崔思穎，鄧亞虹,2，曹 歌，于雙瑞，慕煥東，李艷杰

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素(地殼活動(dòng)、水的作用等)或人為因素(抽水、灌溉、開挖等)作用下產(chǎn)生開裂，形成具有一定長(zhǎng)度、寬度和深度的一種宏觀地表破壞現(xiàn)象[1]。其主要發(fā)育在第四紀(jì)地層中，具有明顯的方向性、延展性，可對(duì)沿線的人類工程造成漸進(jìn)性破壞，特別是城市范圍內(nèi)的地裂縫地質(zhì)災(zāi)害，引起建(構(gòu))筑物破壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。如貫穿西安全城的14 條地裂縫造成的經(jīng)濟(jì)損失超過了40 億元[2]；北京的高麗營(yíng)地裂縫，由西王路村向北東延伸到北六環(huán)以外，變形帶最大寬度高達(dá)300 m[3]，對(duì)沿線建筑物和公路破壞十分嚴(yán)重。因此，開展重要經(jīng)濟(jì)區(qū)帶內(nèi)地裂縫的研究具有重要的工程意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

20 世紀(jì)20 年代初，美國(guó)得克薩斯州Goose Creek油田發(fā)現(xiàn)第一條地裂縫，而后在亞利桑那州、加利福尼亞州、內(nèi)華達(dá)州、新墨西哥州等地區(qū)又出現(xiàn)多條發(fā)育程度不同的地裂縫[4-5]，直接或間接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活以及工程建設(shè)，造成無法估量的破壞和損失，嚴(yán)重威脅到地區(qū)的安全穩(wěn)定，由此，美國(guó)學(xué)者開始開展地裂縫災(zāi)害相關(guān)研究工作。我國(guó)對(duì)地裂縫的研究較晚，1966 年河北邢臺(tái)地震后產(chǎn)生的地裂縫災(zāi)害引起國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注。隨著社會(huì)的發(fā)展以及工程活動(dòng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水被大量開采，我國(guó)多個(gè)地區(qū)出現(xiàn)地裂縫，其中又以汾渭盆地、河北平原和蘇錫常平原最為典型。研究最早且較為系統(tǒng)的是陜西汾渭地塹區(qū)地裂縫。而河北平原的地裂縫災(zāi)害也非常嚴(yán)重。1963 年河北邯鄲市發(fā)現(xiàn)第一條地裂縫，邢臺(tái)、唐山地震后地裂縫迅速增加，同時(shí)受斷裂、古河道等多個(gè)因素影響，導(dǎo)致河北平原地裂縫廣泛發(fā)育。李昌存[6]、吳忱[7]、邢忠信[8]、王景明[9]等從不同角度分析了河北平原地裂縫成因機(jī)理，提出了斷裂傾滑成因說、古河道成因說、差異沉降成因說、綜合成因說等。

目前在地裂縫發(fā)育特征、成因機(jī)理以及分布等方面已取得大量研究成果，但有關(guān)地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力特性研究成果較少且不系統(tǒng)。慕煥東[10-11]、熊仲明[12]、劉妮娜[13]等通過數(shù)值分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地裂縫場(chǎng)地不僅具有放大效應(yīng)，還表現(xiàn)出上下盤效應(yīng)，故應(yīng)在實(shí)際工程建設(shè)中設(shè)置相應(yīng)的避讓距離，但在DBJ 61-6-2006《西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》中，只是結(jié)合地裂縫上下盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)引起的地表變形影響范圍與建筑物的結(jié)構(gòu)形式給出避讓距離，并未考慮地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)影響，因此，為更準(zhǔn)確地分析地裂縫場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，可采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的手段進(jìn)行研究。

地脈動(dòng)作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、便捷的場(chǎng)地動(dòng)力特性測(cè)試方法，其中包含了大量場(chǎng)地土層的構(gòu)造信息，可以作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一種手段。近年來，多名學(xué)者利用地脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試探究汾渭盆地構(gòu)造型地裂縫場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律[14-16]，為該地區(qū)地裂縫場(chǎng)地的工程建設(shè)提供參考，同時(shí)也為研究地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)特征提供了新的方法。

