南京某高校教學(xué)八樓場(chǎng)地動(dòng)力特性測(cè)試

吳建春 顧德清 盧 俊

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京 210007)

高校教學(xué)樓是人員集中的場(chǎng)所，因此，教學(xué)樓的抗震功能顯得尤其重要。為了給教學(xué)樓的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)，擬建的江蘇省南京某高校教學(xué)八樓的業(yè)主要求巖土勘察單位對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試。文章介紹了場(chǎng)地動(dòng)力測(cè)試的參數(shù)、測(cè)試方法及測(cè)試依據(jù)，供同行借鑒參考。

1 測(cè)試參數(shù)

在目前使用的巖土工程設(shè)計(jì)手冊(cè)、有關(guān)巖土國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，人們一般選擇建筑物場(chǎng)地的特征周期或者卓越周期來(lái)表示場(chǎng)地動(dòng)力特性的參數(shù)［1-4］。在該教學(xué)樓場(chǎng)地動(dòng)力特性測(cè)試中，選擇卓越周期作為測(cè)試參數(shù)，為教學(xué)樓的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

地震發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r土層傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)不同密度、波速的巖土層界面的多次反射后，會(huì)產(chǎn)生周期不同的地震波。此時(shí)，如果建筑物場(chǎng)地巖土層的固有周期與周期不同地震波中的某一周期相近時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生共振。在共振的影響作用下，該周期地震波的振幅將會(huì)被放大，此地震波的周期則被稱為卓越周期。建筑物場(chǎng)地的卓越周期是指在地震作用影響下產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的特征量，是表示場(chǎng)地動(dòng)力特性的參數(shù)。該參數(shù)的大小取決于覆蓋巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)成、場(chǎng)地的背景振動(dòng)、厚度等。在生產(chǎn)實(shí)踐中確定建筑物場(chǎng)地的卓越周期的最終目的是為了預(yù)防地震引起的地面效應(yīng)的發(fā)生，即為了避免地震發(fā)生后，由于卓越周期和擬建建筑物自身固有周期的相近或一致，導(dǎo)致地基與建筑物產(chǎn)生類共振或共振，從而使建筑物破損、倒塌［5，6］。

2 測(cè)試方法

根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同，獲得場(chǎng)地卓越周期T的測(cè)試方法有三種［7，8］。

1)通過(guò)對(duì)場(chǎng)地的實(shí)測(cè)強(qiáng)震記錄進(jìn)行傅里葉(Fourier)變換，從而得到場(chǎng)地卓越周期。2)利用高靈敏度的地震儀測(cè)試地面脈動(dòng)，對(duì)得到的地面脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉(Fourier)變換，進(jìn)而得到建筑物場(chǎng)地的卓越周期。在生產(chǎn)實(shí)踐中，本著簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則，通常把實(shí)測(cè)到的周期、頻度數(shù)據(jù)繪制成地面脈動(dòng)的周期—頻度曲線，以此得到建筑物場(chǎng)地的卓越周期。3)利用實(shí)測(cè)到的建筑物場(chǎng)地巖土層的分層剪切波的波速，通過(guò)以下計(jì)算公式得到建筑物場(chǎng)地的卓越周期其中，T為建筑物場(chǎng)地的卓越周期，s;hi為在計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土層或巖層的厚度，m;vsi為在計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土層或巖層的等效剪切波的速度，m/s。

當(dāng)擬建的建筑物場(chǎng)地范圍內(nèi)有強(qiáng)震記錄時(shí)，而且該場(chǎng)地的地形地貌物征、巖土層結(jié)構(gòu)變化均勻時(shí)，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選擇方法1)得到表示場(chǎng)地動(dòng)力特性的參數(shù)。如果場(chǎng)地附近有強(qiáng)震記錄，但該場(chǎng)地的地形地貌特征、巖土層結(jié)構(gòu)變化劇烈時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇方法2)得到表示場(chǎng)地動(dòng)力特性的參數(shù)。如果場(chǎng)地沒有強(qiáng)震記錄，但場(chǎng)地巖土層基本均勻平行，則可考慮使用方法3)得到表示場(chǎng)地動(dòng)力特性的參數(shù)。在工程實(shí)踐中，適宜的強(qiáng)震記錄不易獲得，而且場(chǎng)地的地形地貌、巖土層結(jié)構(gòu)變化均勻，所以通常選擇方法3)得到建筑物抗震設(shè)計(jì)時(shí)所需要的場(chǎng)地卓越周期。

3 場(chǎng)地卓越周期實(shí)測(cè)

