用地脈動測試的方法對地裂縫場地的評價

薛捷 王鄭睿 王蕾

摘 要：本文敘述西安市地裂縫場地的地面脈動測試情況，闡述了地裂縫場地卓越頻率的測定及其在場地評價中的應用。其次，從脈動記錄分析中還將看到，水平分量顯示出場地條件的區域性特征，垂直分量可反映土層的局部構造情況。最后，用地脈動反應譜分析及不同方向的頻率差值作場地條件評定的指標分別對西安地區二級臺地的地裂縫場地進行評定，為西安市的抗震設防提供理論依據。

關鍵詞：地脈動；卓越周期；場地評價

0 引言

西安地裂縫嚴重影響著西安城市建設與人居安全，成為舉世聞名的城市地質災害。尤其是在上世紀80年代以前，由于地裂縫特征不明顯以及人們對地裂縫缺乏足夠的認識，一些樓房、車間、禮堂、倉庫等建筑物直接建于地裂縫帶之上，從而遭受了嚴重破壞（樓房地面開裂，垂直位錯形成陡坎，一些地下管道被錯斷，地基下沉、基礎斷裂、地面傾斜、墻體開裂、門窗變形、結構開裂及破壞等）造成嚴重損失。隨著城市人口的不斷增加，對土地的需求越來越迫切，建設場地離地裂縫帶越來越近，加之地鐵、城市立交等交通設施的建設，以及給排水管道和天然氣管道等生命線工程的不斷擴容，跨地裂縫帶進行工程建設已不可避免。因此，對地裂縫的工程防災設計越來越受到人們的重視。

1 測試方法

地脈動測試是利用數學方法從脈動信號中提取面波的頻散曲線，然后從面波的頻散曲線推測地下的橫波速度構造的一種測試方法。該方法根據所觀測的脈動頻率范圍不同，能夠勘探從數十米到幾千米深度的地下構造。大量的應用實例證明，該方法具有設備輕便、操作簡單、省時省力、經濟環保等優點，并且在人口密集的城鎮區也能實施，是快速獲取地下橫波速度構造的有效方法。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），而且比地震觀測更容易，更適合于地震現場響應的空間變異推理。上述特點說明，利用地脈動方法建立的地下構造模型將最可能反映地震時場地的響應，為深入分析地震造成工程場地普遍嚴重破壞的原因，改進和完善原有的場地評定理論，從而提高工程場地選址的手段，減少未來地震引起的震害損失提供科技支撐。[1]

2 地脈動現場測試與分析應用

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

為保證數據質量，應選在平坦的場地，盡量排除風力和人為的干擾。在距地裂縫5m、15m、30m處各設一個地裂縫觀測點。每個觀測點選取的記錄長度為15min，采樣步長為 0.01，總采樣點個數為 90000。從每個觀測點的觀測數據中選出 4組相對穩定的時間帶，每個時間帶包含1024個數據，進行快速傅里葉分析（FFT），得到水平 2 成分（H）與上下 1 成分（V）的傅里葉譜。

3 工程實例分析及應用

該地裂縫場地位于黃土塬前的洪湖積二級臺地，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粉質粘土層和砂土層互層（局部地區第③④層之間有黃土層出現）。可見二級臺地一般有一層黃土和一層古土壤。該地裂縫場地的工程地質剖面圖和地脈動各觀測點三個方向垂直（FN）、平行（FP）和豎向（UD）相應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觀測點的頻譜分析結果與場地條件的動力特征和土層的局部構造有很好的對應。另外，對于任何一個場地而言，由于土層的各向異性地震波傳播方向的不同，其地震動效應亦不相同。許多地震災害調查證實，結構物破壞的方位清晰地顯示出地震波入射方位的效應。因此在評價場地土時，除其頻譜特性外，同樣應該考慮場地土層的各向異性，因為大多數地域很難估計地震波的入射方位。[2]為此，我們簡單地用地脈動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地評定為好，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。也就是說該處地裂縫場地危害相對較小，場地土層各向異性差異不大。

另外我們還可以通過對地裂縫場地地脈動信息反應譜分析，因為根據反應譜可以明了僅從記錄上無法了解的地脈動信號的種種特性，特別是對結構的影響。前面所提過的傅里葉譜，只表示地脈動的頻率特性，毫不涉及結構的概念。與此相反，反應譜表明了地脈動對以單質點阻尼系為代表的結構的最大影響。因此與傅里葉譜相比，反應譜對工程應用更有意義，可以說它反映了包括結構在內的地脈動的全貌，如圖5顯示。

我們從這幅圖中可以看出該處地裂縫場地對卓越頻率為2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的結構有很大的影響，應該盡量采取措施使周圍建筑物在建設時避開這些頻段。而該場地對卓越頻率為4—6s附近的結構作用不大，可以作為建筑物建設頻率的參考。

4 結論

一是根據地脈動測試說明離地裂縫越近，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。也就是說該處地裂縫場地危害相對較小，場地土層各向異性差異不大。

二是該處地裂縫場地地脈動對卓越頻率為2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的結構有很大的影響，而對卓越頻率為4—6s附近的結構作用不大。

三是我們用地脈動反應譜分析及不同方向的頻率差值相結合的方法作場地條件評定的指標分別對西安地區二級臺地的地裂縫場地進行評定，為西安市的抗震設防提供理論依據。

參考文獻

[1]胡仲有，楊仕升，李航.地脈動測試及其在場地評價中的應用[J].世界地震工程，2011，02：211-218.

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