西安典型地裂缝场地地脉动测试及地震响应特征分析

2022-08-30邓亚虹慕焕东

中国地质灾害与防治学报 2022年4期

王晗，邓亚虹，慕焕东，薛捷

（1.陕西铁路工程职业技术学院, 陕西渭南 714000；2.长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054；3.西安理工大学岩土工程研究所, 陕西西安 710048；4.河南水利与环境职业学院, 河南郑州 450000）

0 引言

地裂缝作为一种危害严重的地质灾害，在世界多个国家地区发育[1−2]。在我国其广泛发育于汾渭盆地、华北地区及苏锡常地区[3−8]，其中以发育于汾渭盆地的西安地裂缝最为典型[3−8]。西安地裂缝自1959年在城南小寨西路和西北大学等地发现以来[9−10]，目前已发展为14条[11]，因其发育广泛及致灾严重而倍受关注。西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害，其专指在过量开采承压水产生不均匀地面沉降条件下，临潼—长安断裂带（FN）西北侧（断裂带上盘）的一组北北东走向的隐伏破裂带出现活动在地表形成的裂缝，因而其发育具有构造属性，表现出明显的定向性、成带性和似等间距性[11]。

西安地裂缝是我国地裂缝灾害发育最为典型的代表，许多学者对西安地裂缝成因机理展开研究。张家明等[12]从地貌标志入手，通过分析演绎论证了西安地裂缝与地貌的生成关系，得出地裂缝的活动强度严格受隐伏断层活动强度控制的结论；刘玉海等[13]从地裂与地面沉降研究现状、致灾机理、灾害防治对策和措施等主要方面作了研讨；宋彦辉等[14]根据临潼—长安断裂带内两场地地层勘探剖面，证实了临潼—长安断裂带内地裂缝的存在，研究表明其与发育在临潼—长安断裂带上盘的西安地裂缝具有相同的性质和特征，其产生与构造活动受临潼—长安断裂的控制；彭建兵等[15−16]、邓亚虹等[17]提出了西安地裂缝的成因，即深部构造孕育地裂缝、盆地伸展萌生地裂缝、黄土介质响应地裂缝、断层活动伴生地裂缝、应力作用群发地裂缝、抽水作用加剧地裂缝、表水渗透开启地裂缝的耦合作用。在成因机理研究的基础上，学者们围绕地裂缝的活动特征及其工程致灾特性展开研究。于文才等[18]通过物理模型试验研究了不同活动速率下隐伏地裂缝的破裂扩展模式；李勇[19]基于西安地裂缝监测数据，分析得到了西安地裂缝活动已由地下水开采引发的地面不均匀沉降转变为断裂构造的活动影响，当进入地质活跃期后，地裂缝活动量（尤其是西南郊区）开始反弹，且在垂向相对运动中显示出一定的区域规律性；石玉玲等[20]结合西安地裂缝的分布及活动特点，详细分析了地裂缝活动引起的长安路立交的破坏形式和特点；张茂省等[21]建立了地下水开采、城市建设附加荷载和黄土湿陷引起的地面沉降预测数学模型并分别进行了预测计算。结果表明，引起地面沉降的因素中地下水开采的风险最大，黄土湿陷次之，附加荷载最小，控制地下水位是防止地面沉降与地裂缝的根本措施。

上述学者对西安地裂缝的分布特征、发育特征、活动特征、成因机理及地裂缝工程致灾特征进行了较为系统的研究，研究成果对西安地裂缝灾害减灾防灾具有重要的理论实际意义。然而，就西安地裂缝而言，其自身活动不仅会对建（构）物产生变形破坏，还会对场地地震响应产生影响，尤其是地裂缝在城市的广泛发育使得其场地建（构）筑物的抗震设防水平发生变化，如何最大限度的减少地裂缝的存在对建（构）筑物抗震设防的影响，保证其在地震作用建（构）筑物的使用寿命显得尤为重要。考虑到现有规范规定地裂缝场地上的抗震设防烈度不予提高，仍按《建筑抗震设计规范》执行。因此，要想得出合理的、且能够直接服务于工程抗震设防(避让带、设防带)及防灾减灾的结论，还需进行更为深入的研究。现有学者结合地震模拟振动台试验、数值模拟方法已开展了相关研究。熊仲明等[22]、胡志平等[23]、王启耀等[24]、Liu等[25]、慕焕东等[26]学者对地裂缝场地的动力响应进行了数值分析和振动台模拟，结果表明地裂缝对场地动力效应存在放大作用，并为地裂缝场地工程结构的抗震设防提供了有效依据。以上研究从各角度证实了断层和地裂缝场地具有明显的放大效应。然而，强震发生时地裂缝场地的放大效应实时记录和震害统计数据稀少，而数值模拟无法完全反应真实的场地情况，为了分析地裂缝场地动力特性，在地震活动性较低且很难获取到具有代表性的地震动数据时，可以利用地脉动分析地裂缝场地动力特性。为此，从地震响应层面出发，以地脉动频谱分析法为手段，对西安地裂缝场地进行地震响应研究，试图找出更为合理的定量化避让距离具有重要理论实际意义。