通過查閱相關(guān)資料，根據(jù)主導(dǎo)因素，河北平原地裂縫可分為構(gòu)造型地裂縫(構(gòu)造地裂縫、地震地裂縫)和非構(gòu)造型地裂縫(古河道地裂縫、采空塌陷地裂縫、巖溶塌陷地裂縫等)兩個(gè)大類。筆者選取河北平原構(gòu)造、地震、古河道3 種不同成因的典型地裂縫，在區(qū)域地質(zhì)、鉆孔、探槽等資料的基礎(chǔ)上，對(duì)其發(fā)育分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合地脈動(dòng)測(cè)試分析河北平原典型地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)特征及其放大效應(yīng)，以期為河北平原地區(qū)地裂縫場(chǎng)地的城市工程建設(shè)及防震減災(zāi)提供理論參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

河北平原位于燕山斷塊、太行斷塊、華北斷陷盆地的交匯位置。長(zhǎng)期以來，受到東側(cè)太平洋板塊、菲律賓板塊對(duì)歐亞板塊產(chǎn)生的NEE 和SE 俯沖作用，地殼表層形成NW-SE 向拉張應(yīng)力，加之其處于太平洋板塊對(duì)歐亞板塊俯沖作用區(qū)，深部熔融物質(zhì)上涌進(jìn)入地殼產(chǎn)生SWW 向擠壓，最終使得河北平原主壓應(yīng)力為NEE-SWW 向，拉應(yīng)力為NNW-SSE 向[17]。在這種復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，河北平原地殼發(fā)生明顯的破裂和肢解，并形成一系列的凹陷和隆起以及NE 和NW 向2 組斷裂組成的構(gòu)造體系，整體表現(xiàn)出“南北分塊，東西分帶”特征[18-19]。在活動(dòng)斷裂的附近或交匯區(qū)，深部斷裂在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下持續(xù)活動(dòng)，逐步向上擴(kuò)展至淺表部土層，并透出地表形成地裂縫，其發(fā)育強(qiáng)度與相應(yīng)斷裂活動(dòng)特征基本對(duì)應(yīng)。同時(shí)，河北平原地處我國(guó)華北平原地震活動(dòng)帶，歷史上先后發(fā)生過多次強(qiáng)震，直接導(dǎo)致地殼破裂，從而也會(huì)在地表形成裂縫。

除斷裂外，河北平原古河道分布廣泛，歷史上水系發(fā)育眾多，該區(qū)域內(nèi)古河道受地質(zhì)及地貌等因素影響，經(jīng)抬升沉降、改道變遷，最終形成河北平原特有的地質(zhì)構(gòu)造格局[7]，如圖1 所示。古河道底部的砂層由于富含豐富的地下水，在地震或抽水等作用下發(fā)生塌陷或差異沉降，進(jìn)而導(dǎo)致上部土層發(fā)生緩慢蠕動(dòng)拉裂，在地表水的作用下逐漸向下形成裂縫。

圖1 河北平原地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure map of the Hebei Plain

2 典型地裂縫特征

河北平原是我國(guó)地裂縫最為發(fā)育的區(qū)域之一，其地裂縫數(shù)量多、規(guī)模大、涉及范圍廣。截至2017 年，河北平原地裂縫數(shù)量達(dá)到871 條，延伸長(zhǎng)度幾米到幾千米不等，張開量一般寬2～50 cm，最寬達(dá)1 m，涉及北京、隆堯、邯鄲、大名、唐山、河間、柏鄉(xiāng)、饒陽等多個(gè)市縣?？臻g分布上具有區(qū)域性、成帶性、方向性、系統(tǒng)性等特征，近幾年地裂縫仍在活動(dòng)且活動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，部分地裂縫所經(jīng)之處導(dǎo)致房屋開裂、地面塌陷、道路錯(cuò)斷，嚴(yán)重制約著區(qū)域工程活動(dòng)的開展。本文選取了河北平原高麗營(yíng)地裂縫(構(gòu)造成因)、隆堯地裂縫(構(gòu)造成因)、大名地裂縫(古河道成因)、唐山地裂縫(地震成因)4 條不同成因且具典型代表性的地裂縫進(jìn)行研究分析。

