)粘土、稍密狀中細(xì)砂、稍密狀粗砂、稍密狀粉土和稍密松散狀粉細(xì)砂層等,下伏基巖為泥盆系中下統(tǒng)( D2 )灰?guī)r層, 基巖面起伏較大,覆蓋層深度約為915m。地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果：說明在巖土層較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 覆蓋層深度不均勻的場(chǎng)地, 地脈動(dòng)卓越周期變化范圍較大。同時(shí)可以看出在這種場(chǎng)地下的功率變譜圖波形也相對(duì)復(fù)雜, 具有多樣化, 為雙峰或多峰型, 頻帶較寬, 能量較分散。圖4 高層建筑場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試時(shí)、頻圖 圖5 變電站場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試時(shí)、頻圖6 卓越周期的應(yīng)用6.1 抗震設(shè)計(jì) 地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)工程結(jié)構(gòu)的自振周期與建筑場(chǎng)地的卓越周期相同或相近時(shí),因其共振或類共振效應(yīng)使之承受過大的荷

8、載而破壞,故應(yīng)避免產(chǎn)生。因此,通過地脈動(dòng)的研究,測(cè)定場(chǎng)地得卓越周期,了解場(chǎng)地土的動(dòng)態(tài)變化特征為工程抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。6.2 估算地震動(dòng)峰值加速度地震動(dòng)峰值加速度是抗震設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要基本參數(shù)。由于我國(guó)缺乏豐富的強(qiáng)震記錄,通過強(qiáng)震記錄推算地震動(dòng)峰值加速度比較困難,再由于工程造價(jià)等原因,一般工程未必為計(jì)算地震動(dòng)峰值加速度而進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析。在地基厚度相同時(shí)，地基越硬，卓越周期越短，地震動(dòng)峰值加速度越小，對(duì)應(yīng)的短周期剛性建筑物易損壞;地基越軟，卓越周期越長(zhǎng)，地震動(dòng)峰值加速度越大，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)周期柔性建筑物易被破壞。（1985年9月19日墨西哥近海地震在墨西哥市相距不遠(yuǎn)的A、B兩地加速度記錄的最大值為

9、1. 98和0. 39 ,其中A點(diǎn)的加速度儀布設(shè)在市中心附近的重災(zāi)區(qū),地基為湖相的淤泥層; B點(diǎn)的加速度儀布設(shè)在墨西哥國(guó)立自治大學(xué)校院內(nèi),地基堅(jiān)硬。1995年1月17日阪神地震后,日本研究人員分別在余震區(qū)神戶藥科大學(xué)和福池小學(xué)內(nèi)布設(shè)了加速度儀,藥科大學(xué)為硬地基,其加速度值分別為0. 18 ( NS)、0. 33 ( EW)、0.13 ( UD)；相鄰的福池小學(xué)為軟地基,其加速度值分別為2. 1 ( NS)、1. 35 ( EW)、0. 72 ( UD)。）據(jù)研究,場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期、地震烈度和地震動(dòng)峰值加速度之間有一定的關(guān)系。通過場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期估算地震動(dòng)峰值加速度是可行的。日本學(xué)者金井清推導(dǎo)出

10、場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期、地震列度（MM烈度)和地震動(dòng)峰值加速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 我國(guó)學(xué)者彭遠(yuǎn)黔推導(dǎo)出場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期、地震列度 MM烈度)和地震動(dòng)峰值加速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 6.3 場(chǎng)地土類型劃分建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范( GB50011 - 2001) 用卓越周期劃分場(chǎng)地土類型的標(biāo)準(zhǔn)。表1 卓越周期T/ s場(chǎng)地土類型T < 0.17堅(jiān)硬場(chǎng)地土0.17 T < 0.30中硬場(chǎng)地土0.30 T < 0.53中軟場(chǎng)地土T 0.53軟弱場(chǎng)地土6.4 場(chǎng)地類別劃分場(chǎng)地微震動(dòng)測(cè)量技術(shù)規(guī)程CECE741995用卓越周期劃分場(chǎng)地土類型的標(biāo)準(zhǔn)：表2場(chǎng)地類別場(chǎng)地土狀卓越周期T/s堅(jiān)硬場(chǎng)地土0.10.2硬而厚的場(chǎng)地土0.20.4軟而較厚的場(chǎng)地土0.40.6異常松場(chǎng)地土0.60.8地震區(qū)工程選址手冊(cè)用卓越周期劃分場(chǎng)地土類型的標(biāo)準(zhǔn)