地脈動(dòng)在十堰城區(qū)工程場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

崔 敏,劉 駿,高 放,吳怡銳

(1.十堰市地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心;2.十堰鄖縣地震局;3.十堰市防震減災(zāi)技術(shù)中心，湖北 十堰 442000)

地脈動(dòng)是場(chǎng)地周期自然和人工震源所產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性的隨機(jī)波動(dòng)，其不同的頻率會(huì)引起巖土體不同響應(yīng)。場(chǎng)地卓越周期是地面運(yùn)動(dòng)的重要特征量，主要為評(píng)價(jià)場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震作用與結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算作依據(jù)，它與覆蓋土層厚度、成分、物理力學(xué)特性以及場(chǎng)地背景振動(dòng)環(huán)境有密切關(guān)系。如場(chǎng)地卓越周期與擬建(構(gòu))筑物自振周期一致或接近，地震時(shí)擬建(構(gòu))筑物與地基土將產(chǎn)生共振作用，從而加劇擬建(構(gòu))筑物的破壞程度。它也是抗震設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，且測(cè)試方法方便、經(jīng)濟(jì)可靠，因此在場(chǎng)地動(dòng)力特性評(píng)價(jià)、地震區(qū)劃和速度結(jié)構(gòu)探測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)已有許多學(xué)者對(duì)地脈動(dòng)觀測(cè)、分析方法、場(chǎng)地動(dòng)力特性等做過(guò)系統(tǒng)歸納和總結(jié)[3]。

十堰市因其特殊的低山溝谷地貌在工程地震勘測(cè)中較多利用地脈動(dòng)探測(cè)方法對(duì)工程場(chǎng)地動(dòng)力特性和頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以得到場(chǎng)地的常時(shí)振幅、卓越頻率和卓越周期值，為工程抗震提供參考依據(jù)。

1 十堰城區(qū)工程場(chǎng)地地震地質(zhì)概況

地塊上位于北大巴山褶皺束以東，襄棗斷陷以西，揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)以北側(cè)，秦嶺褶皺系之南秦嶺武當(dāng)褶隆內(nèi)，該單元主體由中元古界武當(dāng)群火山巖組、沉積巖組和變質(zhì)巖組構(gòu)成，內(nèi)部發(fā)育一系列NE向斜滑斷裂。新構(gòu)造期以來(lái)，近場(chǎng)區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)以繼承性、間歇性隆升為主要特征，表現(xiàn)為河流的多級(jí)階地及夷平面，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度中等。第四紀(jì)以來(lái)，在北東-南西向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下，仍表現(xiàn)為以白河-谷城斷裂為界，南北兩側(cè)各做差異性隆升活動(dòng)。原始地貌屬剝蝕性低丘地貌，呈三山夾兩溝，兩山夾一溝的地形，工程建設(shè)場(chǎng)地多系開(kāi)山切坡回填整平而成，上覆第四系填土，厚度3-50米，下伏基巖為中風(fēng)化云母石英片巖。

區(qū)域內(nèi)(31.1°-34.6°N，108.9°-112.6°E)1970年以來(lái)現(xiàn)代地震主要以中小地震為主，共記錄M≥2.0級(jí)地震1266次，其中2-2.9級(jí)地震1095次，3-3.9級(jí)地震154次，4-4.9級(jí)地震17次。1970年以來(lái)區(qū)域內(nèi)M≥3.0級(jí)的最大地震為2000年4月29日河南內(nèi)鄉(xiāng)M4.2級(jí)地震與1973年11月29日河南淅川M4.7級(jí)地震。最近一次震級(jí)M≥3.0級(jí)的地震為2009年11月20日陜西高陵M3.0級(jí)地震。區(qū)域現(xiàn)代地震活動(dòng)相對(duì)較頻繁，但強(qiáng)度較低。工程近場(chǎng)區(qū)有1次破壞性地震記錄，即1887年湖北武當(dāng)山地震，震中烈度Ⅵ。歷史地震的強(qiáng)度還是頻度都呈較低水平，現(xiàn)代地震活動(dòng)主要為較低頻度的小震、微震，歷史與現(xiàn)代地震對(duì)工程場(chǎng)地的最大影響烈度均為Ⅵ度。

