地脉动在十堰城区工程场地评价中的应用

崔 敏,刘 骏,高 放,吴怡锐

(1.十堰市地震监测预报中心;2.十堰郧县地震局;3.十堰市防震减灾技术中心，湖北 十堰 442000)

地脉动是场地周期自然和人工震源所产生的一种稳定的非重复性的随机波动，其不同的频率会引起岩土体不同响应。场地卓越周期是地面运动的重要特征量，主要为评价场地设计地震作用与结构抗震验算作依据，它与覆盖土层厚度、成分、物理力学特性以及场地背景振动环境有密切关系。如场地卓越周期与拟建(构)筑物自振周期一致或接近，地震时拟建(构)筑物与地基土将产生共振作用，从而加剧拟建(构)筑物的破坏程度。它也是抗震设计中的重要参数，且测试方法方便、经济可靠，因此在场地动力特性评价、地震区划和速度结构探测等方面得到了广泛应用。我国已有许多学者对地脉动观测、分析方法、场地动力特性等做过系统归纳和总结[3]。

十堰市因其特殊的低山沟谷地貌在工程地震勘测中较多利用地脉动探测方法对工程场地动力特性和频谱结构进行研究，以得到场地的常时振幅、卓越频率和卓越周期值，为工程抗震提供参考依据。

1 十堰城区工程场地地震地质概况

地块上位于北大巴山褶皱束以东，襄枣断陷以西，扬子准地台以北侧，秦岭褶皱系之南秦岭武当褶隆内，该单元主体由中元古界武当群火山岩组、沉积岩组和变质岩组构成，内部发育一系列NE向斜滑断裂。新构造期以来，近场区新构造活动以继承性、间歇性隆升为主要特征，表现为河流的多级阶地及夷平面，新构造活动强度中等。第四纪以来，在北东-南西向挤压构造应力场下，仍表现为以白河-谷城断裂为界，南北两侧各做差异性隆升活动。原始地貌属剥蚀性低丘地貌，呈三山夹两沟，两山夹一沟的地形，工程建设场地多系开山切坡回填整平而成，上覆第四系填土，厚度3-50米，下伏基岩为中风化云母石英片岩。

区域内(31.1°-34.6°N，108.9°-112.6°E)1970年以来现代地震主要以中小地震为主，共记录M≥2.0级地震1266次，其中2-2.9级地震1095次，3-3.9级地震154次，4-4.9级地震17次。1970年以来区域内M≥3.0级的最大地震为2000年4月29日河南内乡M4.2级地震与1973年11月29日河南淅川M4.7级地震。最近一次震级M≥3.0级的地震为2009年11月20日陕西高陵M3.0级地震。区域现代地震活动相对较频繁，但强度较低。工程近场区有1次破坏性地震记录，即1887年湖北武当山地震，震中烈度Ⅵ。历史地震的强度还是频度都呈较低水平，现代地震活动主要为较低频度的小震、微震，历史与现代地震对工程场地的最大影响烈度均为Ⅵ度。

2 十堰城区工程场地脉动测试分析

2.1 仪器观测与数据处理

地脉动是各种波在测点集会形成一种随时间作不规则变化的随机振动，由于波的多重发射与折射，在传播过程中携带着场地岩土层的固有特性信息，通过对测试波形进行频谱分析就可获得场地特性信息。地脉动具有频率低、振幅小等特点，其频谱范围一般在0.4-20 Hz(较重要的频谱范围在1-10 Hz)，本文采用中国地震局工程力学研究所891型测试系统，周期在0.1-1.0 s，振幅小于3.0 μm的地脉动测试结果，实测地面振动卓越周期时采用891-4型拾震器，放大倍数8-10万倍。测试前，对测试系统进行仪器标定，标定结果为性能稳定、灵敏度高，表明测试系统性能可靠，精度高，可获得较好的地脉动信息[1]。

测试时段选择在午夜或周围环境比较安静的时候，人员不在近场走动，避开人为机械振动干扰，测试点尽量选择在天然土及波速测试孔附近，不能满足要求时，采用挖坑或垒实的方法将拾震器放置在稳定的原状土层上进行观测，拾震器沿SN、EW、UD三分向布置。每一测点采集记录时间为180s，采集三组数据便于对比。