由于該教學(xué)樓場(chǎng)地面積約5 000 m2，地基巖土層均勻平行，所以采用方法3)來(lái)獲得場(chǎng)地動(dòng)力特性參數(shù)，測(cè)試時(shí)在場(chǎng)地范圍內(nèi)共布置了6 個(gè)測(cè)試孔——J18-2，J14，J15-1，J30，J8，J41，6 個(gè)孔的測(cè)試深度分別為25 m，25 m，24 m，24 m，24 m，26 m。

測(cè)試時(shí)，我們選用了河北省廊坊市某工程檢測(cè)技術(shù)公司研制的XG-I懸掛式波速測(cè)井儀作為測(cè)試儀器。該測(cè)試儀器的電磁式振源的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:電流不超過(guò)6 A，供電電壓達(dá)到48 V。該測(cè)試儀器的信號(hào)接收探頭采用懸掛式，通過(guò)井液耦合的檢波器，檢波器的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:靈敏度達(dá)到30 V/m/s，固有頻率為40 Hz。

測(cè)試時(shí)，主要操作步驟如下:1)把由振源、檢波器組成的懸掛式探頭放入測(cè)試孔中;2)利用測(cè)試孔中的泥漿作為振源、檢波器和孔壁的耦合液，讓振源產(chǎn)生垂直測(cè)試孔壁的水平激振;3)由振源激發(fā)產(chǎn)生的縱波—橫波(P—S波)沿測(cè)試孔壁傳播，由兩個(gè)相距1 m的檢波器接收沿測(cè)試孔壁傳播的P—S波振動(dòng)信號(hào);4)檢測(cè)器把振動(dòng)信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào);5)電纜把檢波器中的電信號(hào)傳輸?shù)降孛嫔系闹鳈C(jī)，并由主機(jī)記錄存儲(chǔ);6)主機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;7)采用兩道互相關(guān)分析方法，自動(dòng)計(jì)算S波在兩個(gè)檢波器之間傳播的時(shí)間差，進(jìn)而得到兩個(gè)檢波器之間的S波的傳播速度。測(cè)試時(shí)，自上至下或自下至上進(jìn)行，采樣間距為1 m。

場(chǎng)地各巖土層橫波波速及平均波速見表1，圖1～圖4。以表1為基礎(chǔ)，得到場(chǎng)地巖土層的等效剪切波的波速見表2。

表1 場(chǎng)地巖土層橫波波速及平均橫波波速表

圖1 J18-2測(cè)試孔橫波波速柱狀成果圖

表2 場(chǎng)地巖土層等效剪切波波速表

圖2 J15-1測(cè)試孔橫波波速柱狀成果圖

圖3 J30測(cè)試孔橫波波速柱狀成果圖

圖4 J41測(cè)試孔橫波波速柱狀成果圖

由表2，圖1～圖4可知:J18-2，J14，J15-1孔的等效剪切波的波速在150 m/s～250 m/s之間，覆蓋層厚度在3 m～50 m之間;J30，J8，J41孔等效剪切波的波速在250 m/s～500 m/s之間，覆蓋層厚大于5 m。根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可以得到:J18-2，J14，J15-1孔所在場(chǎng)地土的類別為中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地;J30，J8，J41孔所在場(chǎng)地土的類別為中硬土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地。

以表2為基礎(chǔ)，利用測(cè)試方法3)中的公式得到各測(cè)試孔所在場(chǎng)地的卓越周期如表3所示，其中計(jì)算深度取覆蓋層厚度和20 m二者中的較小者。取6個(gè)測(cè)試孔卓越周期的平均值，則得到場(chǎng)地卓越周期 T=0.284 s。

表3 各測(cè)試孔所在場(chǎng)地的卓越周期表

4 結(jié)語(yǔ)

1)由于假設(shè)地基土層為均勻平行，因此，方法3)得到的場(chǎng)地卓越周期有一定的誤差。但由于絕大多數(shù)地方?jīng)]有強(qiáng)震記錄，所以當(dāng)場(chǎng)地范圍不大時(shí)，利用方法3)得到的場(chǎng)地動(dòng)力特性測(cè)試參數(shù)，不失為實(shí)用、有效、經(jīng)濟(jì)的方法。2)南京某高校教學(xué)八樓場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，卓越周期為0.284 s。

［1］《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

［2］GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JGJ/T 97-95，工程抗震術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］GB/T 50269-97，地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范［S］.

［5］劉文鋒，付興潘，于振興，等.反應(yīng)譜特征周期的統(tǒng)計(jì)分析［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(5):1-7.

［6］龔思禮.建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［7］陳 鵬，劉文鋒，付興潘.關(guān)于場(chǎng)地卓越周期和特征周期的若干討論［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(6):30-35.

［8］蔣維強(qiáng)，歐陽(yáng)立勝.場(chǎng)地卓越周期與設(shè)計(jì)特征周期的關(guān)系研究［J］.工程抗震，2004(2):46-49.