崔 敏,劉 駿,高 放,吳怡銳

(1.十堰市地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中心;2.十堰鄖縣地震局;3.十堰市防震減災(zāi)技術(shù)中心，湖北 十堰 442000)

地脈動是場地周期自然和人工震源所產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性的隨機(jī)波動，其不同的頻率會引起巖土體不同響應(yīng)。場地卓越周期是地面運(yùn)動的重要特征量，主要為評價(jià)場地設(shè)計(jì)地震作用與結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算作依據(jù)，它與覆蓋土層厚度、成分、物理力學(xué)特性以及場地背景振動環(huán)境有密切關(guān)系。如場地卓越周期與擬建(構(gòu))筑物自振周期一致或接近，地震時(shí)擬建(構(gòu))筑物與地基土將產(chǎn)生共振作用，從而加劇擬建(構(gòu))筑物的破壞程度。它也是抗震設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，且測試方法方便、經(jīng)濟(jì)可靠，因此在場地動力特性評價(jià)、地震區(qū)劃和速度結(jié)構(gòu)探測等方面得到了廣泛應(yīng)用。我國已有許多學(xué)者對地脈動觀測、分析方法、場地動力特性等做過系統(tǒng)歸納和總結(jié)[3]。

十堰市因其特殊的低山溝谷地貌在工程地震勘測中較多利用地脈動探測方法對工程場地動力特性和頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以得到場地的常時(shí)振幅、卓越頻率和卓越周期值，為工程抗震提供參考依據(jù)。

1 十堰城區(qū)工程場地地震地質(zhì)概況

地塊上位于北大巴山褶皺束以東，襄棗斷陷以西，揚(yáng)子準(zhǔn)地臺以北側(cè)，秦嶺褶皺系之南秦嶺武當(dāng)褶隆內(nèi)，該單元主體由中元古界武當(dāng)群火山巖組、沉積巖組和變質(zhì)巖組構(gòu)成，內(nèi)部發(fā)育一系列NE向斜滑斷裂。新構(gòu)造期以來，近場區(qū)新構(gòu)造活動以繼承性、間歇性隆升為主要特征，表現(xiàn)為河流的多級階地及夷平面，新構(gòu)造活動強(qiáng)度中等。第四紀(jì)以來，在北東-南西向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場下，仍表現(xiàn)為以白河-谷城斷裂為界，南北兩側(cè)各做差異性隆升活動。原始地貌屬剝蝕性低丘地貌，呈三山夾兩溝，兩山夾一溝的地形，工程建設(shè)場地多系開山切坡回填整平而成，上覆第四系填土，厚度3-50米，下伏基巖為中風(fēng)化云母石英片巖。

區(qū)域內(nèi)(31.1°-34.6°N，108.9°-112.6°E)1970年以來現(xiàn)代地震主要以中小地震為主，共記錄M≥2.0級地震1266次，其中2-2.9級地震1095次，3-3.9級地震154次，4-4.9級地震17次。1970年以來區(qū)域內(nèi)M≥3.0級的最大地震為2000年4月29日河南內(nèi)鄉(xiāng)M4.2級地震與1973年11月29日河南淅川M4.7級地震。最近一次震級M≥3.0級的地震為2009年11月20日陜西高陵M3.0級地震。區(qū)域現(xiàn)代地震活動相對較頻繁，但強(qiáng)度較低。工程近場區(qū)有1次破壞性地震記錄，即1887年湖北武當(dāng)山地震，震中烈度Ⅵ。歷史地震的強(qiáng)度還是頻度都呈較低水平，現(xiàn)代地震活動主要為較低頻度的小震、微震，歷史與現(xiàn)代地震對工程場地的最大影響烈度均為Ⅵ度。

2 十堰城區(qū)工程場地脈動測試分析

2.1 儀器觀測與數(shù)據(jù)處理

地脈動是各種波在測點(diǎn)集會形成一種隨時(shí)間作不規(guī)則變化的隨機(jī)振動，由于波的多重發(fā)射與折射，在傳播過程中攜帶著場地巖土層的固有特性信息，通過對測試波形進(jìn)行頻譜分析就可獲得場地特性信息。地脈動具有頻率低、振幅小等特點(diǎn)，其頻譜范圍一般在0.4-20 Hz(較重要的頻譜范圍在1-10 Hz)，本文采用中國地震局工程力學(xué)研究所891型測試系統(tǒng)，周期在0.1-1.0 s，振幅小于3.0 μm的地脈動測試結(jié)果，實(shí)測地面振動卓越周期時(shí)采用891-4型拾震器，放大倍數(shù)8-10萬倍。測試前，對測試系統(tǒng)進(jìn)行儀器標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為性能穩(wěn)定、靈敏度高，表明測試系統(tǒng)性能可靠，精度高，可獲得較好的地脈動信息[1]。

測試時(shí)段選擇在午夜或周圍環(huán)境比較安靜的時(shí)候，人員不在近場走動，避開人為機(jī)械振動干擾，測試點(diǎn)盡量選擇在天然土及波速測試孔附近，不能滿足要求時(shí)，采用挖坑或壘實(shí)的方法將拾震器放置在穩(wěn)定的原狀土層上進(jìn)行觀測，拾震器沿SN、EW、UD三分向布置。每一測點(diǎn)采集記錄時(shí)間為180s，采集三組數(shù)據(jù)便于對比。

