2024, Vol. 44
2. 南昌市应急管理局，南昌市会展路199号，330038
利用地脉动测试来确定场地特征参数在工程地震领域日益得到重视[1]。Nakamura[2-3]率先提出用同一地表测点地脉动水平向分量与竖向分量的傅里叶振幅谱比值来评估场地特征，该方法被称为H/V谱比法。通过地脉动H/V谱比法得到的频谱曲线稳定，可以获取更加精确的场地卓越频率[4]，将频率转换为周期，进而可判别场地类别、区分场地岩土类型、推算覆盖层厚度等[5]。相比于钻孔勘探法，地脉动H/V谱比法操作简单，经济高效，对环境友好[6]，但精度较差。本研究对南昌不同类别红土场地开展系统的地脉动测试，并利用地脉动H/V谱比法对地脉动测试数据进行处理，通过对H/V谱比计算式中水平分量(东西向和南北向)的不同组合方式与垂直分量的比值计算获取H/V谱比曲线，由H/V谱比曲线峰值得到场地的卓越周期，进而确定场地类别，划分场地岩土类型，最后将地脉动测试结果与钻孔勘探结果进行对比分析。
1 地脉动测试原理及方法 1.1 测试原理地脉动信号在土层传播过程中经过多次反射、折射，携带了丰富的、可反映场地土层特性的信息，而土层的固有特性是稳态的，不随时间变化[7]。因此，可以通过地脉动测试，利用快速傅里叶变换从地脉动信号中提取相关频谱曲线，分析地脉动信号特征，并进行场地影响估计，进而推测场地特征参数[8]。
1.2 测试方法测试时选取周边环境噪声较小的位置，每个测点按两两正交的方式布置3个拾振器，拾振器放置在平整密实的土层上，距离尽可能靠近。水平拾振器按东西、南北2个方向放置，垂直拾振器垂直于地表放置。当受风力或细雨影响时，为拾振器加盖特制的透明防护罩[9]。测试时间一般选取周边环境影响较小的时段。同一测点进行多次测试，每次测试时间不少于30 min，并截取其中较平稳的10 min进行分析。
测试仪器采用江苏东华测试技术股份有限公司的DH5922N动态信号采集分析系统和中国地震局工程力学研究所生产的891-Ⅱ型拾振器，采样频率为100 Hz。
2 H/V谱比法地脉动H/V谱比法是将地脉动信号的水平分量H与垂直分量V通过傅里叶变换，将时域函数变换为关于频域的函数H(f)和V(f)，绘制H(f)/V(f)关于频率的曲线HVSR；根据HVSR曲线的峰值与场地岩土结构基阶共振频率的关系，可以获取场地的卓越周期并用于确定场地类别，判别场地岩土类型和剪切波波速范围等。
| $ \operatorname{HVSR} \triangleq \frac{H}{V}=\frac{H(f)}{V(f)} $ | (1) |
地脉动信号由东西向(HEW)、南北向(HNS)2个水平分量和1个垂直分量(V)组成。在实际应用中，不同学者对水平分量H(f)的选取有所不同[6]，主要有算术平均、几何平均、矢量和、均方根4种方式。后续研究将基于这4种方式按式(1)进行计算。
3 地脉动H/V谱比法的应用分析 3.1 场地岩土工程概况选取2个不同类别的红土场地进行研究。2个场地地形均较平坦，根据岩土工程勘察报告可知，2个场地地层结构由第四系人工填土(Q4ml)、第四系上更新统冲积层(Q3al)、第四系全新统冲积层(Q4al)和第三系新余群(Exn)基岩组成。场地1代表性测点ZK1~ZK6和场地2代表性测点ZK7~ZK10对应的钻孔详细岩土类型和剪切波波速资料见表 1和表 2。
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表 1 场地1代表性地脉动测点钻孔及剪切波波速实测数据 Tab. 1 Measured data of borehole and shear wave velocity at representative measurement points of site one |
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表 2 场地2代表性地脉动测点钻孔及剪切波波速实测数据 Tab. 2 Measured data of borehole and shear wave velocity at representative measurement points of site two |
我国场地分类指标中采取的等效剪切波速为VS20，根据波速与周期的关系[4]可换算出场地的波速卓越周期TS20。表 3为各场地代表性测点钻孔信息及等效波速卓越周期计算结果，其中场地1各测点的波速卓越周期范围为0.260 8~0.315 0 s；场地2各测点的波速卓越周期范围为0.045 8~0.065 2 s。
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表 3 代表性测点钻探信息及波速卓越周期计算结果 Tab. 3 Borehole information of representative measurement points and calculation results of wave velocity predominant period |
通过地脉动测试，利用H/V谱比法计算4种不同水平分量组合方式(算术平均、几何平均、矢量和、均方根)的HVSR曲线，HVSR曲线的主峰值(最高峰值)对应的频率即为场地地脉动卓越频率，进而可获取场地卓越周期。表 4为各场地代表性测点不同水平分量组合方式下地脉动H/V谱比计算结果。
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表 4 不同水平分量组合方式下地脉动H/V谱比计算结果 Tab. 4 Calculation results of microtremor H/V spectrum ratio with different horizontal component combinations |