2.1 高麗營(yíng)地裂縫

高麗營(yíng)地裂縫(F1地裂縫)位于北京市順義區(qū)高麗營(yíng)鎮(zhèn)，主要受黃莊-高麗營(yíng)斷裂影響，平面走向大致呈NE55°，延伸約10 km(圖2)，裂縫寬度幾毫米十幾毫米不等，最大達(dá)200 mm，地表建(構(gòu))筑物破壞嚴(yán)重。地脈動(dòng)測(cè)線S1布設(shè)于F1地裂縫的西王路地裂縫監(jiān)測(cè)站附近，其附近地層以粉質(zhì)黏土為主，夾有少量粉土，土層均勻，斷裂直達(dá)地表，斷距可達(dá)1.5 m 左右，總體呈東南低、西北高，與黃莊-高麗營(yíng)斷裂東南盤下降、西北盤相對(duì)上升相一致[3,20]。在主斷裂南側(cè)發(fā)育有次級(jí)裂縫，未貫穿至地表。

圖2 F1 地裂縫及測(cè)線S1 布設(shè)位置Fig.2 Location of earth fissure F1 and survey line S1

2.2 隆堯地裂縫

隆堯地裂縫(F2地裂縫)是河北平原較大的地裂縫之一，它位于寧晉-衡水?dāng)嗤?、邢衡隆起、臨清斷陷交接處，附近分布有多條NNW 及近NW 向斷裂，該地裂縫是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的隆堯斷裂活動(dòng)所引起，是深部斷裂錯(cuò)動(dòng)向上切穿了淺表土層之后透出地面，屬典型構(gòu)造地裂縫。F2地裂縫在地表出露長(zhǎng)度大于30 km，線性出露特征良好，不受沿線地貌河流等影響，整體沿NWW、NEE 向延伸(圖3)，與隆堯斷裂產(chǎn)狀基本一致[21]。地脈動(dòng)測(cè)線S2布設(shè)于F2地裂縫周張莊村內(nèi)，附近場(chǎng)地地層整體為粉土、黏土、砂土互層，土層比較均勻，地表垂直錯(cuò)距隨深度增加而增加。

圖3 F2 地裂縫及測(cè)線S2 布設(shè)位置Fig.3 Location of earth fissure F2 and survey line S2

2.3 大名地裂縫

古河道地裂縫為一種非構(gòu)造地裂縫，地表出露延伸一般較短，有的沿河道內(nèi)發(fā)育，有的沿河道旁側(cè)發(fā)育，有的與下部河道走向平行或者近平行在地表發(fā)育。剖面整體自上而下近豎直展布，局部呈Y 字形，且延伸深度較淺，地裂縫兩側(cè)地層無位移。大名地裂縫(F3地裂縫)是典型的古河道地裂縫，附近發(fā)育有黃河、漳河古河道帶，位于現(xiàn)今漳河西側(cè)，走向約30°(圖4)，地層主要由粉土與粉質(zhì)黏土構(gòu)成，底部為巨厚層細(xì)砂[22-23]。古河道地裂縫主要分布在上部，而底部幾乎沒有裂縫存在，且地裂縫位于地層的突變位置，推測(cè)可能是由于河道地層發(fā)生差異性沉降，導(dǎo)致上覆土體產(chǎn)生開裂，在如降水、灌溉等外界因素下加劇貫通形成。F3地裂縫布設(shè)2 條地脈動(dòng)測(cè)線S3、S4，分別位于大名縣沐浴莊村西南角和沐浴莊村主干道(圖4)。

圖4 F3 地裂縫及測(cè)線S3 和S4 布設(shè)位置Fig.4 Location of earth fissure F3 and survey lines S3 and S4