数据采集和分析采用中国地震局工程力学研究所G01USB振动测试分析系统，频谱分析采用自动功率谱分析与实验场地地脉动参数自动分析，数据结果采用对比分析结果。

2.2 场地地脉动频谱特性分析

根据十堰特殊的低山地貌，选择城区原始山地、半挖半填、回填场地三类工程场地32组脉动原始数据，分析傅氏谱与功率谱的印证分析，结合岩土工程勘察报告结果，对十堰城区场地类型和划分进行了印证。十堰城区三类工程场地的脉动频谱曲线的类型大致对应为三类：

(1)原始山地对应单峰。单峰谱曲线特点是频谱曲线的峰值尖锐，频谱曲线面积小，只有一个明显波峰(图a1.a2)。这类曲线大多数出现于波速随深度递增，峰值位置及带宽一般随覆盖层厚度的增加向低频方向移动。场地多为原始山地或开挖切坡基岩裸露、没有软硬夹层的地层结构，覆盖层厚度0-4.5米。

(2)半挖半填场地对应双峰或多峰。因工程需要半挖半填的场地类型在十堰城区占重大比例，由于城区可利用土地面积少，大多工程建设场地均需要开山切坡就地回填低洼或沟地，从而形成较平整的工程拟建场地。这种场地部分基岩出露，大部分为回填土岩方，土层密实度、厚度不均匀，包含回填土层覆盖厚度一般在5-45米。这类场地分析得到的谱曲线表现为两个或多个波峰(图b1、b2)，其波形主峰较明显，峰与峰之间可见明显间隔，谱面积较大，表明在密度、厚度不均匀地层的位置与波峰值的大小宽窄形态有密切关系。

(3)回填场地对应多峰。城区大面积回填，覆盖层厚度大于50米且剪切波速小于250 m/s的Ⅲ类场地很少见。在芧箭区某安置小区的局部地段测试数据展现了谱曲线波峰集中在某一频率区段，主峰不明显，形成有多峰值组成的平台(图c1、c2)。其特点为波峰峰值向低频偏移，频谱曲线面积较双峰更大，峰值振幅比在0.6-1.0之间。详细勘察表明场地处于多沟交汇的地势低洼地段，下部存在刚度小、厚度较大的第四系土层，后因建设需要大面积回填，覆盖厚度大于50米，剪切波值178 m/s，为三类场地。这类场地的上部覆盖土层振动波中的低频分量得到了放大，高频分量被抑制，使得频谱曲线出现较长周期的高峰，而下伏中风化基岩则成为地震波反射界面，并增加了波在传递过程的多次反射的机会，以致出现较多峰值。这种谱曲线使场地卓越周期变得的不明显[2]。

图1 工程场地实测地脉动频普波形(EW向 )

计算分析可得出EW、NS、UD三个方向观测的平均频率，从而计算得出的平均周期即为场地卓越周期。可以看出卓越周期的变化与场地土类型、工程地质条件的变化相对应，反映了场地覆盖层厚度变化与地基土刚度变化关系。根据工程场地脉动周期和剪切波速测试结果，统计得出场地脉动卓越周期划分场地类型与剪切波速划分基本一致(表1、2)，可作为工程抗震中场地类型划分的参考依据。

表1 数据分析统计结果

表2场地类型划分表

3 结束语

通过对十堰城区工程场地的地脉动采集分析和统计研究，为工程场地条件评价和抗震设计提供了基础依据。在工程抗震中可应用以下方面：

(1)工程场地测试可获得卓越周期值，从而规避抗震设计时场地与建(构)筑物产生共振或类共振，减轻建(构)筑物破坏程度。

(2)地脉动计算所得卓越周期可用于十堰城区场地土类别评价，可作为工程抗震中场地土类型划分参考。由于地脉动测试方便和经济，可推广运用到构造剥蚀性山地地貌类似场地的波速数值推测和场地土类型判定。

(3)卓越周期的变化与场地土层结构、覆盖层厚度密切关联，可运用于十堰城区工程场地与地脉动频谱结构特征关系的分析。

[参考文献]

[1] 陶夏新,等.工程场地条件评定中的地脉动研究[J].地震工程与工程振动，2001(4)：18-23.

[2] 许建聪,等.地脉动在泉州市区地震土层场地评价中的应用[J].长安大学学报，2003(1)：47-51.

[3] 彭远黔,等.场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用[J].华北地震科学，2000(4)：61-68.