地脈動方法在合作市覆蓋層厚度探測中的應用*

張澤忠，吳志堅，3，王 平，3，曾立峰，嚴武建

0 引言

2008年汶川8.0級地震的大量震后調查和烈度異常調查結果進一步驗證了場地的地形變化以及覆蓋層厚度對地震動有很強的放大效應，這種放大效應通過增加地震波的振幅和誘發(fā)長周期共振增加了地震烈度 (胡聿賢，2006)。因此震后的小區(qū)劃工作把場地條件勘查列為重中之重。

場地勘查常用手段有直接鉆孔法和面波勘探法。鉆孔方法可以直接獲取地質情況，精確可靠，但費時長、成本高，而且對環(huán)境有一定的破壞。面波勘探法采用反射波采集反演地質情況，需要人工激發(fā)震源并且受周圍環(huán)境影響較大，其數(shù)據(jù)處理也較繁雜。地脈動作為一種簡便、快捷、經濟和較準確的場地工作手段，其頻譜特征既可以反映場地土層類型特征，又能反映出工程場地的動力特性，因此，它在工程場地的地基類別劃分、場地的選擇和評價以及地震小區(qū)劃中覆蓋層和波速結構探測等方面被廣泛利用 (王蘭民，2003)。

本文基于甘南合作市黃土地區(qū)41處地脈動觀測，分析了該地區(qū)地脈動頻譜信號的穩(wěn)定性和分布規(guī)律性，對2條剖面進行了覆蓋層反演和整個市區(qū)覆蓋層厚度的反演。

1 地脈動現(xiàn)場觀測

1.1 觀測原理

地脈動是由隨機振源 (包括自然因素，如地震、風振、火山活動、海洋波浪等;人為因素，如交通、動力機器、工程施工等)激發(fā)并經場地不同性質的巖土層界面多次反射和折射后傳播到場地地面的振動，是地面的一種穩(wěn)定的非重復性隨機波動。同時，地脈動不同的頻幅變化和作用歷時，會引起巖土體的不同響應 (許建聰?shù)龋?005)。地脈動中由自然震源激發(fā)而引起的周期長達20～100 s的振動，稱為長周期微動，與深部構造有關，屬于地域性微動，可用面波的傳播來解釋 (于凱等，2011)。

Nakamura(1989)的研究表明，在場地上僅用一個三分量檢波器觀測的地脈動水平與垂直方向 (H/V)的頻譜比與場地垂直入射S波的放大因子相似，這表明地脈動的H/V譜可以反映場地的剪切波速 (VS)剖面。每層土的性質和層厚對地脈動的頻率成分有重要的影響，它能增強或削弱入射波群中的個別波，具有濾波和選頻的特性，因此通過對脈動頻譜的數(shù)據(jù)分析可以反映覆蓋層的結構。

1.2 觀測儀器

合作市的地脈動觀測采用北京大地華龍有限責任公司生產的XG－I貼壁式波速測井儀，其主要技術參數(shù):通道數(shù):1～3道可選;采樣間隔:0.03～10 ms;采樣點數(shù):512～16 384;各道時間一致性:≤1個采樣間隔;各道振幅一致性:＜3%;頻率范圍:1～1 000 Hz;前放增益:18～60 dB(各道獨立可調);A/D轉換精度:14位;輸入阻抗:≤10 kΩ;觸發(fā)方式:脈沖、通斷;延時:0～8 000 ms可選。

1.3 觀測場地和測點布設

合作市為典型河谷城市，城市建筑主要分布在平坦的谷底，東西兩側為山坡。合作市區(qū)狹長，按2條主干道分為2條測線，觀測點主要布置在安靜、開闊平坦的場地，確保地脈動微弱振動信號不被干擾信號淹沒，布設距離300～400 m。考慮到地形因素，在山頂和山腰位置也布設了一些測點，共布設41處觀測點。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 快速傅里葉變換

為了將原來難以處理的地脈動時域信號轉換成易于分析的頻域信號，進而更好的分析地脈動頻率分布密度函數(shù)，即各頻率成分的大小和能量分布，筆者采用了快速傅里葉變換 (FFT)進行分析。

設地脈動為時間的函數(shù)，用X(t)表示，則將它由時域變換到頻域的離散傅里葉快速變換為

式中，ω為頻率，T為周期，t為時間。

2.2 H/V頻譜分析

Tokimatsu和Miyadera(1992)在臺陣觀測的基礎上揭示出地脈動頻譜比H/V頻率的變化與基階瑞利波對于場地VS剖面的變化相對應。場地脈動FFT頻譜HS/VS的峰值A能夠反映場地的固有周期，A為FFT頻譜的EW和NS水平速度分量譜HEW、HNS經過矢量合成與垂直速度分量譜VUD的比值，即

2.3 1/4波長準則

假定場地土層結構為雙層構造，即不存在軟弱夾層?？梢愿鶕?jù)剪切波方程結合牛頓定律和歐拉定律推出

式中，f為表層土的卓越頻率，h為覆蓋層厚度，vS為覆蓋層等效剪切波速，通過鉆孔剖面計算得出。

3 合作市區(qū)地脈動特征

3.1 卓越周期特征

對合作市區(qū)地脈動測試所得的卓越周期進行了統(tǒng)計，由圖1可見，共計36個測點 (其余5個測點受到環(huán)境影響未統(tǒng)計)，其中30個測點的卓越周期主要分布在0.1～0.2 s，且主要分布在市區(qū)，符合合作場地條件特征。另外6個測點卓越周期大一個數(shù)量級，其中3個測點布設在山頂，另外3個測點布設在臨街的水泥場地，由于場地固有周期存在差異，所以會出現(xiàn)地脈動卓越周期異常。據(jù)此分析，地脈動卓越周期主要受局部特性如覆蓋層厚度、場地特性、周邊環(huán)境等影響，場地的固有周期對地脈動卓越周期影響較大，但卓越周期整體分布表現(xiàn)穩(wěn)定，表明合作整體場地條件一致性較好。

