李 平，薄景山，孫有為，張宇東，李孝波，趙金鑫，萬 衛(wèi)

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江哈爾濱150080;2.防災科技學院，河北三河065201)

0 引言

地脈動是地面上一種穩(wěn)定的非重復性隨機波動，由場地周圍風、海浪等自然震源和機器振動源、交通工具等人工震源所產(chǎn)生。通常情況下地脈動具有頻率低、振幅小等特點。地脈動不同的頻幅和歷時變化，既能反映場地土層特征，又能反映工程場地的動力特性，因此地脈動是一種對工程場地研究有豐富內(nèi)涵的地球物理信息。自從Omori于1908年發(fā)表了《論地脈動》后，在日本著名學者金井清大力推動下，地脈動已成為工程場地動力性能評價的一種技術手段，引起了國際的關注，掀起了地脈動研究的熱潮。我國地脈動的研究始于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的研究，黃蕾等(2009)，簡文彬等(2002)，許建聰?shù)?2003，2004)，高廣運等(2000)在該領域研究取得了大量的成果，在震害分析、工程建筑結(jié)構(gòu)設計、場地選擇、場地類別劃分和場地評價等工作中得到了廣泛應用。

1 測區(qū)的場地條件與測點布設

地脈動法作為一種方便、高效和經(jīng)濟的方法，在場地動力測試中發(fā)揮著重要的作用。在編制西昌市防震減災規(guī)劃過程中，為了研究分析安寧河河谷和邛海盆地地區(qū)場地特性，對該區(qū)進行了地脈動測試，共布設地脈動測點45個，其分布如圖1所示，取得了大量的測試數(shù)據(jù)。筆者以實測的地脈動數(shù)據(jù)和場地土作為研究對象，分析得到測區(qū)的地脈動信號的頻譜特性和卓越周期特征。

圖1 測點布設示意圖Fig.1 Schematic diagram of arrangement of measuring points

依據(jù)西昌市防震減災規(guī)劃資料①，項目規(guī)劃區(qū)可以大致劃分為基巖山區(qū)、安寧河河谷平原區(qū)和邛海盆地區(qū)3個較大的工程地質(zhì)單元。依據(jù)工程地質(zhì)單元分區(qū)，測點分別布設在除基巖山區(qū)外其它兩個較大的工程地質(zhì)單元場地內(nèi)，基巖山區(qū)主要分布在西昌市周邊的山區(qū)內(nèi)，很少作為工程建設場地，考慮其工程應用價值，因此沒有在該區(qū)布設測點。測點盡量布設在有鉆孔資料或其附近地區(qū)，以便于測試數(shù)據(jù)后期處理分析。

安寧河河谷平原區(qū)包括安寧河Ⅰ級階地和河漫灘兩個亞區(qū)，該區(qū)形成于全新世，場地開闊平坦，二元地層結(jié)構(gòu)，上部地層2 m左右，以粉土，粘性土和砂土等為主，結(jié)構(gòu)較松散;其下為厚達數(shù)十米的砂礫卵石層，質(zhì)地堅硬，場地穩(wěn)定性好，承載力高，是頗為良好的建筑場地，也是西昌市未來發(fā)展的主要規(guī)劃用地區(qū)。由于該區(qū)地層結(jié)構(gòu)較簡單，并沿著安寧河流向分布，布設一條橫切安寧河的測線即可反應出該區(qū)場地特性，共布設測點15個。

邛海盆地區(qū)的工程場地條件較為復雜，主要由西昌沖洪積臺地、邛海洪泛平原區(qū)和邛海湖濱平原區(qū)3個亞區(qū)組成，考慮到其各個亞區(qū)工程場地條件不同的影響，分別在各個亞區(qū)布置控制測點。西昌沖洪積臺地主要分布在邛海盆地北部邊緣地帶，西昌市老城區(qū)位于此，由東西河、官壩河等河流沖洪積而成，為晚更新世及其之前的沖洪積地層()，由卵礫碎石混砂及粘性土等組成，大致呈灰紫色，卵礫成分以紫紅色砂巖、泥巖等中硬巖，磨圓較好，以圓形和亞圓形為主，分選性差，大小混雜;地層結(jié)構(gòu)密實，選擇有代表性的場地布設了10個控制測點。邛海洪泛平原區(qū)主要分布在沖積臺地和湖濱平原之間，該區(qū)為西昌市近幾年主要的發(fā)展用地區(qū)，為山洪碎屑堆積，表層形成于晚全新世()，厚度大致在30 m左右;地層結(jié)構(gòu)較松散，為一套紫紅色含粘土砂礫石、粉土、粉砂質(zhì)粘性土混卵礫碎屑。該地層的巖性和厚度變化較大，穩(wěn)定性較差;中下層形成于晚更新世及其之前，由沖洪積碎屑組成，厚度數(shù)十米至數(shù)百米，結(jié)構(gòu)較密實，在該區(qū)共布設10個控制測點。邛海湖濱平原區(qū)主要沿邛海北岸呈帶狀分布，為全新世晚期的湖相沉積()和河湖相堆積()，為一套灰～深灰色粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂夾淤泥質(zhì)薄層或透鏡體;土體結(jié)構(gòu)較松散，含水量高，具有高壓縮低承載的特點，共布設10個控制測點。