數(shù)據(jù)采集和分析采用中國地震局工程力學(xué)研究所G01USB振動測試分析系統(tǒng)，頻譜分析采用自動功率譜分析與實(shí)驗(yàn)場地地脈動參數(shù)自動分析，數(shù)據(jù)結(jié)果采用對比分析結(jié)果。

2.2 場地地脈動頻譜特性分析

根據(jù)十堰特殊的低山地貌，選擇城區(qū)原始山地、半挖半填、回填場地三類工程場地32組脈動原始數(shù)據(jù)，分析傅氏譜與功率譜的印證分析，結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告結(jié)果，對十堰城區(qū)場地類型和劃分進(jìn)行了印證。十堰城區(qū)三類工程場地的脈動頻譜曲線的類型大致對應(yīng)為三類：

(1)原始山地對應(yīng)單峰。單峰譜曲線特點(diǎn)是頻譜曲線的峰值尖銳，頻譜曲線面積小，只有一個明顯波峰(圖a1.a2)。這類曲線大多數(shù)出現(xiàn)于波速隨深度遞增，峰值位置及帶寬一般隨覆蓋層厚度的增加向低頻方向移動。場地多為原始山地或開挖切坡基巖裸露、沒有軟硬夾層的地層結(jié)構(gòu)，覆蓋層厚度0-4.5米。

(2)半挖半填場地對應(yīng)雙峰或多峰。因工程需要半挖半填的場地類型在十堰城區(qū)占重大比例，由于城區(qū)可利用土地面積少，大多工程建設(shè)場地均需要開山切坡就地回填低洼或溝地，從而形成較平整的工程擬建場地。這種場地部分基巖出露，大部分為回填土巖方，土層密實(shí)度、厚度不均勻，包含回填土層覆蓋厚度一般在5-45米。這類場地分析得到的譜曲線表現(xiàn)為兩個或多個波峰(圖b1、b2)，其波形主峰較明顯，峰與峰之間可見明顯間隔，譜面積較大，表明在密度、厚度不均勻地層的位置與波峰值的大小寬窄形態(tài)有密切關(guān)系。

(3)回填場地對應(yīng)多峰。城區(qū)大面積回填，覆蓋層厚度大于50米且剪切波速小于250 m/s的Ⅲ類場地很少見。在芧箭區(qū)某安置小區(qū)的局部地段測試數(shù)據(jù)展現(xiàn)了譜曲線波峰集中在某一頻率區(qū)段，主峰不明顯，形成有多峰值組成的平臺(圖c1、c2)。其特點(diǎn)為波峰峰值向低頻偏移，頻譜曲線面積較雙峰更大，峰值振幅比在0.6-1.0之間。詳細(xì)勘察表明場地處于多溝交匯的地勢低洼地段，下部存在剛度小、厚度較大的第四系土層，后因建設(shè)需要大面積回填，覆蓋厚度大于50米，剪切波值178 m/s，為三類場地。這類場地的上部覆蓋土層振動波中的低頻分量得到了放大，高頻分量被抑制，使得頻譜曲線出現(xiàn)較長周期的高峰，而下伏中風(fēng)化基巖則成為地震波反射界面，并增加了波在傳遞過程的多次反射的機(jī)會，以致出現(xiàn)較多峰值。這種譜曲線使場地卓越周期變得的不明顯[2]。

圖1 工程場地實(shí)測地脈動頻普波形(EW向 )

計(jì)算分析可得出EW、NS、UD三個方向觀測的平均頻率，從而計(jì)算得出的平均周期即為場地卓越周期?？梢钥闯鲎吭街芷诘淖兓c場地土類型、工程地質(zhì)條件的變化相對應(yīng)，反映了場地覆蓋層厚度變化與地基土剛度變化關(guān)系。根據(jù)工程場地脈動周期和剪切波速測試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出場地脈動卓越周期劃分場地類型與剪切波速劃分基本一致(表1、2)，可作為工程抗震中場地類型劃分的參考依據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2場地類型劃分表

3 結(jié)束語

通過對十堰城區(qū)工程場地的地脈動采集分析和統(tǒng)計(jì)研究，為工程場地條件評價(jià)和抗震設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。在工程抗震中可應(yīng)用以下方面：

(1)工程場地測試可獲得卓越周期值，從而規(guī)避抗震設(shè)計(jì)時(shí)場地與建(構(gòu))筑物產(chǎn)生共振或類共振，減輕建(構(gòu))筑物破壞程度。

(2)地脈動計(jì)算所得卓越周期可用于十堰城區(qū)場地土類別評價(jià)，可作為工程抗震中場地土類型劃分參考。由于地脈動測試方便和經(jīng)濟(jì)，可推廣運(yùn)用到構(gòu)造剝蝕性山地地貌類似場地的波速數(shù)值推測和場地土類型判定。

(3)卓越周期的變化與場地土層結(jié)構(gòu)、覆蓋層厚度密切關(guān)聯(lián)，可運(yùn)用于十堰城區(qū)工程場地與地脈動頻譜結(jié)構(gòu)特征關(guān)系的分析。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陶夏新,等.工程場地條件評定中的地脈動研究[J].地震工程與工程振動，2001(4)：18-23.

[2] 許建聰,等.地脈動在泉州市區(qū)地震土層場地評價(jià)中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：47-51.

[3] 彭遠(yuǎn)黔,等.場地脈動卓越周期在工程抗震中的應(yīng)用[J].華北地震科學(xué)，2000(4)：61-68.