根据不同水平分量组合方式下地脉动H/V谱比法计算结果(表 4)，按历史版本规范手册和不同学者基于地脉动卓越周期的场地类别划分方案[9-14](表 5)和《CECS 74 ∶95场地微振动测量技术规程》对场地类别和场地土的类型进行划分。场地1各测点卓越频率范围为2.681 7~4.178 3 Hz，卓越周期范围为0.239 3~0.372 9 s；场地2各测点卓越频率范围为13.044 8~22.382 4 Hz，卓越周期范围为0.044 7~0.076 7 s。根据表 5中的7种参考方案划分场地1类别为Ⅱ类，场地2类别为Ⅰ类；根据《CECS 74 ∶95场地微振动测量技术规程》，场地1为以洪积层为代表的硬而厚的场地土，场地2为以基岩或坚硬土层为代表的坚硬场地土。本文划分结果与实际钻孔勘探结果基本一致。
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表 5 历史版本规范手册和不同学者基于地脉动卓越周期的场地类别划分方案 Tab. 5 Classification schemes of the sites based on the predominant period of microtremor by historical versions of specification manuals and different scholars |
图 1中，红土场地1的6个代表性测点的HVSR曲线的主峰频率范围均分布在2~5 Hz，由此可判断，该主峰峰值对应的频率为该红土场地的卓越频率。测点ZK1和ZK2的HVSR曲线还存在一个峰值较低但跨度较大的次峰，该峰是由于对应测点存在较厚、较硬的砂砾层造成地震波在传播过程中产生折射、反射形成的；测点ZK3~ZK6的HVSR曲线中存在一些窄小尖峰，这是周边人为机械运动产生的。图 2中，ZK7和ZK8的HVSR曲线主峰明显，频率范围分布在10~15 Hz，可判断该主峰峰值对应的频率为该红土场地的卓越频率；测点ZK9和ZK10的HVSR曲线中主峰峰值明显，但跨度小，周边还伴有一些窄小尖峰，这是由于测点对应场地覆盖层较薄，且表层存在坚硬砾砂层，使得地脉动在传播至近地表处产生折射、反射形成的。
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图 1 场地1代表性测点不同水平分量组合方式下的HVSR曲线 Fig. 1 HVSR curves of representative points of different horizontal component combinations at site one |
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图 2 场地2代表性测点不同水平分量组合方式下的HVSR曲线 Fig. 2 HVSR curves of representative points of different horizontal component combinations at site two |
由图 1、2可知，4种不同水平分量组合方式下的地脉动H/V谱比曲线中，均可由其峰值获取场地卓越周期，且4种方式的结果基本相同，都能准确判别出场地类别和场地土类型。但不同水平分量组合方式下的HVSR曲线中峰值的高低和峰对应频带的宽度不同，峰值高、峰对应频带宽度窄时，可以更加简便和准确地找到场地的卓越频率，进而获取场地卓越周期。分析各测点HVSR曲线可知，峰值最高、峰频带宽度最窄的水平分量组合方式为东西向和南北向的矢量和组合方式，其余依次为均方根组合方式、几何平均组合方式和算术平均组合方式。
对比可知，地脉动测试获取的卓越周期、场地类别和场地土类型划分结果与钻探结果一致性高。此外，本研究还对南昌区域内多个非红土场地开展地脉动测试，以对比研究红土场地与其他类型岩土场地之间的地脉动特性。表 6给出覆盖层厚度与ZK1~ZK10相近的非红土场地的地脉动卓越周期。
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表 6 非红土场地特征和地脉动卓越周期 Tab. 6 Characteristics of non laterite site and the predominant period of microtremor |
从表 5、6可知，本文判断场地特征的方案同样适用于非红土场地。但与覆盖层厚度相近的红土场地相比，Ⅰ类红土场地的地脉动卓越周期相比Ⅰ类非红土场地大，而Ⅱ类红土场地的地脉动卓越周期相比Ⅱ类非红土场地小。这也进一步说明红土场地覆盖层岩土比非红土场地坚硬、密实。
4 结语1) H/V谱比法获取的红土场地1的卓越周期范围为0.239 3~0.372 9 s，确定场地类别为Ⅱ类，为以洪积层为代表的硬而厚的场地土；红土场地2的卓越周期范围为0.044 7~0.076 7 s，确定场地类别为Ⅰ类，为以基岩或坚硬土层为代表的坚硬场地土。
2) 地脉动测试获取的场地卓越周期、场地类别和场地土的类型与钻孔勘探结果一致性高。
3) H/V谱比法中的水平分量按东西向和南北向的算术平均、几何平均、矢量和、均方根的组合方式均可准确获取场地卓越周期。但采用矢量和水平组合方式下的HVSR曲线峰值最高且峰频带宽度最窄，能更加高效、准确地获取场地卓越周期。
4)Ⅰ类红土场地地脉动卓越周期比Ⅰ类非红土场地大，Ⅱ类红土场地地脉动卓越周期比Ⅱ类非红土场地小，且红土场地覆盖层岩土比非红土场地坚硬、密实。
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2. Nanchang Emergency Management Bureau, 199 Huizhan Road, Nanchang 330038, China