地脉动是地面上一种稳定的非重复性随机波动,由场地周围风、海浪等自然震源和机器振动源、交通工具等人工震源所产生。通常情况下地脉动具有频率低、振幅小等特点。地脉动不同的频幅和历时变化,既能反映场地土层特征,又能反映工程场地的动力特性,因此地脉动是一种对工程场地研究有丰富内涵的地球物理信息。自从Omori于1908年发表了《论地脉动》后,在日本著名学者金井清大力推动下,地脉动已成为工程场地动力性能评价的一种技术手段,引起了国际的关注,掀起了地脉动研究的热潮。我国地脉动的研究始于20世纪60年代,经过几十年的研究,黄蕾等(2009),简文彬等(2002),许建聪等(2003,2004),高广运等(2000)在该领域研究取得了大量的成果,在震害分析、工程建筑结构设计、场地选择、场地类别划分和场地评价等工作中得到了广泛应用。

地脉动法作为一种方便、高效和经济的方法,在场地动力测试中发挥着重要的作用。在编制西昌市防震减灾规划过程中,为了研究分析安宁河河谷和邛海盆地地区场地特性,对该区进行了地脉动测试,共布设地脉动测点45个,其分布如图1所示,取得了大量的测试数据。笔者以实测的地脉动数据和场地土作为研究对象,分析得到测区的地脉动信号的频谱特性和卓越周期特征。

图1 测点布设示意图
Fig.1 Schematic diagram of arrangement of measuring points

安宁河河谷平原区包括安宁河Ⅰ级阶地和河漫滩两个亚区,该区形成于全新世,场地开阔平坦,二元地层结构,上部地层2 m左右,以粉土,粘性土和砂土等为主,结构较松散; 其下为厚达数十米的砂砾卵石层,质地坚硬,场地稳定性好,承载力高,是颇为良好的建筑场地,也是西昌市未来发展的主要规划用地区。由于该区地层结构较简单,并沿着安宁河流向分布,布设一条横切安宁河的测线即可反应出该区场地特性,共布设测点15个。

邛海盆地区的工程场地条件较为复杂,主要由西昌冲洪积台地、邛海洪泛平原区和邛海湖滨平原区3个亚区组成,考虑到其各个亚区工程场地条件不同的影响,分别在各个亚区布置控制测点。西昌冲洪积台地主要分布在邛海盆地北部边缘地带,西昌市老城区位于此,由东西河、官坝河等河流冲洪积而成,为晚更新世及其之前的冲洪积地层(Q^apl_2-3),由卵砾碎石混砂及粘性土等组成,大致呈灰紫色,卵砾成分以紫红色砂岩、泥岩等中硬岩,磨圆较好,以圆形和亚圆形为主,分选性差,大小混杂; 地层结构密实,选择有代表性的场地布设了10个控制测点。邛海洪泛平原区主要分布在冲积台地和湖滨平原之间,该区为西昌市近几年主要的发展用地区,为山洪碎屑堆积,表层形成于晚全新世(Q⁴_3apl),厚度大致在30 m左右; 地层结构较松散,为一套紫红色含粘土砂砾石、粉土、粉砂质粘性土混卵砾碎屑。该地层的岩性和厚度变化较大,稳定性较差; 中下层形成于晚更新世及其之前,由冲洪积碎屑组成,厚度数十米至数百米,结构较密实,在该区共布设10个控制测点。邛海湖滨平原区主要沿邛海北岸呈带状分布,为全新世晚期的湖相沉积(Q⁴_3l)和河湖相堆积(Q⁴_3(1+al)),为一套灰～深灰色粉质粘土、粉土、粉细砂夹淤泥质薄层或透镜体; 土体结构较松散,含水量高,具有高压缩低承载的特点,共布设10个控制测点。

安宁河及邛海周边地区地脉动现场测试采用美国SigLab数据采集仪和中国地震局工程力学研究所研制的941-B动圈式传感器及其配套的放大器,其传感器的灵敏度是0.33 v·s²·m^-1,每个测点使用3个传感器,按南北、东西和上下3个正交方向布置,采样频率51 Hz,采样点≥512个。试验共获得45组地脉动测试数据,由于篇幅有限,只给出每个工程地质单元、每个亚区一个测点的东西向地脉动图,如图2所示。

图2 地脉动信号时程曲线
(a)安宁河阶地;(b)安宁河河漫滩;(c)州第一
医院附近;(d)阳光家园小区;(e)小渔村
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

图3 地脉动信号频谱分析结果(a)安宁河阶地;(b)安宁河河漫滩;(c)州第一医院附近;(d)阳光家园小区;(e)小渔村
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

根据所得到的数据处理结果和已有的研究成果(黄蕾等,2009; 简文彬等,2002; 许建聪等,2004,2003; 高广运等,2000),结合安宁河及邛海周边地区场地条件以及相应的钻孔数据,对安宁河及邛海周边地区各工程地质单元区的地脉动频谱曲线频谱特性进行了分析总结,具体结果如下。

