地脈動測試技術

前言工程抗震設計就是地震區(qū)建筑物設計中得重要內容,通常除了測試場地土剪切波速,進行場地土類型劃分、場地類別劃分、場地地震反應分析外,測試場地脈動卓越周期也就是一項重要工作。場地脈動卓越周期得測試除了防止特殊得地震效應發(fā)生,避免擬建建筑物自振周期與場地脈動卓越周期一致或接近,在地震發(fā)生時,地基與建筑物產(chǎn)生共振或類共振；還可依據(jù)場地脈動卓越周期作為工程抗震中場地土類型劃分、場地類別劃分得標準,以及估算地震動峰值加速度。因此,從地脈動出發(fā)研究地基土層構造與地脈動卓越周期得關系以及不同場地類別得卓越周期特征,以便對地基土層場地準確評價,以及有針對性地選用基礎結構與埋深等方面都具有重要得理論及現(xiàn)實意義。1地脈動簡介在一般情況下,任何時刻在地球表面得任何地點,都可以用高靈敏度得儀器觀測到非地震引起得一種振幅很小得微弱震動噪聲,其位移一般只有幾微米到幾十微米,把這種人體難以察覺到得微小振動稱為地脈動。地脈動就是由場地周圍自然震源(風、海浪等)與人工震源(機器振動源、交通工具等)所產(chǎn)生,就是地面得一種穩(wěn)定得非重復性隨機波動。通常情況下地脈動具有頻率低、振幅小等特點。從地震觀測得角度,按周期長短把地脈動分為兩類:一就是短周期地脈動;二就是長周期地脈動,長短周期地脈動有如下區(qū)別:(1)常時微動。為短周期地微動,一般為0、1～1s,波長較短,就是地微動信號中反映場地土動態(tài)特性得成分,主要就是近距離得人類活動、交通運輸、機械振動等人工振動源引起得。在理論上可用橫波在土層中得多層反射理論解釋。(2)脈動。為中長周期地微動,一般為1s至幾十秒,波長較長,就是地微動中反映振源特性得分量,主要就是由海浪、風雨、氣候、雷電、火山、地震等自然現(xiàn)象變化引起得,由較遠距離得振源或海洋波浪、大氣環(huán)流及地球深部構造運動激發(fā),可利用它研究地震、臺風、火山及地球內部得其它運動,理論上可用面波傳播特征解釋。相對于常時微動而言,就是一短期內得振動現(xiàn)象,故稱之為“脈動”。2常時微動得成因常時微動主要反映了場地結構得動力學特性,與振源關系不大,可以把它瞧成就是由地下垂直入射得SH波,這種假設可以解釋許多實際觀測到得現(xiàn)象。根據(jù)波傳播理論,SH波從下伏基巖垂直入射覆蓋土層中,在水平成層土中得傳播可以用一維平面波在層狀介質中得傳播來模擬。在小應變范圍,土層可以瞧作線彈性或粘彈性介質。從下伏基巖入射得波在基巖與覆蓋土層得界面處會發(fā)生反射與透射,上行透射波在遇到土層內部得分層界面時還會發(fā)生反射與透射,自上層界面處反射向下得下行波也會在下界面處發(fā)生反射與透射,新得反射波與透射波又會在前進方向上得下一個界面處產(chǎn)生各自得反射波與透射波。振動經(jīng)過多次得反射與透射到達地表。3測試儀器圖1武漢巖?；鶚秳訙y儀圖2中國地震局工程力學研究所891-4拾振器4測試方法與信號處理4、1測試方法常時微動測試根據(jù)工程需要、面積大小、地層復雜程度等確定測點數(shù)量,在同一土層中應至少布置3個測點，每個測點按相互垂直得X、Y、Z方向布置3個拾振器,放置在平整密實得土層上,拾振器與土層之間墊上托板,3個拾振器之間距離盡可能靠近,應小于1m。測點位置應選擇在環(huán)境安靜得地點,盡可能遠離脈動源?，F(xiàn)場測試應在深夜進行。地脈動測試一定要在同一點上,不同時間觀測足夠多得次數(shù),以排除主振源因素,則所獲得得頻譜及參數(shù)才能真正反映該點地基得固有特性。4、2信號處理地脈動信號通常采用功率譜函數(shù)來分析描述其頻率特性。按頻譜圖中最大峰值所對應得頻率確定為卓越頻率,卓越頻率得倒數(shù)即為卓越周期。