用地脉动测试的方法对地裂缝场地的评价

薛捷 王郑睿 王蕾

摘 要：本文叙述西安市地裂缝场地的地面脉动测试情况，阐述了地裂缝场地卓越频率的测定及其在场地评价中的应用。其次，从脉动记录分析中还将看到，水平分量显示出场地条件的区域性特征，垂直分量可反映土层的局部构造情况。最后，用地脉动反应谱分析及不同方向的频率差值作场地条件评定的指标分别对西安地区二级台地的地裂缝场地进行评定，为西安市的抗震设防提供理论依据。

关键词：地脉动；卓越周期；场地评价

0 引言

西安地裂缝严重影响着西安城市建设与人居安全，成为举世闻名的城市地质灾害。尤其是在上世纪80年代以前，由于地裂缝特征不明显以及人们对地裂缝缺乏足够的认识，一些楼房、车间、礼堂、仓库等建筑物直接建于地裂缝带之上，从而遭受了严重破坏（楼房地面开裂，垂直位错形成陡坎，一些地下管道被错断，地基下沉、基础断裂、地面倾斜、墙体开裂、门窗变形、结构开裂及破坏等）造成严重损失。随着城市人口的不断增加，对土地的需求越来越迫切，建设场地离地裂缝带越来越近，加之地铁、城市立交等交通设施的建设，以及给排水管道和天然气管道等生命线工程的不断扩容，跨地裂缝带进行工程建设已不可避免。因此，对地裂缝的工程防灾设计越来越受到人们的重视。

1 测试方法

地脉动测试是利用数学方法从脉动信号中提取面波的频散曲线，然后从面波的频散曲线推测地下的横波速度构造的一种测试方法。该方法根据所观测的脉动频率范围不同，能够勘探从数十米到几千米深度的地下构造。大量的应用实例证明，该方法具有设备轻便、操作简单、省时省力、经济环保等优点，并且在人口密集的城镇区也能实施，是快速获取地下横波速度构造的有效方法。该方法不仅使用的面波频率范围在 0.1～10 Hz 左右，这和引起震害的地震波的频率范围基本相同（0.1～10 Hz 左右），而且比地震观测更容易，更适合于地震现场响应的空间变异推理。上述特点说明，利用地脉动方法建立的地下构造模型将最可能反映地震时场地的响应，为深入分析地震造成工程场地普遍严重破坏的原因，改进和完善原有的场地评定理论，从而提高工程场地选址的手段，减少未来地震引起的震害损失提供科技支撑。[1]

2 地脉动现场测试与分析应用

本次测试使用的地脉动测试仪器是高灵敏度地震仪器系统（CV-374AV），由日本东京测振制造，其中包括检波器和带有放大器、滤波器、记录器的地震仪（数据采集）等。检波器的频率特性为0.1—100Hz。

为保证数据质量，应选在平坦的场地，尽量排除风力和人为的干扰。在距地裂缝5m、15m、30m处各设一个地裂缝观测点。每个观测点选取的记录长度为15min，采样步长为 0.01，总采样点个数为 90000。从每个观测点的观测数据中选出 4组相对稳定的时间带，每个时间带包含1024个数据，进行快速傅里叶分析（FFT），得到水平 2 成分（H）与上下 1 成分（V）的傅里叶谱。

3 工程实例分析及应用

该地裂缝场地位于黄土塬前的洪湖积二级台地，地形平坦，自上而下分别为①素填土层；②黄土层；③古土壤层；④粉质粘土层和砂土层互层（局部地区第③④层之间有黄土层出现）。可见二级台地一般有一层黄土和一层古土壤。该地裂缝场地的工程地质剖面图和地脉动各观测点三个方向垂直（FN）、平行（FP）和竖向（UD）相应的频谱分析图分别见图1、图2、图3和图4。

我们从图中可以看出各个观测点的频谱分析结果与场地条件的动力特征和土层的局部构造有很好的对应。另外，对于任何一个场地而言，由于土层的各向异性地震波传播方向的不同，其地震动效应亦不相同。许多地震灾害调查证实，结构物破坏的方位清晰地显示出地震波入射方位的效应。因此在评价场地土时，除其频谱特性外，同样应该考虑场地土层的各向异性，因为大多数地域很难估计地震波的入射方位。[2]为此，我们简单地用地脉动在水平两方向上的差值表示，如以下公式。

我们从表中可以看出虽然场地评定为好，但是明显离地裂缝越近，它的差值随着逐渐增大，原则上是越小越好。也就是说该处地裂缝场地危害相对较小，场地土层各向异性差异不大。

另外我们还可以通过对地裂缝场地地脉动信息反应谱分析，因为根据反应谱可以明了仅从记录上无法了解的地脉动信号的种种特性，特别是对结构的影响。前面所提过的傅里叶谱，只表示地脉动的频率特性，毫不涉及结构的概念。与此相反，反应谱表明了地脉动对以单质点阻尼系为代表的结构的最大影响。因此与傅里叶谱相比，反应谱对工程应用更有意义，可以说它反映了包括结构在内的地脉动的全貌，如图5显示。

我们从这幅图中可以看出该处地裂缝场地對卓越频率为2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的结构有很大的影响，应该尽量采取措施使周围建筑物在建设时避开这些频段。而该场地对卓越频率为4—6s附近的结构作用不大，可以作为建筑物建设频率的参考。

4 结论

一是根据地脉动测试说明离地裂缝越近，垂直和平行地裂缝方向的频谱差值随着逐渐增大，原则上是越小越好。也就是说该处地裂缝场地危害相对较小，场地土层各向异性差异不大。

二是该处地裂缝场地地脉动对卓越频率为2-3HZ、3.5-4HZ和6-7HZ左右的结构有很大的影响，而对卓越频率为4—6s附近的结构作用不大。

三是我们用地脉动反应谱分析及不同方向的频率差值相结合的方法作场地条件评定的指标分别对西安地区二级台地的地裂缝场地进行评定，为西安市的抗震设防提供理论依据。

参考文献

[1]胡仲有，杨仕升，李航.地脉动测试及其在场地评价中的应用[J].世界地震工程，2011，02：211-218.

[2]首培林，袁雨亭，安绍思.烈度异常区的地面脉动研究[J].地震研究，1983，06.