圖1 卓越周期統(tǒng)計Fig.1 Predominant periods statistic of different sites

3.2 FFT和H/V頻譜分析結果

對合作市區(qū)選定的每個測點進行了15 min或30 min的地脈動觀測 (具體觀測時間視環(huán)境而定)，圖2為儀器采集的原始波形。由圖可以看出，所采集的波形數(shù)據(jù)平穩(wěn)，表明該段觀測波形平穩(wěn)隨機，沒有受到明顯的環(huán)境影響。

為了獲得較清晰的波形特征，濾除環(huán)境對采集數(shù)據(jù)的影響，對采集的數(shù)據(jù)進行濾波和FFT分析，分析結果如圖3所示，從圖中可以看出，測點的NS、EW和UD方向所反映的場地特性比較一致。

對合作市區(qū)41個測點采集的數(shù)據(jù)全部進行了FFT分析，然后對每個測點數(shù)據(jù)的三方向頻譜進行了H/V頻譜分析，圖4為單個測點的H/V頻譜分析結果，圖5為兩條主干路剖面的H/V頻譜特征，由圖可以看出，市區(qū)內部由場地條件反映的卓越頻率特征比較穩(wěn)定，表明市區(qū)覆蓋層整體分布平緩，個別測點的頻譜偏高或偏低，顯現(xiàn)出小范圍異常，在一定程度上說明地脈動特征除受地形條件影響小，還受局部特性等其它因素影響。

圖2 地脈動原始波形數(shù)據(jù)Fig.2 Microtremor original waves

圖3 地脈動數(shù)據(jù)FFT分析結果Fig.3 Analysis results of microtremor wave in FFT frequency spectrum processing

圖4 單個測點H/V頻譜分析Fig.4 Analysis results of H/V frequency spectrum

圖5 兩條主干路剖面的H/V頻譜分布(a)銅欽街剖面;(b)念欽街剖面Fig.5 H/V spectrum distribution of two main streets profile(a)the profile of Tongqin Street;(b)the profile of Nianqin Street

4 地脈動在覆蓋層探測中的應用

運用上述的分析結果和方法反演了合作市區(qū)的覆蓋層厚度分布，由圖6可以明顯看出主城區(qū)覆蓋層厚度較平緩并且明顯低于兩側山區(qū)，厚度主要分布在10～20 m之間，局部低于10 m。對比表1中鉆孔揭示的市區(qū)覆蓋層厚度，可以看出所反演的覆蓋層厚度結果與實際鉆孔揭示的厚度吻合較好。

圖7分別為念欽街和銅欽街兩條沿主干路反演的覆蓋層厚度的剖面圖，由圖可以看出市區(qū)覆蓋層厚度平緩，集中分布于10～20 m之間，與鉆孔揭示覆蓋層厚度一致。因此在該區(qū)應用地脈動測試方法反演覆蓋層厚度效果較好，此法可以在地震小區(qū)劃中作為覆蓋層探測輔助手段。

表1 合作市區(qū)場地條件Tab.1 Testing site conditions in Hezuo City

圖6 反演合作覆蓋層厚度分布Fig.6 Distribution of overburden thickness in Hezuo City

5 結論

本文通過對合作市區(qū)41處測試點的地脈動數(shù)據(jù)的處理和分析，總結了合作市黃土場地條件的地脈動特征，并結合合作市區(qū)鉆孔資料揭示的場地條件，反演了合作市區(qū)覆蓋層厚度，分析了地形條件對地脈動的放大效應，得到以下3點結論:

圖7 覆蓋層厚度剖面(a)銅欽街剖面;(b)念欽街剖面Fig.7 Profile of overburden thickness of two main streets(a)the profile of Tongqin Street;(b)the profile of Nianqin Street

(1)在合作市黃土場地條件下，市區(qū)場地卓越周期主要分布在0.1～0.2 s。

(2)地脈動法反演的合作市區(qū)覆蓋層厚度主要分布在10～20 m之間，與鉆孔揭示厚度一致，表明該方法適合在地震小區(qū)劃中輔助探測覆蓋層厚度。

(3)不同地形條件下地脈動測試結果的分析表明局部地形對地震動有放大效應，并且由于地脈動還受局部特性、覆蓋層厚度等其它因素影響，地形特征與其反映的地脈動特征放大效應并非完全一致。

胡聿賢.2006.地震工程學［M］．北京:地震出版社.

王蘭民.2003.黃土動力學［M］．北京:地震出版社.

許建聰，簡文彬，尚岳全.2005.地脈動產生機理和傳播特性的研究［J］．浙江大學學報(工學版)，39(1):33 －38.

于凱，車愛蘭，馮少孔，等.2011.長周期地脈動觀測在深部地層調查中的應用［J］．上海交通大學學報，45(5):701－705.

Nakamura Y A.1989.A method for dynamic characters estimation of subsurface using microtremors on the ground surface［J］．Tokyo QR of RTRI，30(1):25 － 33.

Tokimatsu K，Miyadera Y.1992.Characteristics of Rayleigh waves in microtremors and their relation to underground structures［J］．Struct Constr Eng Trans Architectural Inst，439(11):81 ～ 871.