2 十堰城區(qū)工程場(chǎng)地脈動(dòng)測(cè)試分析

2.1 儀器觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

地脈動(dòng)是各種波在測(cè)點(diǎn)集會(huì)形成一種隨時(shí)間作不規(guī)則變化的隨機(jī)振動(dòng)，由于波的多重發(fā)射與折射，在傳播過(guò)程中攜帶著場(chǎng)地巖土層的固有特性信息，通過(guò)對(duì)測(cè)試波形進(jìn)行頻譜分析就可獲得場(chǎng)地特性信息。地脈動(dòng)具有頻率低、振幅小等特點(diǎn)，其頻譜范圍一般在0.4-20 Hz(較重要的頻譜范圍在1-10 Hz)，本文采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所891型測(cè)試系統(tǒng)，周期在0.1-1.0 s，振幅小于3.0 μm的地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果，實(shí)測(cè)地面振動(dòng)卓越周期時(shí)采用891-4型拾震器，放大倍數(shù)8-10萬(wàn)倍。測(cè)試前，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行儀器標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為性能穩(wěn)定、靈敏度高，表明測(cè)試系統(tǒng)性能可靠，精度高，可獲得較好的地脈動(dòng)信息[1]。

測(cè)試時(shí)段選擇在午夜或周圍環(huán)境比較安靜的時(shí)候，人員不在近場(chǎng)走動(dòng)，避開(kāi)人為機(jī)械振動(dòng)干擾，測(cè)試點(diǎn)盡量選擇在天然土及波速測(cè)試孔附近，不能滿足要求時(shí)，采用挖坑或壘實(shí)的方法將拾震器放置在穩(wěn)定的原狀土層上進(jìn)行觀測(cè)，拾震器沿SN、EW、UD三分向布置。每一測(cè)點(diǎn)采集記錄時(shí)間為180s，采集三組數(shù)據(jù)便于對(duì)比。

數(shù)據(jù)采集和分析采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所G01USB振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，頻譜分析采用自動(dòng)功率譜分析與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地地脈動(dòng)參數(shù)自動(dòng)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果采用對(duì)比分析結(jié)果。

2.2 場(chǎng)地地脈動(dòng)頻譜特性分析

根據(jù)十堰特殊的低山地貌，選擇城區(qū)原始山地、半挖半填、回填場(chǎng)地三類工程場(chǎng)地32組脈動(dòng)原始數(shù)據(jù)，分析傅氏譜與功率譜的印證分析，結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告結(jié)果，對(duì)十堰城區(qū)場(chǎng)地類型和劃分進(jìn)行了印證。十堰城區(qū)三類工程場(chǎng)地的脈動(dòng)頻譜曲線的類型大致對(duì)應(yīng)為三類：

(1)原始山地對(duì)應(yīng)單峰。單峰譜曲線特點(diǎn)是頻譜曲線的峰值尖銳，頻譜曲線面積小，只有一個(gè)明顯波峰(圖a1.a2)。這類曲線大多數(shù)出現(xiàn)于波速隨深度遞增，峰值位置及帶寬一般隨覆蓋層厚度的增加向低頻方向移動(dòng)。場(chǎng)地多為原始山地或開(kāi)挖切坡基巖裸露、沒(méi)有軟硬夾層的地層結(jié)構(gòu)，覆蓋層厚度0-4.5米。

(2)半挖半填場(chǎng)地對(duì)應(yīng)雙峰或多峰。因工程需要半挖半填的場(chǎng)地類型在十堰城區(qū)占重大比例，由于城區(qū)可利用土地面積少，大多工程建設(shè)場(chǎng)地均需要開(kāi)山切坡就地回填低洼或溝地，從而形成較平整的工程擬建場(chǎng)地。這種場(chǎng)地部分基巖出露，大部分為回填土巖方，土層密實(shí)度、厚度不均勻，包含回填土層覆蓋厚度一般在5-45米。這類場(chǎng)地分析得到的譜曲線表現(xiàn)為兩個(gè)或多個(gè)波峰(圖b1、b2)，其波形主峰較明顯，峰與峰之間可見(jiàn)明顯間隔，譜面積較大，表明在密度、厚度不均勻地層的位置與波峰值的大小寬窄形態(tài)有密切關(guān)系。

