地脈動測試技術(shù)

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

2、1 地脈動簡介在一般情況下,任何時刻在地球表面的任何地點,都可以用高靈敏度的儀器觀測到非地震引起的一種振幅很小的微弱震動噪聲,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稱為地脈動。地脈動是由場地周圍自然震源(風、海浪等) 和人工震源(機器振動源、交通工具等) 所產(chǎn)生, 是地面的一種穩(wěn)定的非重復性隨機波動。通常情況下地脈動具有頻率低、振幅小等特點。從地震觀測的角度,按周期長短把地脈動分為兩類:一是短周期地脈動;二是長周期地脈動,長短周期地脈動有如下區(qū)別:(1) 常時微動。為短周期地微動,一般為0. 11 s ,波長較短,是地微動信號中反映場地土動態(tài)特性的成分,主要是近距離的人

3、類活動、交通運輸、機械振動等人工振動源引起的。在理論上可用橫波在土層中的多層反射理論解釋。(2) 脈動。為中長周期地微動,一般為1 s至幾十秒,波長較長,是地微動中反映振源特性的分量,主要是由海浪、風雨、氣候、雷電、火山、地震等自然現(xiàn)象變化引起的,由較遠距離的振源或海洋波浪、大氣環(huán)流及地球深部構(gòu)造運動激發(fā),可利用它研究地震、臺風、火山及地球內(nèi)部的其它運動,理論上可用面波傳播特征解釋。相對于常時微動而言,是一短期內(nèi)的振動現(xiàn)象,故稱之為“脈動”。2 常時微動的成因常時微動主要反映了場地結(jié)構(gòu)的動力學特性,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,這種假設可以解釋許多實際觀測到的現(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)部的分層界面時還會發(fā)生反射和透射,自上層界面處反射向下的下行波也會在下界面處發(fā)生反射與透射,新的反射波和透射波又會在前進方向上的下一個界面處產(chǎn)生各自的反射波和透射波。振動經(jīng)過多次的反射與透射到達地表。3 測試儀器圖1 武漢巖?；鶚秳訙y儀 圖2 中國地震局工程力學研究所891-4 拾振器4 測試方法與信號處理4.1 測試方法常時微動測試根據(jù)工程需要、面積大小、地

5、層復雜程度等確定測點數(shù)量,在同一土層中應至少布置3 個測點，每個測點按相互垂直的X 、Y 、Z 方向布置3 個拾振器,放置在平整密實的土層上,拾振器與土層之間墊上托板,3個拾振器之間距離盡可能靠近,應小于1m。測點位置應選擇在環(huán)境安靜的地點,盡可能遠離脈動源?，F(xiàn)場測試應在深夜進行。地脈動測試一定要在同一點上,不同時間觀測足夠多的次數(shù),以排除主振源因素,則所獲得的頻譜及參數(shù)才能真正反映該點地基的固有特性。4.2 信號處理地脈動信號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應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 某場地地脈動

6、實測信號與分析示例=2.98Hz =0.34s5 場地土特性對地脈動測試信號的影響5.1 某高層建筑場地地脈動測試 該場地地形平坦, 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化花崗巖, 覆蓋層深度約為1619m。地脈動測試結(jié)果：說明在巖土層結(jié)構(gòu)簡單,覆蓋層深度變化不大的場地, 地脈動卓越周期變化很小, 在不同位置的測試結(jié)果甚至可能相同。同時可以看出在這種場地下的功率變譜圖波形也相對簡單, 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確。5.2 某變電站場地地脈動測試該場地地面平坦, 地貌上屬于巖溶平原區(qū)。場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、稍密狀中細砂、稍密狀粗砂、稍密狀粉土和稍密松散狀粉細砂層等,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。地脈動測試結(jié)果：說明在巖土層較多、結(jié)構(gòu)較復雜, 覆蓋層深度不均勻的場地, 地脈動卓越周期變化范圍較大。同時可以看出在這種場地下的功率變譜圖波形也相對復雜, 具有多樣化, 為雙峰或多峰型, 頻帶較寬, 能量較分散。圖4 高層建筑場地地脈動測試時、頻圖 圖5 變電站場地地脈動測試時、頻圖6 卓越周期的應用6.1 抗震設計 地震發(fā)生時，當工程結(jié)構(gòu)的自振周期與建筑場地的卓越周期相同或相近時,因其共振或類共振效應使之承受過大的荷

8、載而破壞,故應避免產(chǎn)生。因此,通過地脈動的研究,測定場地得卓越周期,了解場地土的動態(tài)變化特征為工程抗震設計提供依據(jù)。6.2 估算地震動峰值加速度地震動峰值加速度是抗震設計中的一項重要基本參數(shù)。由于我國缺乏豐富的強震記錄,通過強震記錄推算地震動峰值加速度比較困難,再由于工程造價等原因,一般工程未必為計算地震動峰值加速度而進行場地地震反應分析。在地基厚度相同時，地基越硬，卓越周期越短，地震動峰值加速度越小，對應的短周期剛性建筑物易損壞;地基越軟，卓越周期越長，地震動峰值加速度越大，對應的長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點的加速度儀布設在市中心附近的重災區(qū),地基為湖相的淤泥層; B點的加速度儀布設在墨西哥國立自治大學校院內(nèi),地基堅硬。1995年1月17日阪神地震后,日本研究人員分別在余震區(qū)神戶藥科大學和福池小學內(nèi)布設了加速度儀,藥科大學為硬地基,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,場地脈動卓越周期、地震烈度和地震動峰值加速度之間有一定的關(guān)系。通過場地脈動卓越周期估算地震動峰值加速度是可行的。日本學者金井清推導出

10、場地脈動卓越周期、地震列度（MM烈度)和地震動峰值加速度的經(jīng)驗關(guān)系式 我國學者彭遠黔推導出場地脈動卓越周期、地震列度 MM烈度)和地震動峰值加速度的經(jīng)驗關(guān)系式 6.3 場地土類型劃分建筑抗震設計規(guī)范( GB50011 - 2001) 用卓越周期劃分場地土類型的標準。表1 卓越周期T/ s場地土類型T < 0.17堅硬場地土0.17 T < 0.30中硬場地土0.30 T < 0.53中軟場地土T 0.53軟弱場地土6.4 場地類別劃分場地微震動測量技術(shù)規(guī)程CECE741995用卓越周期劃分場地土類型的標準：表2場地類別場地土狀卓越周期T/s堅硬場地土0.10.2硬而厚的場地土0.20.4軟而較厚的場地土0.40.6異常松場地土0.60.8地震區(qū)工程選址手冊用卓越周期劃分場地土類型的標準