地脉动测试技术

前言
工程抗震设计是地震区建筑物设计中的重要内容,通常除了测试场地土剪切波速,进行场地土类型划分、场地类别划分、场地地震反应分析外,测试场地脉动卓越周期也是一项重要工作。

场地脉动卓越周期的测试除了防止特殊的地震效应发生,避免拟建建筑物自振周期与场地脉动卓越周期一致或接近,在地震发生时,地基与建筑物产生共振或类共振；还可依据场地脉动卓越周期作为工程抗震中场地土类型划分、场地类别划分的标准,以及估算地震动峰值加速度。

因此, 从地脉动出发研究地基土层构造与地脉动卓越周期的关系以及不同场地类别的卓越周期特征, 以便对地基土层场地准确评价,以及有针对性地选用基础结构与埋深等方面都具有重要的理论及现实意义。

1 地脉动简介
在一般情况下,任何时刻在地球表面的任何地点,都可以用高灵敏度的仪器观测到非地震引起的一种振幅很小的微弱震动噪声,其位移一般只有几微米到几十微米,把这种人体难以察觉到的微小振动称为地脉动。

地脉动是由场地周围自然震源(风、海浪等) 和人工震源(机器振动源、交通工具等) 所产生, 是地面的一种稳定的非重复性随机波动。

通常情况下地脉动具有频率低、振幅小等特点。

从地震观测的角度,按周期长短把地脉动分为两类:一是短周期地脉动;二是长周期地脉动,长短周期地脉动有如下区别:
(1) 常时微动。

为短周期地微动,一般为0. 1～1 s ,波长较短,是地微动信号中反映场地土动态特性的成分,主要是近距离的人类活动、交通运输、机械振动等人工振动源引起的。

在理论上可用横波在土层中的多层反射理论解释。

(2) 脉动。

为中长周期地微动,一般为1 s至几十秒,波长较长,是地微动中反映振源特性的分量,主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、地震等自然现象变化引起的,由较远距离的振源或海洋波浪、大气环流及地球深部构造运动激发,可利用它研究地震、台风、火山及地球内部的其它运动,理论上可用面波传播特征解释。

相对于常时微动而言,是一短期内的振动现象,故称之为“脉动”。

2 常时微动的成因
常时微动主要反映了场地结构的动力学特性,与振源关系不大,可以把它看成是由地下垂直入射的SH波,这种假设可以解释许多实际观测到的现象。

根据波传播理论,SH波从下伏基岩垂直入射覆盖土层中,在水平成层土中的传播可以用一维平面波在层状介质中的传播来模拟。

在小应变范围,土层可以看作线弹性或粘弹性介质。

从下伏基岩入射的波在基岩与覆盖土层的界面处会发生反射和透射,上行透射波在遇到土层内部的分层界面时还会发生反射和透射,自上层界面处反射向下的下行波也会在下界面处发生反射与透射,新的反射波和透射波又会在前进方向上的下一个界面处产生各自的反射波和透射波。

振动经过多次的反射与透射到达地表。

3 测试仪器
图1武汉岩海基桩动测仪图2 中国地震局工程力学研究所891-4
拾振器
4 测试方法与信号处理
4.1 测试方法
常时微动测试根据工程需要、面积大小、地层复杂程度等确定测点数量,在同一土层中应至少布置3 个测点，每个测点按相互垂直的X 、Y 、Z 方向布置3 个拾振器,放置在平整密实的土层上,拾振器与土层之间垫上托板,3个拾振器之间距离尽可能靠近,应小于1m。

测点位置应选择在环境安静的地点,尽可能远离脉动源。

现场测试应在深夜进行。

地脉动测试一定要在同一点上,不同时间观测足够多的次数,以排除主振源因素,则所获得的频谱及参数才能真正反映该点地基的固有特性。

4.2 信号处理
地脉动信号通常采用功率谱函数来分析描述其频率特性。

按频谱图中最大峰值所对应的频率确定为卓越频率,卓越频率的倒数即为卓越周期。

s
s f T 1
式中：s T 为卓越周期（s ）；s f 为卓越频率。

图3 某场地地脉动实测信号与分析示例s f =2.98Hz s T =0.34s
5 场地土特性对地脉动测试信号的影响
5.1 某高层建筑场地地脉动测试
该场地地形平坦, 岩土层结构单一, 自上而下分别为耕土 、砂质粘性土 以及燕山早期中～微风化花岗岩, 覆盖层深度约为16～19m 。