(3)回填場(chǎng)地對(duì)應(yīng)多峰。城區(qū)大面積回填，覆蓋層厚度大于50米且剪切波速小于250 m/s的Ⅲ類場(chǎng)地很少見(jiàn)。在芧箭區(qū)某安置小區(qū)的局部地段測(cè)試數(shù)據(jù)展現(xiàn)了譜曲線波峰集中在某一頻率區(qū)段，主峰不明顯，形成有多峰值組成的平臺(tái)(圖c1、c2)。其特點(diǎn)為波峰峰值向低頻偏移，頻譜曲線面積較雙峰更大，峰值振幅比在0.6-1.0之間。詳細(xì)勘察表明場(chǎng)地處于多溝交匯的地勢(shì)低洼地段，下部存在剛度小、厚度較大的第四系土層，后因建設(shè)需要大面積回填，覆蓋厚度大于50米，剪切波值178 m/s，為三類場(chǎng)地。這類場(chǎng)地的上部覆蓋土層振動(dòng)波中的低頻分量得到了放大，高頻分量被抑制，使得頻譜曲線出現(xiàn)較長(zhǎng)周期的高峰，而下伏中風(fēng)化基巖則成為地震波反射界面，并增加了波在傳遞過(guò)程的多次反射的機(jī)會(huì)，以致出現(xiàn)較多峰值。這種譜曲線使場(chǎng)地卓越周期變得的不明顯[2]。

圖1 工程場(chǎng)地實(shí)測(cè)地脈動(dòng)頻普波形(EW向 )

計(jì)算分析可得出EW、NS、UD三個(gè)方向觀測(cè)的平均頻率，從而計(jì)算得出的平均周期即為場(chǎng)地卓越周期?？梢钥闯鲎吭街芷诘淖兓c場(chǎng)地土類型、工程地質(zhì)條件的變化相對(duì)應(yīng)，反映了場(chǎng)地覆蓋層厚度變化與地基土剛度變化關(guān)系。根據(jù)工程場(chǎng)地脈動(dòng)周期和剪切波速測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期劃分場(chǎng)地類型與剪切波速劃分基本一致(表1、2)，可作為工程抗震中場(chǎng)地類型劃分的參考依據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2場(chǎng)地類型劃分表

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)十堰城區(qū)工程場(chǎng)地的地脈動(dòng)采集分析和統(tǒng)計(jì)研究，為工程場(chǎng)地條件評(píng)價(jià)和抗震設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。在工程抗震中可應(yīng)用以下方面：

(1)工程場(chǎng)地測(cè)試可獲得卓越周期值，從而規(guī)避抗震設(shè)計(jì)時(shí)場(chǎng)地與建(構(gòu))筑物產(chǎn)生共振或類共振，減輕建(構(gòu))筑物破壞程度。

(2)地脈動(dòng)計(jì)算所得卓越周期可用于十堰城區(qū)場(chǎng)地土類別評(píng)價(jià)，可作為工程抗震中場(chǎng)地土類型劃分參考。由于地脈動(dòng)測(cè)試方便和經(jīng)濟(jì)，可推廣運(yùn)用到構(gòu)造剝蝕性山地地貌類似場(chǎng)地的波速數(shù)值推測(cè)和場(chǎng)地土類型判定。

(3)卓越周期的變化與場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)、覆蓋層厚度密切關(guān)聯(lián)，可運(yùn)用于十堰城區(qū)工程場(chǎng)地與地脈動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)特征關(guān)系的分析。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陶夏新,等.工程場(chǎng)地條件評(píng)定中的地脈動(dòng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2001(4)：18-23.

[2] 許建聰,等.地脈動(dòng)在泉州市區(qū)地震土層場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：47-51.

[3] 彭遠(yuǎn)黔,等.場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期在工程抗震中的應(yīng)用[J].華北地震科學(xué)，2000(4)：61-68.