式中：為卓越周期（s）；為卓越頻率。圖3某場地地脈動實測信號與分析示例=2、98Hz=0、34s5場地土特性對地脈動測試信號得影響5、1某高層建筑場地地脈動測試該場地地形平坦,巖土層結構單一,自上而下分別為耕土、砂質粘性土以及燕山早期中～微風化花崗巖,覆蓋層深度約為16～19m。地脈動測試結果：說明在巖土層結構簡單,覆蓋層深度變化不大得場地,地脈動卓越周期變化很小,在不同位置得測試結果甚至可能相同。同時可以瞧出在這種場地下得功率變譜圖波形也相對簡單,為單峰型,主峰突出,頻帶窄,譜面積小,卓越頻率得判定也較準確。5、2某變電站場地地脈動測試該場地地面平坦,地貌上屬于巖溶平原區(qū)。場地巖土層主要為新近人工堆積形成得素填土、第四系河流沖洪積形成得可塑狀粉質粘土、稍密狀中細砂、稍密狀粗砂、稍密狀粉土與稍密～松散狀粉細砂層等,下伏基巖為泥盆系中下統(tǒng)(D2)灰?guī)r層,基巖面起伏較大,覆蓋層深度約為9～15m。地脈動測試結果：說明在巖土層較多、結構較復雜,覆蓋層深度不均勻得場地,地脈動卓越周期變化范圍較大。同時可以瞧出在這種場地下得功率變譜圖波形也相對復雜,具有多樣化,為雙峰或多峰型,頻帶較寬,能量較分散。圖4高層建筑場地地脈動測試時、頻圖圖5變電站場地地脈動測試時、頻圖6卓越周期得應用6、1抗震設計地震發(fā)生時，當工程結構得自振周期與建筑場地得卓越周期相同或相近時,因其共振或類共振效應使之承受過大得荷載而破壞,故應避免產(chǎn)生。因此,通過地脈動得研究,測定場地得卓越周期,了解場地土得動態(tài)變化特征為工程抗震設計提供依據(jù)。6、2估算地震動峰值加速度地震動峰值加速度就是抗震設計中得一項重要基本參數(shù)。由于我國缺乏豐富得強震記錄,通過強震記錄推算地震動峰值加速度比較困難,再由于工程造價等原因,一般工程未必為計算地震動峰值加速度而進行場地地震反應分析。在地基厚度相同時，地基越硬，卓越周期越短，地震動峰值加速度越小，對應得短周期剛性建筑物易損壞;地基越軟，卓越周期越長，地震動峰值加速度越大，對應得長周期柔性建筑物易被破壞。（1985年9月19日墨西哥近海地震在墨西哥市相距不遠得A、B兩地加速度記錄得最大值為1、98與0、39,其中A點得加速度儀布設在市中心附近得重災區(qū),地基為湖相得淤泥層;B點得加速度儀布設在墨西哥國立自治大學校院內,地基堅硬。1995年1月17日阪神地震后,日本研究人員分別在余震區(qū)神戶藥科大學與福池小學內布設了加速度儀,藥科大學為硬地基,其加速度值分別為0、18(N—S)、0、33(E—W)、0、13(U—D)；相鄰得福池小學為軟地基,其加速度值分別為2、1(N—S)、1、35(E—W)、0、72(U—D)。）據(jù)研究,場地脈動卓越周期、地震烈度與地震動峰值加速度之間有一定得關系。通過場地脈動卓越周期估算地震動峰值加速度就是可行得。日本學者金井清推導出場地脈動卓越周期、地震列度（MM烈度)與地震動峰值加速度得經(jīng)驗關系式我國學者彭遠黔推導出場地脈動卓越周期、地震列度MM烈度)與地震動峰值加速度得經(jīng)驗關系式6、3場地土類型劃分《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)用卓越周期劃分場地土類型得標準。表1卓越周期T/s場地土類型T<0、17堅硬場地土0、17≤T<0、30中硬場地土0、30≤T<0、53中軟場地土T≥0、53軟弱場地土6、4場地類別劃分《場地微震動測量技術規(guī)程》CECE74—1995用卓越周期劃分場地土類型得標準：表2場地類別場地土狀卓越周期T/sⅠ堅硬場地土0、1～0、2Ⅱ硬而厚得場地土0、2～0、4Ⅲ軟而較厚得場地土0、4～0、6Ⅳ異常松場地土0、6～0、8《地震區(qū)工程選址手冊》用卓越周期劃分場地土類