地脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)

1、、尸、 亠前言工程抗震設(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(lèi)型劃分、場(chǎng)地類(lèi)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(lèi)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(lèi)型劃分、場(chǎng)地類(lèi)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(lèi)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

2、有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。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(jué)到的微小振動(dòng)稱(chēng)為地脈動(dòng)。地脈動(dòng)是由場(chǎng)地周?chē)匀徽鹪?(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(lèi):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

3、映場(chǎng)地土動(dòng) 態(tài)特性的成分 ,主要是近距離的人類(lèi)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(chēng)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

4、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)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(lái)模擬。在小應(yīng)變范圍，土層可以看作線(xiàn)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)3測(cè)試儀器圖1武漢巖?；鶚秳?dòng)測(cè)儀生反射與透射，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(guò)多次的反射與透射到達(dá)地表。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)

5、試方法常時(shí)微動(dòng)測(cè)試根據(jù)工程需要、面積大小、地層復(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)處理按頻譜圖中最大峰值所對(duì)應(yīng)的地脈動(dòng)信號(hào)通常采用功率譜函數(shù)來(lái)分析描述其頻率特性。頻率確定為卓越頻率，卓越頻率的倒數(shù)即為卓越周期。1fs式中：T

6、s為卓越周期（s）； fs為卓越頻率。i.i- I .feD血2000.00血為對(duì)心閆tte）0.0tl 1-JL.-J-.1-V-4.9KBI9.C<aiz)圖3某場(chǎng)地地脈動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)與分析示例fs=2.98Hz Ts=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：釉點(diǎn)編號(hào)倉(cāng)越頻率J1Z疑越周期Ja東西向J 65U 174仝上.南北向3 65(1 274漁直1電11向3 65Q 274平均誼3 65ft 27說(shuō)明在巖土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

7、，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：劃點(diǎn)編號(hào)卓轉(zhuǎn)煩事虛【2東酋向1 93Q汕1南北向J 19Q列3河直13 190 313平呦但

8、J J0(1 32說(shuō)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。IKHi:世 Hz0SO40GOspMIK"r! It匚呻才皿十.S1624321 EzJWmLju.06 1218也 llz何測(cè)點(diǎn)2南北向地脈動(dòng)及笊曲車(chē)譜圍山測(cè)點(diǎn)1南北向地脈動(dòng)及其功率譜09（V）油點(diǎn)2垂直商地脈動(dòng)及耳功車(chē)曙圖圖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

9、時(shí),因其共振或類(lèi)共振效應(yīng)使之承受過(guò)大的荷載而破壞,故應(yīng)避免產(chǎn)生。因此 ,通過(guò)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(guò)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

10、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1. 98m/ s2和0. 39m/s2，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(hù)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. 18m/ s2 ( NS)、 0. 33m/s2 ( EW)、0.13m/s2 ( U D)；相鄰的福池小學(xué)為軟地基，其加速度值分別為 2. 1 m/s2 ( N S)、1.2235m/s2 ( EW)、 0. 72m/s

11、2 ( 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(guò)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)出場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期Ts、地震列度Imm ( MM烈度)和地震動(dòng)峰值加速度amax的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式amax1.6TS 1.3 100.18IMM我國(guó)學(xué)者彭遠(yuǎn)黔推導(dǎo)出場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期Ts、地震列度Imm MM烈度)和地震動(dòng)峰值加速度amax的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式amax0.72T 0.124 100.331IMM6.3場(chǎng)地土類(lèi)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(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)。表1卓越周期T/ s場(chǎng)地土類(lèi)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(lèi)別劃分場(chǎng)地微震動(dòng)測(cè)量技術(shù)規(guī)程CECE74 1995用卓越周期劃分場(chǎng)地土類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn):場(chǎng)地類(lèi)別場(chǎng)地土狀卓越周期T/sI堅(jiān)硬場(chǎng)地土0.1 0.2n硬而厚的場(chǎng)地土0.2 0.4出軟而較厚的場(chǎng)地土0.4 0.6IV異常松場(chǎng)地土0.6 0.8地震區(qū)工程選址手冊(cè)用卓越周期劃分場(chǎng)地