2.4 唐山地裂縫

地震型地裂縫是在強(qiáng)震作用下，震中區(qū)出現(xiàn)的以水平位移為主的裂縫，它是由強(qiáng)烈震動(dòng)和斷裂錯(cuò)位應(yīng)力引起，與發(fā)震斷裂走向吻合但不連通的地裂縫。最為典型的地震型地裂縫為唐山地裂縫(F4地裂縫)，是1976 年唐山7.8 級(jí)大地震時(shí)在極震區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的眾多地裂縫，主裂縫由一系列長(zhǎng)度不一的次級(jí)地裂縫呈多字形、斜列式和鋸齒狀排列而成，由唐山豐南區(qū)安機(jī)寨沿NE 向經(jīng)南郊禮尚莊，進(jìn)入市區(qū)穿過吉祥路、原十中舊址、勝利路到市二十九中，如圖5 所示。該地裂縫在水平面發(fā)生右旋，最大水平錯(cuò)距達(dá)1.5 m，地脈動(dòng)測(cè)線S5布設(shè)于唐山市區(qū)韓后街，附近地層以砂土與黏土互層為主，落差0.8 m[24]。目前這些地裂縫均處于隱伏狀，已不能觀察到，但有個(gè)別調(diào)查點(diǎn)仍可以看到排樹隨斷層右旋所產(chǎn)生的位移。

圖5 F4 地裂縫及測(cè)線S5 布設(shè)位置Fig.5 Location of earth fissure F4 and survey line S5

3 地脈動(dòng)測(cè)試

3.1 地脈動(dòng)基本原理

地脈動(dòng)是由自然和人類等活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過不同傳播介質(zhì)和不同場(chǎng)地環(huán)境后綜合作用于地球表面的復(fù)雜隨機(jī)振動(dòng)。地脈動(dòng)的激發(fā)和波的成分等具有隨機(jī)性，但在一定條件下，它可近似地當(dāng)成一種平穩(wěn)隨機(jī)過程。由于波的多次反射和折射，地脈動(dòng)在傳播過程中積累了反映場(chǎng)地土層固有特性的信息，使地脈動(dòng)信號(hào)具有某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，因此，工程中可利用地脈動(dòng)來推斷土層構(gòu)造。

3.2 地脈動(dòng)測(cè)試儀器及方法

地脈動(dòng)的測(cè)試儀器選擇高靈敏度伺服型速度網(wǎng)絡(luò)地震儀(CV-374AV)，如圖6 所示。該儀器可記錄3 個(gè)方向(2 個(gè)水平方向：X和Y，1 個(gè)垂直方向：Z) 的地脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖6 地脈動(dòng)監(jiān)測(cè)地震儀Fig.6 Seismograph for microtremor testing

野外地脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖7 所示，測(cè)線沿地裂縫垂直方向，上下盤各9 個(gè)測(cè)點(diǎn)(A 表示上盤，B 表示下盤)，對(duì)稱布設(shè)，測(cè)線總長(zhǎng)度為60 m。測(cè)點(diǎn)與地裂縫的垂直距離依次為1.5、3、6、9、12、15、20、25、30 m，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況限制，一定距離后不滿足測(cè)試條件，某些測(cè)線并未布設(shè)測(cè)點(diǎn)9，每個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)10 min 以上。

圖7 地脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.7 Layout of microtremor measuring points

3.3 譜分析方法

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先在每一測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中至少選取6 段步長(zhǎng)10 s 的平穩(wěn)波段作為分析樣本，以代表該測(cè)點(diǎn)所得場(chǎng)地信號(hào)特征。由于野外實(shí)測(cè)直接記錄的是速度時(shí)程，先將所截取波段對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到加速度時(shí)程曲線，然后使用SeismoSignal 軟件進(jìn)行濾波和基線校正，并進(jìn)一步得到傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。各測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線特征趨勢(shì)相似，故本文選取X方向譜作為研究對(duì)象。

4 典型地裂縫場(chǎng)地譜分析

4.1 高麗營(yíng)地裂縫(F1)

圖8 為測(cè)線S1上下盤測(cè)點(diǎn)在X方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。從圖中可以看出，傅里葉譜峰值突出且以單峰為主，譜面積較小，表明場(chǎng)地土層相對(duì)較均勻，與西王路村探槽剖面圖情況一致；傅里葉譜卓越頻率為：上盤2.44～3.71 Hz，下盤2.44～3.90 Hz，均值為3.01 Hz。反應(yīng)譜譜型與傅里葉譜具有相似特征，主峰突出且較為集中，頻帶窄，卓越周期集中在0～0.5 s內(nèi)，由此表明，場(chǎng)地卓越頻率和卓越周期與測(cè)點(diǎn)到地裂縫的距離無明顯關(guān)系。Arias 烈度表征場(chǎng)地在某一特定時(shí)間段內(nèi)整體動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)度，通過Arias 烈度曲線可以看出，場(chǎng)地能量累積隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，近地裂縫測(cè)點(diǎn)的烈度強(qiáng)，遠(yuǎn)離地裂縫測(cè)點(diǎn)烈度曲線交織或重合，表明遠(yuǎn)離地裂縫區(qū)域，場(chǎng)地烈度變化較小。

