地脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)及在建筑工程中的應(yīng)用

張星磊 （合肥供水集團(tuán)，安徽 合肥 230001）

地脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)及在建筑工程中的應(yīng)用

張星磊 （合肥供水集團(tuán)，安徽 合肥 230001）

地脈動(dòng)觀測(cè)在建筑工程中對(duì)場(chǎng)地類別劃分、選擇和動(dòng)力特性評(píng)價(jià)等方面具有重要意義。文章主要探討了地脈動(dòng)測(cè)試測(cè)試技術(shù)、儀器設(shè)備及資料分析處理，結(jié)合工程實(shí)例闡述了地脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法、卓越周期的確定方法等；最后分析了不同場(chǎng)地條件對(duì)地脈動(dòng)頻譜特性的影響。

地脈動(dòng)；頻譜分析；卓越周期；場(chǎng)地評(píng)價(jià)

地脈動(dòng)是由場(chǎng)地周圍自然振源（風(fēng)、海浪等）和人工震源（建筑施工、交通運(yùn)輸?shù)龋┧a(chǎn)生，地脈動(dòng)信號(hào)是由一系列來自四面八方的各種類型微振源產(chǎn)生的，并經(jīng)疊加組合而成的，是一種穩(wěn)定的非重復(fù)性的隨機(jī)振動(dòng)，具有頻率低、振幅小等特點(diǎn)。

由于地脈動(dòng)振動(dòng)的性質(zhì)、能量及位置是隨機(jī)的,且在傳播過程中振動(dòng)波經(jīng)過多重反射和折射，脈動(dòng)積累了反映場(chǎng)地固有特性的信息，使地脈動(dòng)具有不同的振動(dòng)特性，會(huì)引起巖土體的不同響應(yīng)，對(duì)建筑工程會(huì)造成不同的影響，這說明了地脈動(dòng)觀測(cè)技術(shù)的重要性。

由于地脈動(dòng)觀測(cè)頻率在1～20Hz范圍內(nèi)，要求觀測(cè)系統(tǒng)低頻響應(yīng)好，信噪比高。本次測(cè)試所采用的儀器設(shè)備如下。

1.1.1 主機(jī)

重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZQ48/24/12型高分辨地震儀，該儀器采用24位A／D轉(zhuǎn)換器，采樣率為10μs～400ms若干檔可選，頻響范圍：0.1Hz～4kHz，采樣點(diǎn)數(shù)：512～16384等，最大記錄長(zhǎng)達(dá)32768，全頻狀態(tài)下噪音小于1μV。

1.1.2 傳感器

重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的脈動(dòng)系列三分量檢波器，能滿足多波多分量地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的需要，同時(shí)具有高靈敏度、低失真、合理的阻尼系數(shù)、線性響應(yīng)好、防水性好、具有較高的分辨率等特點(diǎn)，能提供良好的地表耦合。該系列檢波器的通用自然頻率1Hz～3.5Hz，廣泛用于深部地震勘探、天然地震預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)以及橋梁、公路等脈動(dòng)微震測(cè)量。靈敏度為2V/cm·s-1± 0%，阻尼系數(shù)0.7±10%。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)按照工程需要、面積大小、地層復(fù)雜程度等確定測(cè)點(diǎn)數(shù)量，根據(jù)《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范》（GB／T50269-1997）中的有關(guān)規(guī)定，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?？字械孛}動(dòng)測(cè)試要求拾振器隔水性良好，并要求拾振器和孔壁緊密接觸。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。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)在深夜進(jìn)行。

圖1 實(shí)測(cè)部分原始記錄

實(shí)測(cè)的信號(hào)是原始資料，需經(jīng)加工處理，才能取得脈動(dòng)的振幅和周期信息。資料處理的過程就是將實(shí)測(cè)的原始資料進(jìn)行去粗取精、去偽存真的加工改造，提取更多的有用信息，找出其規(guī)律性，以解決實(shí)際工作中的問題。日本學(xué)者金井清提出的研究脈動(dòng)周期的一種數(shù)據(jù)處理方法，叫周期頻度法，由于這是近似方法，通常用以求取卓越周期、平均周期及最大振幅值。測(cè)試原始數(shù)據(jù)采集到的信號(hào)為時(shí)間域信號(hào)，由于該記錄成分復(fù)雜，直接分析處理難度大，須將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào)，轉(zhuǎn)換采用傅立葉變換。

式中：x（t）、（xω）分別為時(shí)間域信號(hào)和頻率域信號(hào)。經(jīng)過頻譜分析后得到的頻譜圖中最大峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為自振頻率，當(dāng)頻譜圖中出現(xiàn)多峰時(shí)，還需要進(jìn)行相關(guān)分析，以便進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在自相關(guān)函數(shù)曲線中，相鄰峰值間的時(shí)間差就是自振周期，自振周期的倒數(shù)就是自振頻率。

圖2 處理結(jié)果曲線圖

表1

某工程項(xiàng)目擬建場(chǎng)地位于合肥市濱湖新區(qū)，總占地面積約8.2萬m2，巖土工程勘察任務(wù)之一就是要對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行場(chǎng)地土類型和類別的評(píng)判，并確定場(chǎng)地的卓越周期和振動(dòng)幅值。本次測(cè)試隨機(jī)選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試時(shí)將三分量檢波器按垂直向、東西向南北向放置于平整場(chǎng)地地表土上。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選擇在外界環(huán)境干擾小的深夜進(jìn)行，儀器參數(shù)設(shè)置：采樣通道為3，采樣間隔4ms或8ms，采樣點(diǎn)16348，增益選擇64。為便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算，減小測(cè)量誤差，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，信號(hào)采集質(zhì)量滿足要求，部分原始記錄曲線見圖1，通道1～通道3分別為垂直、東西、南北方向記錄曲線。圖2為處理結(jié)果曲線圖。

每測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)信號(hào)在經(jīng)過上述頻譜分析方法分析處理后，結(jié)果見表1。

綜上，本場(chǎng)地卓越周期平均值可取為0.212s。

通過地脈動(dòng)測(cè)試在工程場(chǎng)地勘察中的分析與應(yīng)用，得到以下結(jié)論和建議。

①地脈動(dòng)測(cè)試具有成本低、操作方便等特點(diǎn)，可為建筑工程提供場(chǎng)地卓越周期、振幅等動(dòng)力特性參數(shù)，工程意義重大。

②地脈動(dòng)受測(cè)試條件及場(chǎng)地情況等多方面因素影響，在采用地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果之前應(yīng)確保所采集信號(hào)的可靠性。在巖土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有軟弱夾層的場(chǎng)地，地脈動(dòng)的頻譜曲線一般表現(xiàn)為“單峰”型，主峰突出，頻帶窄，譜面積小，卓越頻率易于確定。當(dāng)場(chǎng)地巖土層條件較復(fù)雜或存在軟硬夾層時(shí)，地脈動(dòng)頻譜曲線一般表現(xiàn)為“雙峰”或“多峰”型，頻帶較寬，能量較分散。當(dāng)頻譜圖中出現(xiàn)多峰時(shí)，在進(jìn)行頻譜分析基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)分析，以便綜合評(píng)價(jià)。

[1]GB／T50269-1997，地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范[S].

[2]胡鈞，杜堅(jiān).上海場(chǎng)地土的脈動(dòng)特性及剪切波特征[J].物探與化探，1997(4).

TU195

B

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.098