地脉动是一种没有特定振源，且在任何时候都能探测到其存在微小振动，振幅通常只有几个微米。自20世纪50年代开始，地脉动就开始被用于实际工程中，Kiyoshi等[27−28]、Kabayashi[29]、Field等[30]、Finn[31]认为可以将地脉动作为工程场地地震响应性能评价的一种技术手段，提出了用地脉动频谱分析对场地进行评价。随着研究的进一步深入地脉动被广泛应用于不同地层结构地震响应研究[32−33]。

上述学者对地裂缝场地的地震响应已经展开了较为系统的研究工作，但基于现场地脉动测试方法开展地裂缝场地地震响应规律研究较少，而地脉动现场测试得到的结果更能指导工程实践。因此，文中以西安黄土地区F1和F2地裂缝为研究对象，通过野外调查获取西安地裂缝场地特征，在此基础上基于现场地脉动测试，获取地裂缝场地卓越频率这一反映地层动力特性的重要参数，研究西安地裂缝场地地震响应特征及响应规律，研究结果对西安地裂缝场地工程抗震设防具有重要意义。

1 西安地裂缝基本特征

1.1 平面分布特征

自20世纪50年代以来，西安共发现地裂缝14条（自北向南编号依次是F1—F14），均匀分布在临潼—长安断裂带上盘，其间以洼地、黄土梁间隔。地裂缝向东西两侧延伸，东至浐河，西过皂河，覆盖面积250 km2左右，总延伸长度超160 km，地表出露超70 km（图1）。

图1 西安地裂缝平面分布图Fig.1 Distribution map of ground fissures in Xi’an

F1和F2地裂缝位于地裂缝群最北侧。其中，F1地裂缝西起孙家湾，东至广运潭及灞河小区，总体走向NE75°，倾向SE，倾角75°，总长度9.7 km。F2地裂缝西起汉长安城遗址东南角白家口立交油库专用铁路线北侧，东至米家岩，总体走向NE70°—NE85°，倾向SE，倾角80°，总长度约15 km。

1.2 剖面结构特征

西安地裂缝为典型的正断型非发震裂缝，由于地裂缝的活动，上下盘接受沉积剥蚀存在差异性，使地层结构在厚度和深度上产生差异，因此，需要先明确F1和F2地裂缝场地上下盘各地层厚度和垂直错距。通过搜集整理F1和F2地裂缝区域钻孔资料和地质剖面资料，得到F1和F2地裂缝测试区域地层结构由上至下依次为杂填土、黄土层、古土壤层和粉质黏土与砂土互层。该地层结构中发育有一层红褐色古土壤，且具有明显错距，地裂缝走向SE，倾角约为75°。F1和F2地裂缝地层剖面结构如图2所示。

图2 F1和F2地裂缝地层剖面Fig.2 Stratigraphic profiles of F1 and F2 ground fissures

1.3 活动特征

F1地裂缝20世纪80年代末90年代初在辛家庙附近活动强烈，致灾严重，破裂带发育宽度可达15 m。地裂缝主要作垂直活动，并伴随有水平拉张和左旋扭动。F1地裂缝中两个观测点资料表明东西两段的累计活动量有较大差异，如西安重型机械厂一中处的简易观测点累计下沉37.97 mm，北郊前进耐火厂处的简易观测点累计下沉150.15 mm，两者相差达112.18 mm。

依据衡水老白干酒业股份有限公司《酒水质量控制标准》Q/HJ.J 04.005—2009对酿酒试验班组所产原酒进行品评分析，为保证品评效果，请国家评委和省评委组成品评小组，见表1。