2 地脈動的測試與數(shù)據(jù)處理

安寧河及邛海周邊地區(qū)地脈動現(xiàn)場測試采用美國SigLab數(shù)據(jù)采集儀和中國地震局工程力學研究所研制的941-B動圈式傳感器及其配套的放大器，其傳感器的靈敏度是0.33 v·s2·m－1，每個測點使用3個傳感器，按南北、東西和上下3個正交方向布置，采樣頻率51 Hz，采樣點≥512個。試驗共獲得45組地脈動測試數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，只給出每個工程地質(zhì)單元、每個亞區(qū)一個測點的東西向地脈動圖，如圖2所示。

圖2 地脈動信號時程曲線(a)安寧河階地;(b)安寧河河漫灘;(c)州第一醫(yī)院附近;(d)陽光家園小區(qū);(e)小漁村Fig.2 Time-history curve of ground micro-tremor signals(a)the terrace of Anning river;(b)the flood plain of Anning river;(c)nearby the first hospital in Liangshan prefecture;(d)Sunshine Homes Residential Area;(e)Xiaoyu Village

目前，地脈動數(shù)據(jù)處理的分析方法有直接譜分析法、相對于參考點的譜比法和單點譜比法，3種方法各有其適用范圍及優(yōu)缺點(陶夏新等，2001;郭明珠，任鳳華，2005)。經(jīng)綜合分析，筆者在采用直接譜分析法來處理數(shù)據(jù)。頻譜分析使用快速傅立葉變換方法進行計算，得到傅立葉譜計算結(jié)果及相應頻譜曲線，并采用平滑窗對頻譜曲線進行平滑處理，由于篇幅有限，只給出每個工程地質(zhì)單元、每個亞區(qū)一個測點的地脈動信號時程曲線所對應的譜曲線圖，如圖3所示。通過分析地脈動傅立葉譜曲線來研究西昌市地脈動特性和場地卓越周期特征，具體數(shù)據(jù)處理計算方法參考大崎順彥(2008)的研究。

圖3 地脈動信號頻譜分析結(jié)果(a)安寧河階地;(b)安寧河河漫灘;(c)州第一醫(yī)院附近;(d)陽光家園小區(qū);(e)小漁村Fig.3 Results of spectral analysis of ground micro-tremor signals(a)the terrace of Anning river;(b)the flood plain of Anning river;(c)nearby the first hospital in Liangshan prefecture;(d)Sunshine Homes Residential Area;(e)Xiaoyu Village

3 地脈動頻譜特性分析

根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和已有的研究成果(黃蕾等，2009;簡文彬等，2002;許建聰?shù)龋?004，2003;高廣運等，2000)，結(jié)合安寧河及邛海周邊地區(qū)場地條件以及相應的鉆孔數(shù)據(jù)，對安寧河及邛海周邊地區(qū)各工程地質(zhì)單元區(qū)的地脈動頻譜曲線頻譜特性進行了分析總結(jié)，具體結(jié)果如下。

安寧河平原區(qū)的地脈動傅立葉譜譜形主要以多峰形態(tài)為主。譜曲線特點是有兩個以上峰，如圖3a、c所示，其峰值大小相當，峰值較明顯，一般情況下前兩個峰值較明顯或主峰突出，譜面積大，能量分散，其余峰值與主峰比值在0.5～1之間。但是安寧河階地亞區(qū)和安寧河高漫灘亞區(qū)稍有不同，前者峰值集中出現(xiàn)在2～6 Hz之間，而后者峰值集中出現(xiàn)在3～8 Hz之間，并向高頻方向移動。這種譜形的場地特征一般是土層存在不同程度硬夾層，夾層的位置及厚度與譜曲線不同峰值的周期位置及峰值形態(tài)的寬窄高低有密切關系。安寧河階地和高漫灘譜形稍有不同可能是由于安寧河階地上部有2 m左右以粉土、粘性土和砂土等為主的較松軟的地層結(jié)構(gòu)，該地層對低頻有明顯的放大效果，導致該亞區(qū)譜形峰值集中區(qū)域向低頻方向偏移。由于硬夾層的影響，作抗震設計時對于這類場地一般應該考慮頻譜曲線中前兩、三個最大峰值所對應的周期及相應高階振型可能產(chǎn)生的影響。

