用地脈動(dòng)測(cè)試的方法對(duì)地裂縫場(chǎng)地的評(píng)價(jià)

薛捷 王鄭睿 王蕾

摘 要：本文敘述西安市地裂縫場(chǎng)地的地面脈動(dòng)測(cè)試情況，闡述了地裂縫場(chǎng)地卓越頻率的測(cè)定及其在場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。其次，從脈動(dòng)記錄分析中還將看到，水平分量顯示出場(chǎng)地條件的區(qū)域性特征，垂直分量可反映土層的局部構(gòu)造情況。最后，用地脈動(dòng)反應(yīng)譜分析及不同方向的頻率差值作場(chǎng)地條件評(píng)定的指標(biāo)分別對(duì)西安地區(qū)二級(jí)臺(tái)地的地裂縫場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)定，為西安市的抗震設(shè)防提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地脈動(dòng)；卓越周期；場(chǎng)地評(píng)價(jià)

0 引言

西安地裂縫嚴(yán)重影響著西安城市建設(shè)與人居安全，成為舉世聞名的城市地質(zhì)災(zāi)害。尤其是在上世紀(jì)80年代以前，由于地裂縫特征不明顯以及人們對(duì)地裂縫缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，一些樓房、車間、禮堂、倉(cāng)庫(kù)等建筑物直接建于地裂縫帶之上，從而遭受了嚴(yán)重破壞（樓房地面開裂，垂直位錯(cuò)形成陡坎，一些地下管道被錯(cuò)斷，地基下沉、基礎(chǔ)斷裂、地面傾斜、墻體開裂、門窗變形、結(jié)構(gòu)開裂及破壞等）造成嚴(yán)重?fù)p失。隨著城市人口的不斷增加，對(duì)土地的需求越來(lái)越迫切，建設(shè)場(chǎng)地離地裂縫帶越來(lái)越近，加之地鐵、城市立交等交通設(shè)施的建設(shè)，以及給排水管道和天然氣管道等生命線工程的不斷擴(kuò)容，跨地裂縫帶進(jìn)行工程建設(shè)已不可避免。因此，對(duì)地裂縫的工程防災(zāi)設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視。

1 測(cè)試方法

地脈動(dòng)測(cè)試是利用數(shù)學(xué)方法從脈動(dòng)信號(hào)中提取面波的頻散曲線，然后從面波的頻散曲線推測(cè)地下的橫波速度構(gòu)造的一種測(cè)試方法。該方法根據(jù)所觀測(cè)的脈動(dòng)頻率范圍不同，能夠勘探從數(shù)十米到幾千米深度的地下構(gòu)造。大量的應(yīng)用實(shí)例證明，該方法具有設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且在人口密集的城鎮(zhèn)區(qū)也能實(shí)施，是快速獲取地下橫波速度構(gòu)造的有效方法。該方法不僅使用的面波頻率范圍在 0.1～10 Hz 左右，這和引起震害的地震波的頻率范圍基本相同（0.1～10 Hz 左右），而且比地震觀測(cè)更容易，更適合于地震現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)的空間變異推理。上述特點(diǎn)說(shuō)明，利用地脈動(dòng)方法建立的地下構(gòu)造模型將最可能反映地震時(shí)場(chǎng)地的響應(yīng)，為深入分析地震造成工程場(chǎng)地普遍嚴(yán)重破壞的原因，改進(jìn)和完善原有的場(chǎng)地評(píng)定理論，從而提高工程場(chǎng)地選址的手段，減少未來(lái)地震引起的震害損失提供科技支撐。[1]

2 地脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析應(yīng)用

本次測(cè)試使用的地脈動(dòng)測(cè)試儀器是高靈敏度地震儀器系統(tǒng)（CV-374AV），由日本東京測(cè)振制造，其中包括檢波器和帶有放大器、濾波器、記錄器的地震儀（數(shù)據(jù)采集）等。檢波器的頻率特性為0.1—100Hz。

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)選在平坦的場(chǎng)地，盡量排除風(fēng)力和人為的干擾。在距地裂縫5m、15m、30m處各設(shè)一個(gè)地裂縫觀測(cè)點(diǎn)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)選取的記錄長(zhǎng)度為15min，采樣步長(zhǎng)為 0.01，總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為 90000。從每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中選出 4組相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間帶，每個(gè)時(shí)間帶包含1024個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速傅里葉分析（FFT），得到水平 2 成分（H）與上下 1 成分（V）的傅里葉譜。