地脉动测试结果：
说明在岩土层结构简单,覆盖层深度变化不大的场地, 地脉动卓越周期变化很小, 在不同位置的测试结果甚至可能相同。

同时可以看出在这种场地下的功率变谱图波形也相对简单, 为单峰型,主峰突出,频带窄,谱面积小,卓越频率的判定也较准确。

5.2 某变电站场地地脉动测试
该场地地面平坦, 地貌上属于岩溶平原区。

场地岩土层主要为新近人工堆积形成的素填土、第四系河流冲洪积形成的可塑状粉质粘土、稍密状中细砂、稍密状粗砂、稍密状粉土和稍密～松散状粉细砂层等,下伏基岩为泥盆系中下统( D2 )灰岩层, 基岩面起伏较大,覆盖层深度约为9～15m。

地脉动测试结果：
说明在岩土层较多、结构较复杂, 覆盖层深度不均匀的场地, 地脉动卓越周期变化范围较大。

同时可以看出在这种场地下的功率变谱图波形也相对复杂, 具有多样化, 为双峰或多峰型, 频带较宽, 能量较分散。

图4 高层建筑场地地脉动测试时、频图 图5 变电站场地地脉动测试时、频图
6 卓越周期的应用
6.1 抗震设计
地震发生时，当工程结构的自振周期与建筑场地的卓越周期相同或相近时,因其共振或类共振效应使之承受过大的荷载而破坏,故应避免产生。

因此,通过地脉动的研究,测定场地得卓越周期,了解场地土的动态变化特征为工程抗震设计提供依据。

6.2 估算地震动峰值加速度
地震动峰值加速度是抗震设计中的一项重要基本参数。

由于我国缺乏丰富的强震记录,通过强震记录推算地震动峰值加速度比较困难,再由于工程造价等原因,一般工程未必为计算地震动峰值加速度而进行场地地震反应分析。

在地基厚度相同时，地基越硬，卓越周期越短，地震动峰值加速度越小，对应的短周期刚性建筑物易损坏;地基越软，卓越周期越长，地震动峰值加速度越大，对应的长周期柔性建筑物易被破坏。

（1985年9月19日墨西哥近海地震在墨西哥市相距不远的A 、B 两地加速度记录的最大值为1. 982
/s m 和0. 392
/s m ,其中A 点的加速度仪布设在市中心附近的重灾区,地基为湖相的淤泥层; B 点的加速度仪布设在墨西哥国立自治大学校院内,地基坚硬。

1995年1月17日阪神地震后,日本研究人员分别在余震区神户药科大学和福池小学内布设了加速度仪,药科大学为硬地基,其加速度值分别为0. 182
/s m ( N —S)、0. 332
/s m ( E —W)、0.132
/s m ( U —D)；相邻的福池小学为软地基,其加速度值分别为2. 12
/s m ( N —S)、1. 352
/s m ( E —W)、0. 722
/s m ( U —D)。

）
据研究,场地脉动卓越周期、地震烈度和地震动峰值加速度之间有一定的关系。

通过场地脉动卓越周期估算地震动峰值加速度是可行的。

日本学者金井清推导出场地脉动卓越周期s T 、地震列度MM I （MM 烈度)和地震动峰值加速度m ax a 的经验关系式
MM I S
T a 18.03
.1max 106.1⨯⨯=-
我国学者彭远黔推导出场地脉动卓越周期s T 、地震列度MM I MM 烈度)和地震动峰值加速度m ax a 的经验关系式
MM
I S
T a 331.0124
.0max 1072.0⨯⨯=
6.3 场地土类型划分
《建筑抗震设计规范》( GB50011 - 2001) 用卓越周期划分场地土类型的标准。

表1
6.4 场地类别划分
《场地微震动测量技术规程》CECE74—1995用卓越周期划分场地土类型的标准：表2
《地震区工程选址手册》用卓越周期划分场地土类型的标准：
表3
华中科技大学南二楼实验基地地脉动测试成果图
卓越频率3.48Hz，卓越周期0.29s 卓越频率3.72Hz，卓越周期0.27s
卓越频率3.72Hz，卓越周期0.27s 测试结果：二类场地，中硬土。