安宁河平原区的地脉动傅立叶谱谱形主要以多峰形态为主。谱曲线特点是有两个以上峰,如图3a、c所示,其峰值大小相当,峰值较明显,一般情况下前两个峰值较明显或主峰突出,谱面积大,能量分散,其余峰值与主峰比值在0.5～1之间。但是安宁河阶地亚区和安宁河高漫滩亚区稍有不同,前者峰值集中出现在2～6 Hz之间,而后者峰值集中出现在3～8 Hz之间,并向高频方向移动。这种谱形的场地特征一般是土层存在不同程度硬夹层,夹层的位置及厚度与谱曲线不同峰值的周期位置及峰值形态的宽窄高低有密切关系。安宁河阶地和高漫滩谱形稍有不同可能是由于安宁河阶地上部有2 m左右以粉土、粘性土和砂土等为主的较松软的地层结构,该地层对低频有明显的放大效果,导致该亚区谱形峰值集中区域向低频方向偏移。由于硬夹层的影响,作抗震设计时对于这类场地一般应该考虑频谱曲线中前两、三个最大峰值所对应的周期及相应高阶振型可能产生的影响。

邛海盆地区由于工程场地较复杂,各个亚区的地脉动谱形各有不同,西昌冲洪积台地亚区与邛海洪泛平原亚区地脉动谱形相似,以双峰形为主,主峰较明显,主峰后是形成有多峰组成的平台,谱面积较大,峰值振幅比在0.5～1之间,不同的是邛海洪泛平原亚区峰值向低频偏移,峰值集中在2～4 Hz(图3c),而西昌冲洪积台地亚区谱曲线峰值集中在2～5 Hz(图3d),这种谱形的场地土层是存在软土层下部存在刚度、厚度都较大的砂砾卵石等硬土层。由于上部软土层放大了低频分量,抑制了地震波中的高频分量,使地面运动的谱值出现较长周期的高峰,而下部硬土层增加了波在传递过程中多次反射,使之出现较多的波峰。邛海湖滨平原亚区主要以单峰形为主,谱曲线有一个明显的主峰,如图3d所示,峰值明显,谱峰尖锐,频道较窄,谱面积较小,能量主要集中在2 Hz附近,其他峰值很小,与主峰振幅比小于0.5(图3e),该亚区主要由细颗粒的粉土、砂质粘性土、砂类土等构成,剪切波速随深度递增,没有或少见硬夹层,其峰值位置及带宽一般随覆盖层厚度的增加向低频方向移动。

根据45组地脉动测试数据的处理结果,对安宁河及邛海周边地区地脉动卓越周期特征进行了分析研究,场地地脉动卓越周期参考场地微振动测量技术规程(CECS74-95),按下述方法确定,当三分量的卓越周期基本相同时,取三者的平均值为该场地卓越周期的建议值; 当三分量的卓越周期不同时,以水平向的卓越周期为建议值; 对于多个谱峰取主峰最高的谱峰为本场地的卓越周期的建议值。由于地脉动卓越周期的变化与场地土层构造密切相关,与场地工程地质条件的变化相对应,所以按不同工程地质条件给出了安宁河及邛海周边地区场地地脉动卓越周期的建议值。

经统计分析安宁河河谷平原区场地地脉动卓越周期T₀的均值为0.28 s,T₀小于0.2 s有1点,占总数的6.7%; T₀为0.2～0.35 s的有13点,占总数的86.6%; T₀大于0.30 s的有1点,占总数的6.7%。邛海盆地区由于各个亚区的地脉动谱形特性差异较大,所以该区的场地卓越周期按照各个亚区给出。冲积台地亚区场地地脉动卓越周期T₀的均值为0.26 s,T₀小于0.20 s有1点,占总数的10%,T₀为0.20～0.30 s的有8点,占总数的80%,T₀大于0.35 s的有1点,占总数的10%; 邛海洪泛平原区场地地脉动卓越周期T₀的均值为0.31 s,卓越周期T₀小于0.25 s有1点,占总数的10%,T₀为0.25～0.40 s的有7点,占总数的70%,T₀大于0.40 s的有2点,占总数的20%; 邛海湖滨平原亚区场地地脉动卓越周期T₀的均值为0.53 s,卓越周期T₀小于0.45 s有1点,占总数的10%,T₀为0.45～0.60的有8点,占总数的80%,T₀大于0.60 s的有1点,占总数的10%。

笔者采用直接谱分析法对安宁河及邛海周边地区地脉动的测试数据进行了处理,结合工程场地条件对处理结果进行了综合分析,归纳总结得到了安宁河及邛海周边地区场地地脉动的频谱特征。经分析安宁河及邛海周边地区场地地脉动卓越周期建议值分别是安宁河谷平原区为0.28 s,冲积台地亚区为0.26 s,邛海洪泛平原区为0.31 s,邛海湖滨平原亚区为0.53 s。该结果可为西昌市防震减灾规划编制提供场地的背景资料和分析依据,也为以后该市工程结构抗震设计、场地选择和场地类别划分等提供基础性资料。