3 工程實(shí)例分析及應(yīng)用

該地裂縫場(chǎng)地位于黃土塬前的洪湖積二級(jí)臺(tái)地，地形平坦，自上而下分別為①素填土層；②黃土層；③古土壤層；④粉質(zhì)粘土層和砂土層互層（局部地區(qū)第③④層之間有黃土層出現(xiàn)）?？梢姸?jí)臺(tái)地一般有一層黃土和一層古土壤。該地裂縫場(chǎng)地的工程地質(zhì)剖面圖和地脈動(dòng)各觀測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向垂直（FN）、平行（FP）和豎向（UD）相應(yīng)的頻譜分析圖分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

我們從圖中可以看出各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的頻譜分析結(jié)果與場(chǎng)地條件的動(dòng)力特征和土層的局部構(gòu)造有很好的對(duì)應(yīng)。另外，對(duì)于任何一個(gè)場(chǎng)地而言，由于土層的各向異性地震波傳播方向的不同，其地震動(dòng)效應(yīng)亦不相同。許多地震災(zāi)害調(diào)查證實(shí)，結(jié)構(gòu)物破壞的方位清晰地顯示出地震波入射方位的效應(yīng)。因此在評(píng)價(jià)場(chǎng)地土?xí)r，除其頻譜特性外，同樣應(yīng)該考慮場(chǎng)地土層的各向異性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)地域很難估計(jì)地震波的入射方位。[2]為此，我們簡(jiǎn)單地用地脈動(dòng)在水平兩方向上的差值表示，如以下公式。

我們從表中可以看出雖然場(chǎng)地評(píng)定為好，但是明顯離地裂縫越近，它的差值隨著逐漸增大，原則上是越小越好。也就是說(shuō)該處地裂縫場(chǎng)地危害相對(duì)較小，場(chǎng)地土層各向異性差異不大。

另外我們還可以通過對(duì)地裂縫場(chǎng)地地脈動(dòng)信息反應(yīng)譜分析，因?yàn)楦鶕?jù)反應(yīng)譜可以明了僅從記錄上無(wú)法了解的地脈動(dòng)信號(hào)的種種特性，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。前面所提過的傅里葉譜，只表示地脈動(dòng)的頻率特性，毫不涉及結(jié)構(gòu)的概念。與此相反，反應(yīng)譜表明了地脈動(dòng)對(duì)以單質(zhì)點(diǎn)阻尼系為代表的結(jié)構(gòu)的最大影響。因此與傅里葉譜相比，反應(yīng)譜對(duì)工程應(yīng)用更有意義，可以說(shuō)它反映了包括結(jié)構(gòu)在內(nèi)的地脈動(dòng)的全貌，如圖5顯示。

我們從這幅圖中可以看出該處地裂縫場(chǎng)地對(duì)卓越頻率為2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的結(jié)構(gòu)有很大的影響，應(yīng)該盡量采取措施使周圍建筑物在建設(shè)時(shí)避開這些頻段。而該場(chǎng)地對(duì)卓越頻率為4—6s附近的結(jié)構(gòu)作用不大，可以作為建筑物建設(shè)頻率的參考。

4 結(jié)論

一是根據(jù)地脈動(dòng)測(cè)試說(shuō)明離地裂縫越近，垂直和平行地裂縫方向的頻譜差值隨著逐漸增大，原則上是越小越好。也就是說(shuō)該處地裂縫場(chǎng)地危害相對(duì)較小，場(chǎng)地土層各向異性差異不大。

二是該處地裂縫場(chǎng)地地脈動(dòng)對(duì)卓越頻率為2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的結(jié)構(gòu)有很大的影響，而對(duì)卓越頻率為4—6s附近的結(jié)構(gòu)作用不大。

三是我們用地脈動(dòng)反應(yīng)譜分析及不同方向的頻率差值相結(jié)合的方法作場(chǎng)地條件評(píng)定的指標(biāo)分別對(duì)西安地區(qū)二級(jí)臺(tái)地的地裂縫場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)定，為西安市的抗震設(shè)防提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡仲有，楊仕升，李航.地脈動(dòng)測(cè)試及其在場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].世界地震工程，2011，02：211-218.

[2]首培林，袁雨亭，安紹思.烈度異常區(qū)的地面脈動(dòng)研究[J].地震研究，1983，06.