F2地裂缝20世纪80—90年代在味精厂、外语学校活动强烈，地表错坎约30 cm。根据以往的统计资料和水准监测资料，F2地裂缝在1960—1980年间地裂缝活动不明显，1980—1985年间地裂缝活动明显加剧。1960—1989年间的年平均活动速率为0.43 mm/a；1990—1996年间达到最大16.9 mm/a，此后逐渐降低；1997—2005年平均活动速率降至10.6 mm/a，呈进一步下降趋势。

2 地裂缝场地地脉动现场测试

2.1 地脉动现场测试基本原理

地脉动是受自然与人为随机振源激发后经不同岩土层界面多次反射和折射后传播到地面的一种稳定的非重复性随机波动，这种周期为1 s以下的波动在传播后会包含场地地基土层的固有特性，并表现出以下统计规律性：

（1）具有各态历经性的近似平稳随机过程，即某观测点上某波形的某段观测曲线的概率特征值可以代表总体平均值：

式中：mx——时间平均值；

xk(t)——随机过程x(t)的抽样函数；

T——记录时间；

Rx(τ,k)——时间t上所求得的自相关函数，下文同。

（3）脉动源可视为白噪声，即波形x(t)由无数多个频率分量不同但强度相等的正弦波叠加成。

（4）时间特性上地脉动信号夜间振幅y明显小于白天振幅x，且不同时间测量地脉动的卓越周期比较稳定：

式中：y——夜间的振幅/µm；

x——白天的振幅/µm。

据此在夜间开阔场并避开特定的振动源地进行地脉动测试。测线垂直于地裂缝，上（HW）、下（FW）盘各布设测点9个，测线全长60 m，且裂缝附近加密测点以提高分析精度（图3）；每个测点x、y、z三向同时记录10 min以上，以保证地脉动过程期望趋近于零。

图3 测线位置示意图Fig.3 Diagram of measuring line location

2.2 地脉动现场测试仪器及要求

地脉动现场测试采用日本东京测振公司生产的伺服型速度网络地震仪（CV-374AV，图4），仪器采样频率0.1～100 Hz，灵敏度1 000 mv·s/cm。该地脉动测试仪具有灵敏度高，通频带宽，便于操作，携带以及数据导出便捷等优点。

图4 CV-374AV伺服型速度网络地震仪Fig.4 Servo-type velocity network seismograph of CV-374AV

依据地脉动现场测试的基本原理，需要在夜间开阔场并避开特定的振动源地进行地脉动测试。为避免过多的干扰因素，测试时避开风雨复杂天气，且多选择晴朗的夜晚凌晨1点至凌晨5点时间段，测试过程中采用透明塑料箱扣盖。在进行测试前，应先检查测试地点周围是否有固定的振源（如运行的机械，行驶的车辆）、地下管道、电缆等，测试过程中如有车辆和行人等经过仪器附近时，应详细记录发生时间，以便后期进行数据剔除，按照上述要求进行测试，获取的地脉动信号是一个平稳的随机过程。

2.3 地脉动现场测试测点布设

综合考虑F1和F2地裂缝场地地形地貌、地层结构和地裂缝走向等因素，选取F1和F2地裂缝东北段进行测线布设，其中F1、F2地裂缝各布设测线一条，测线基本情况如表1所示。

表1 地脉动测试统计表Table 1 Statistical table of micro-tremor test

地脉动测线布设方向与地裂缝走向垂直2条测线布设具体位置如图3所示。

地脉动测线总长60 m，上下盘各30 m。为对比地裂缝上下盘响应情况，两盘测点对称布设，上下盘各布设测点9个，2条测线共计36个测点，且裂缝附近加密测点以提高分析精度；每个测点x、y、z三向同时记录10 min以上，以保证地脉动过程期望趋近于零，测点布设如图5所示。

图5 测点布设详图Fig.5 Detailed drawing of layout of measuring points

2.4 地脉动现场测试数据分析

地脉动现场测试后，在每个测点的平稳波段中至少选取6段步长10 s的地脉动信号作为分析样本，以代表该测点所得场地信号特征。将所截取波段求导至加速度时程曲线，使用Butterworh滤波器进行0.1～15 Hz的带通滤波处理，并进行基线校正，利用快速傅里叶变换（FFT）可以将时域函数X(t)转换到频域的傅里叶积分：