圖8 測(cè)線S1 上下盤頻譜特征曲線Fig.8 Spectrum characteristic curves of S1

測(cè)線S1傅里葉幅值、反應(yīng)譜幅值及Arias 烈度幅值衰減曲線如圖9 所示，從圖中可以看出，無論是傅里葉幅值、反應(yīng)加速度還是Arias 烈度均在地裂縫附近最大，隨著與地裂縫距離的增大，呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，直到一定距離后不受地裂縫影響，趨于平穩(wěn)。這表明地裂縫對(duì)場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)具有明顯的放大作用，且這種放大作用距地裂縫越近越顯著；同時(shí)，3 種譜分析方法得出的上盤幅值均明顯大于下盤。

圖9 測(cè)線S1 幅值衰減曲線Fig.9 Decay curves in peak amplitudes of S1

4.2 隆堯地裂縫(F2)

圖10 為測(cè)線S2上下盤測(cè)點(diǎn)在X方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜峰值較為突出，但存在豐富的次峰值，主頻帶較寬，反映場(chǎng)地地層相對(duì)較軟弱，這與周張莊村地層互層特性相吻合。傅里葉譜各測(cè)點(diǎn)卓越頻率為：上盤4.00～5.37 Hz，下盤4.00～5.66 Hz，均值為4.67 Hz，反應(yīng)譜卓越周期集中在0～0.5 s 內(nèi)，表明地裂縫的存在對(duì)場(chǎng)地固有的卓越頻率和卓越周期的影響不大，與測(cè)線S1所得結(jié)論一致。測(cè)線S2的Arias 烈度在地裂縫附近能量積累較大，測(cè)點(diǎn)A6、B6(距地裂縫20 m)后能量積累變化不大，受地裂縫影響微弱。

圖10 測(cè)線S2 上下盤頻譜特征曲線Fig.10 Spectrum characteristic curves of S2

通過圖11 測(cè)線S2幅值衰減曲線可以看出，3 種譜型具有與測(cè)線S1相同的變化規(guī)律，上下盤地脈動(dòng)幅值均隨與地裂縫距離的增大而減小，但上盤的衰減速度較下盤緩慢。

圖11 測(cè)線S2 幅值衰減曲線Fig.11 Decay curves in peak amplitudes of S2

4.3 大名地裂縫(F3)

圖12 為測(cè)線S3上下盤測(cè)點(diǎn)在X方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜譜頻較窄，卓越頻率為：上盤2.83～3.71 Hz，下盤2.92～3.61 Hz，均值為3.23 Hz。圖13 為測(cè)線S4上下盤測(cè)點(diǎn)在X方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜各測(cè)點(diǎn)卓越頻率為：上盤2.63～3.71 Hz，下盤2.64～3.81 Hz，均值為3.15 Hz；2 條測(cè)線的反應(yīng)譜卓越周期集中在0～0.5 s 內(nèi)，烈度幅值隨時(shí)間呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，A1、B1能量積累最多。

圖12 測(cè)線S3 上下盤頻譜特征曲線Fig.12 Spectrum characteristic curves of S3

圖13 測(cè)線S4 上下盤頻譜特征曲線Fig.13 Spectrum characteristic curves of S4

測(cè)線S3和測(cè)線S4均布設(shè)于地裂縫F3上，由于周圍建筑物、地下水等地質(zhì)條件的不同，其卓越頻率、卓越周期以及各頻譜特征曲線極值并不相同，但S3和S4幅值衰減曲線(圖14、圖15)具有相同的規(guī)律，即在靠近地裂縫時(shí)，3 種峰值達(dá)到最大，且上盤的峰值大于下盤。

圖14 測(cè)線S3 幅值衰減曲線Fig.14 Decay curves in peak amplitudes of S3

圖15 測(cè)線S4 幅值衰減曲線Fig.15 Decay curves in peak amplitudes of S4

4.4 唐山地裂縫(F4)