邛海盆地區(qū)由于工程場地較復雜，各個亞區(qū)的地脈動譜形各有不同，西昌沖洪積臺地亞區(qū)與邛海洪泛平原亞區(qū)地脈動譜形相似，以雙峰形為主，主峰較明顯，主峰后是形成有多峰組成的平臺，譜面積較大，峰值振幅比在0.5～1之間，不同的是邛海洪泛平原亞區(qū)峰值向低頻偏移，峰值集中在2～4 Hz(圖3c)，而西昌沖洪積臺地亞區(qū)譜曲線峰值集中在2～5 Hz(圖3d)，這種譜形的場地土層是存在軟土層下部存在剛度、厚度都較大的砂礫卵石等硬土層。由于上部軟土層放大了低頻分量，抑制了地震波中的高頻分量，使地面運動的譜值出現(xiàn)較長周期的高峰，而下部硬土層增加了波在傳遞過程中多次反射，使之出現(xiàn)較多的波峰。邛海湖濱平原亞區(qū)主要以單峰形為主，譜曲線有一個明顯的主峰，如圖3d所示，峰值明顯，譜峰尖銳，頻道較窄，譜面積較小，能量主要集中在2 Hz附近，其他峰值很小，與主峰振幅比小于0.5(圖3e)，該亞區(qū)主要由細顆粒的粉土、砂質(zhì)粘性土、砂類土等構(gòu)成，剪切波速隨深度遞增，沒有或少見硬夾層，其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。

4 場地地脈動卓越周期分析

根據(jù)45組地脈動測試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，對安寧河及邛海周邊地區(qū)地脈動卓越周期特征進行了分析研究，場地地脈動卓越周期參考場地微振動測量技術規(guī)程(CECS74－95)，按下述方法確定，當三分量的卓越周期基本相同時，取三者的平均值為該場地卓越周期的建議值;當三分量的卓越周期不同時，以水平向的卓越周期為建議值;對于多個譜峰取主峰最高的譜峰為本場地的卓越周期的建議值。由于地脈動卓越周期的變化與場地土層構(gòu)造密切相關，與場地工程地質(zhì)條件的變化相對應，所以按不同工程地質(zhì)條件給出了安寧河及邛海周邊地區(qū)場地地脈動卓越周期的建議值。

經(jīng)統(tǒng)計分析安寧河河谷平原區(qū)場地地脈動卓越周期T0的均值為0.28 s，T0小于0.2 s有1點，占總數(shù)的6.7%;T0為0.2～0.35 s的有13點，占總數(shù)的86.6%;T0大于0.30 s的有1點，占總數(shù)的6.7%。邛海盆地區(qū)由于各個亞區(qū)的地脈動譜形特性差異較大，所以該區(qū)的場地卓越周期按照各個亞區(qū)給出。沖積臺地亞區(qū)場地地脈動卓越周期T0的均值為0.26 s，T0小于0.20 s有1點，占總數(shù)的10%，T0為0.20～0.30 s的有8點，占總數(shù)的80%，T0大于0.35 s的有1點，占總數(shù)的10%;邛海洪泛平原區(qū)場地地脈動卓越周期T0的均值為0.31 s，卓越周期T0小于0.25 s有1點，占總數(shù)的10%，T0為0.25～0.40 s的有7點，占總數(shù)的70%，T0大于0.40 s的有2點，占總數(shù)的20%;邛海湖濱平原亞區(qū)場地地脈動卓越周期T0的均值為0.53 s，卓越周期T0小于0.45 s有1點，占總數(shù)的10%，T0為0.45～0.60的有8點，占總數(shù)的80%，T0大于0.60 s的有1點，占總數(shù)的10%。

5 結(jié)論

筆者采用直接譜分析法對安寧河及邛海周邊地區(qū)地脈動的測試數(shù)據(jù)進行了處理，結(jié)合工程場地條件對處理結(jié)果進行了綜合分析，歸納總結(jié)得到了安寧河及邛海周邊地區(qū)場地地脈動的頻譜特征。經(jīng)分析安寧河及邛海周邊地區(qū)場地地脈動卓越周期建議值分別是安寧河谷平原區(qū)為0.28 s，沖積臺地亞區(qū)為0.26 s，邛海洪泛平原區(qū)為0.31 s，邛海湖濱平原亞區(qū)為0.53 s。該結(jié)果可為西昌市防震減災規(guī)劃編制提供場地的背景資料和分析依據(jù)，也為以后該市工程結(jié)構(gòu)抗震設計、場地選擇和場地類別劃分等提供基礎性資料。

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