傅里叶谱分析可以获得场地土层固有信息，分析频域曲线的波形中各频率的波占有量，其谱峰特性可以得到场地地层条件、卓越频率、地裂缝对场地地震响应的影响。

3 地裂缝场地地脉动响应特征分析

3.1 数据处理方法

对于采集到的地脉动速度时程数据，截取平稳和均匀的波段进行数据分析，文中截取的数据单元时间长度T根据式（6）[16]确定：

式中：N——数据单元长度内采样点个数；

Δt——采样点时间间隔；

f——数据单元长度内最大周期倒数。

3.2 频谱特征分析

对F1-1测线的测试结果进行傅里叶频谱分析，得到如图6所示频谱特征（图中从上至下分别为F1-1测线上、下盘x，y和z方向，下文相同）。从图6（a）可以看出，测点每一方向傅里叶幅值谱谱型基本一致，均是“单峰”型谱型，主峰突出，频带窄，谱面积较小，主峰附近会出现大量次级峰值。

图6 F1-1测线傅里叶频谱Fig.6 The Fourier spectrum of measuring line F1-1

与此同时，F1-1测线上盘卓越频率集中分布于2.34～3.32 Hz，下盘卓越频率集中分布于2.25～3.61 Hz。x，y和z三个方向上卓越频率存在差异但差异性不大，无明显规律。对F1-1测线上、下盘每一测点每个方向卓越频率及相应峰值进行统计，得到结果如表2、表3所示。

绘制表2和表3中上下盘不同测点频谱峰值与距离的变化曲如图7所示。从图7中可以看出，上、下盘最大峰值分别为0.082 0和0.076 6，上盘最大谱峰值大于下盘；上盘平稳段峰值平均值为0.034 5，下盘为0.042 8，下盘大于上盘；谱峰值随着距离地裂缝距离的增大而逐渐减小，15 m以后谱峰值趋于平稳。

表2 F1-1测线上盘卓越频率及峰值统计表Table 2 Superior frequency and peak statistical table of F1-1 hanging wall

表3 F1-1测线下盘卓越频率及峰值统计表Table 3 Superior frequency and peak statistical table of F1-1 footwall

对F2-1测线的测试结果进行傅里叶频谱分析，得到如图8所示频谱特征。从图8可以看出，测点每一方向傅里叶幅值谱谱型基本一致，均是“单峰”型谱型，主峰突出，频带窄，谱面积较小，表明场地土层均匀且较硬，上下盘近地裂缝测点幅值明显大于远地裂缝测点。

图8 F2-1测线傅里叶频谱Fig.8 The Fourier spectrum of measuring line F2-1

对上、下盘每一测点每个方向卓越频率及相应峰值进行统计，得到结果如表4、表5所示。结合表4、表5可以看出，上、下盘的卓越频率分布在在2.72～3.81 Hz的范围内，x，y和z三个方向上卓越频率存在差异但差异性不大，每一方向上不同测点的卓越频率也存在差异，无明显规律。

绘制表4和表5中上下盘频谱峰值与距离的关系变化曲线图如图7所示。从图7中可以看出，F2-1测线上下盘最大峰值分别为0.082 9和0.079 3，上盘最大谱峰值大于下盘；上盘平稳段峰值平均值为0.044 3，下盘为0.048 4，下盘大于上盘；谱峰值随着距离地裂缝距离的增大而逐渐减小，15m以后谱峰值趋于平稳。

表4 F2-1测线上盘卓越频率及峰值统计表Table 4 Superior frequency and peak statistical table of F2-1 hanging wall

表5 F2-1测线下盘卓越频率及峰值统计表Table 5 Superior frequency and peak statistical table of F2-1 footwall

图7 上下盘频谱峰值曲线Fig.7 Spectrum peak curves of hanging wall and footwall

统计F1-1、F2-1测线测得的地裂缝上下盘平均卓越频率、平稳段峰值、放大因子以及影响范围如表6所示。由表6可知，F1-1、F2-1测线平均卓越频率较接近，上盘F1-1测线上盘与下盘平稳段峰值存在一定的差异。

表6 F1-1和F2-1测线地脉动响应特征Table 6 Response to micro-tremor of F1-1 and F2-1

由图7可知，F1-1、F2-1测线平均卓越频率较接近，这与2条测线所在场地地层结构相似有关，2条测线放大因子均是上盘大于下盘，且上下盘均呈现出谱峰值随着距离地裂缝距离增大而减小的规律，距地裂缝15 m的范围内，谱峰值衰减较快，15 m以后谱峰值趋于平稳，亦即基于地脉动测试方法得到的地裂缝场地地震响应的影响范围约为15 m。