測(cè)線S5處地層砂土與黏土互層，且夾層發(fā)育，結(jié)構(gòu)較雜亂，波速變化無一定規(guī)律。圖16 為測(cè)線S5在X方向的傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜主峰集中且發(fā)育多峰，譜面積較大，與剖面特征相對(duì)應(yīng)。傅里葉譜卓越頻率為：上盤2.63～3.61 Hz，下盤2.24～3.80 Hz，場(chǎng)地均值為3.13 Hz；反應(yīng)譜曲線主峰集中，表現(xiàn)出雙峰特征，且卓越周期集中在0～0.5 s 內(nèi)。各測(cè)點(diǎn)烈度曲線均隨時(shí)間上升，且測(cè)點(diǎn)垂向峰值大于水平向。

圖16 測(cè)線S5 上下盤頻譜特征曲線Fig.16 Spectrum characteristic curves of S5

測(cè)線S5幅值衰減曲線(圖17)遵循相同規(guī)律，3 種譜型均在地裂縫附近具有放大效應(yīng)，后在20 m 左右趨于平緩，且相同距離測(cè)點(diǎn)上盤峰值始終大于下盤。

圖17 測(cè)線S5 幅值衰減曲線Fig.17 Decay curves in peak amplitudes of S5

5 場(chǎng)地放大效應(yīng)分析

通過上述各測(cè)線頻譜曲線和幅值衰減曲線分析發(fā)現(xiàn)，地裂縫對(duì)場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)具有放大作用，且在靠近地裂縫處傅里葉幅值、反應(yīng)加速度和Arias 烈度最大，在距離地裂縫20～30 m 處幅值趨于穩(wěn)定，表明這種放大效應(yīng)有一定的影響范圍。由于振幅、加速度和強(qiáng)度的值隨場(chǎng)地條件而變化，為了進(jìn)一步討論地裂縫對(duì)場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)放大效應(yīng)以及影響范圍，引入“放大因子”來進(jìn)行探究。將距離地裂縫20～30 m 處幅值均值作為該場(chǎng)地的平穩(wěn)幅值，并定義放大因子為其余各測(cè)點(diǎn)幅值與該平穩(wěn)幅值的比值。

通過5 條測(cè)線的上下盤放大因子與地裂縫水平距離關(guān)系衰減曲線(圖18)可以看出，放大因子在靠近地裂縫時(shí)最大，遠(yuǎn)離地裂縫后，傅里葉譜、反應(yīng)譜和Arias 烈度的放大因子在20 m 之后趨于平穩(wěn)，曲線基本重合，說明地裂縫場(chǎng)地放大效應(yīng)影響范圍約為20 m。圖18a 和圖18c 可以看出，構(gòu)造型地裂縫的放大因子大于非構(gòu)造型地裂縫(古河道地裂縫)的放大因子。同時(shí)，在構(gòu)造型地裂縫中，構(gòu)造地裂縫的放大因子又大于地震地裂縫的放大因子。

將圖18 的5 條測(cè)線的放大因子進(jìn)行綜合擬合，如圖19 所示。從圖可以看出，靠近地裂縫的地方，上下盤的放大因子極值均達(dá)到2 以上，且上盤大于下盤。根據(jù)圖19 擬合曲線可得到地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)放大效應(yīng)的具體影響范圍，見表1。從表1 可以得出，地裂縫對(duì)場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍，上盤平均為23.3 m，下盤平均略小于20 m，上盤大于下盤。同時(shí)，當(dāng)上盤和下盤分別在距地裂縫7.2 m 和6.0 m 范圍內(nèi)，放大系數(shù)達(dá)到1.5 倍以上。上下盤放大效應(yīng)不同，可能是由于地裂縫兩側(cè)傾斜地層的不對(duì)稱分布所引起的幾何效應(yīng)，即：與地裂縫在地表跡線的距離相等的兩點(diǎn)，上盤觀測(cè)點(diǎn)到地裂縫的距離小于下盤，所以上盤受震動(dòng)影響程度大于下盤，且相對(duì)下盤，上盤約束小，活動(dòng)性更強(qiáng)。因此，在地裂縫場(chǎng)地，若按照一般場(chǎng)地進(jìn)行考慮，則建筑物的抗震設(shè)防水平明顯不夠，建筑物面臨較大的地震破壞風(fēng)險(xiǎn)，需提高抗震設(shè)防水平或進(jìn)行合理的避讓。

圖19 放大因子與地裂縫水平距離關(guān)系擬合曲線Fig.19 Fitting curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

表1 不同放大倍數(shù)下地裂縫場(chǎng)地影響距離Table 1 Influence distance of earth fissure site under different magnification

為研究地裂縫類型對(duì)場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)放大效應(yīng)的影響，將圖18 所示的3 類不同成因地裂縫場(chǎng)地放大因子求均值擬合，如圖20 所示。其中，Site1 為2 條構(gòu)造地裂縫放大因子擬合曲線，Site2 為2 條古河道地裂縫放大因子擬合曲線，Site3 為地震地裂縫放大因子擬合曲線。從圖中可以看出，上盤放大倍數(shù)在2.2～2.7，下盤放大倍數(shù)在1.7～2.4，且無論是上盤還是下盤，放大效應(yīng)均表現(xiàn)為構(gòu)造地裂縫最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小。根據(jù)放大因子擬合曲線可得到地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍，見表2。從表2 可知，3 類場(chǎng)地放大效應(yīng)的影響范圍也不相同。構(gòu)造地裂縫場(chǎng)地約24 m，古河道地裂縫場(chǎng)地約20 m，地震地裂縫場(chǎng)地約22 m；當(dāng)場(chǎng)地放大效應(yīng)達(dá)到1.5 倍時(shí)，以上3 類場(chǎng)地的影響范圍分別為9、5、8 m。同樣表現(xiàn)為構(gòu)造地裂縫最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小的特征。其原因可能是：構(gòu)造地裂縫F1和F2為斷層蠕滑型地裂縫[3,25]，目前依舊處于活動(dòng)期，導(dǎo)致地裂縫活動(dòng)性加強(qiáng)；地震地裂縫F4是發(fā)震斷層黏滑型地裂縫[22]，且自1976 年以來該地區(qū)不斷有小震發(fā)生，地裂縫活動(dòng)相對(duì)較弱；古河道地裂縫F3為非構(gòu)造型地裂縫，主要受降水、地下水等因素影響，活動(dòng)性弱，因此，出現(xiàn)構(gòu)造型地裂縫影響范圍大于非構(gòu)造型地裂縫的現(xiàn)象。

圖20 3 類地裂縫場(chǎng)地放大因子擬合曲線及其影響范圍Fig.20 Fitting curves and influence distance of three different types of ground fissure sites

表2 不同放大倍數(shù)下地裂縫場(chǎng)地影響距離Table 2 Influence distance of earth fissure site under different magnification

圖18 放大因子與地裂縫水平距離關(guān)系衰減曲線Fig.18 Decay curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

6 結(jié) 論

a.地裂縫對(duì)場(chǎng)地卓越頻率和卓越周期影響較小，主要由場(chǎng)地土層性質(zhì)和土層結(jié)構(gòu)決定。

b.地裂縫對(duì)場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)具有放大效應(yīng)，距離地裂縫越近，放大效應(yīng)越明顯，并隨著距地裂縫距離的增大而衰減，最后趨于平穩(wěn)。地裂縫附近整體表現(xiàn)為構(gòu)造地裂縫的放大因子最大，地震地裂縫的放大因子次之，古河道地裂縫的放大因子最小。

c.綜合考慮，河北平原典型地裂縫場(chǎng)地動(dòng)力放大效應(yīng)的影響范圍上盤約24 m，下盤約20 m。放大系數(shù)達(dá)1.5 倍的影響范圍上盤為7.2 m，下盤6.0 m。不同成因地裂縫場(chǎng)地的放大效應(yīng)影響范圍也不同，構(gòu)造地裂縫場(chǎng)地的放大效應(yīng)影響范圍最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小。

d.因地裂縫場(chǎng)地具有放大效應(yīng)，處于地裂縫影響范圍內(nèi)的建筑物，若按照一般場(chǎng)地進(jìn)行考慮，則建筑物的抗震設(shè)防水平不夠，建筑物面臨較大的地震破壞風(fēng)險(xiǎn)，故需提高抗震設(shè)防水平或進(jìn)行合理的避讓。