场地卓越周期的讨论与测定

场地卓越周期的讨论与测定

场地卓越周期的讨论与测定

高广运1,吴世明1,周健1,刘奋勇2

(11同济大学地下系,上海　200092;21机械工业部第四设计院,河南洛阳　471039)

摘要:本文提出了工程抗震设计中场地卓越周期的分类及确定方法,阐述了场地卓越周期与特征周期的关系,讨论了常时微动与地脉动的区别与联系。结合工程实例,介绍了卓越周期的测定。关键词:场地卓越周期;特征周期;常时微动;地脉动中图分类号:P631文献标识码:A

Abstract:Classificationanddeterminationofsitepredominantperiodinearthquakeresistantdesignarepsedherein.Relationship

betweensitepredominantperiodandcharacteristicperiodareexpounded.Differenceandconnectionofmicrotremorandearthpulsearediscussed.

Keywords:sitepredominantperiod;characteristicperiod;frequentmearthpulse

1　引言

,因此确,其中场地卓越周期是反映场地土地震动力特性的最重要参数之一。卓越周期的物理意义为:地表土层对不同周期的地震波有选择放大作用,致使在地震记录图上某些周期的波形特别多而好,也就显得“卓越”,故称为地震卓越周期。

很多强震观测与常时微动观测所得频谱特性证明:地震的卓越周期与常时微动的卓越周期有很好的对应关系。当工程结构的自振周期与建筑场地的卓越周期相同或相近时,因其共振或类共振效应使之承受过大的荷载而破坏,故应避免产生。在地微动研究方面,很多学者作出了贡献[1—4]。

卓越周期是高层建筑等重要建(构)筑物抗震设计的关键参数。在设计建筑物整体结构时,应考虑其自振频率和不同地基的卓越频率,使结构自振周期与场地的卓越周期相差较大为好。如根据地基土类别进行必要的地基处理、加大建筑物的基础及其埋深、增加建筑物的整体刚度等,这些措施一方面增加建筑物埋置部分的阻尼,使结构振幅减小,震害减小;另一方面增加结构整体刚度,可提高其自振频率,降低固有周期,使之避开场地的卓越周期。

卓越周期是场地土振动可能出现最大振幅的周期,主要随场地岩土特性而变化。若场地土较硬,则周期较短,振幅较小;若场地土较软,则周期较长,振幅较大。因此,可根据卓越周期划分场地土的类别,为工程抗震设计提供依据。根据测试资料,不同地基土的卓越周期见表1。

,有较大的差别,影响因素很多,严格讲是未知的。规范中的Tg是根据工程应用(地震设计标准反应谱)的需要,考虑场地类别和近震、远震有关因素的预测值。

不同地基土的卓越周期

卓越周期T

011—012011—013013—017>017

表1

类别

场地岩土稳定基岩

密实砂卵石、坚硬粘土

一般土层淤泥、沼泽等软土

国标[6]条文说明中指出:“应使工程设施的自振周期避开场地的卓越周期,因此应测定和分析判定场地卓越周期”,配套的工具书[7]则详细介绍了测定和分析判定场地卓越周期的内容。文献[8]条文说明中解释为:“有关场地的特征周期,过去许多勘察单位都是根据土层实测的横波波速按经验公式(1)计算场地‘卓越周期’,但鉴于该公式是一近似公式,且在深度上看法不一致,以至计算结果有较大差别,因而一般情况下,不需再按该近似经验公式计算场地‘卓越周期’,以避免所计算‘卓越周期’与‘特征周期’不一致而发生矛盾”,而“必要时还应测定场地卓越周期”。

TV=

V∑4h

i

i=1n

si

(1)

式中:TV是根据剪切波速计算的场地卓越周期(s),hi和Vsi分别为各分层土的厚度(m)和剪切波速(m 式(1)是日s)。本金井清按多重反射理论所得近似公式,由于“假定地基土层为均匀平行”,故有一定误差,因此重要工程一般不宜采用。其收稿日期:2000202216;修订日期:2000205208

作者简介:高广运(19612),男(汉族),安徽阜阳人,博士,

教授。

工程勘察　GeotechnicalInvestigation&Surveying　　　29

2　卓越周期与特征周期

现行规范对工程抗震设计中场地周期的界定不一致。如

国标[5]采用场地设计用“特征周期Tg”而没有提及“卓越周期T”。Tg是场地条件反应谱的特征周期,随震源机制、震　2000年第5期

场地卓越周期的讨论与测定

误差与剪切波速的观测精度、地基的均匀性和场地覆盖层的厚度等密切相关。

式(1)除是一个近似公式外,最大的问题是计算深度不统一,以致计算结果缺乏可比性。如文献[7]指出:一般应计算至基岩面,当基岩面较深时,可计算到50～100m;有的文献将计算深度定为30～50m。笔者认为计算深度应为场地覆盖层总厚度,即达Vsi>500m 虽然卓越周s坚硬岩土层顶面。

期主要受场地浅部岩土的影响,但计算深度的不同(相差数十米甚至更大)所引起的误差是不容忽视的。

综上所述,可见确定场地卓越周期T的重要性。它与特征周期Tg间的关系应理解为:二者都是场地固有周期T0的不同预测值,因预测方法不同而冠以不同的名称。

确定场地卓越周期T的方法及分类为:第一,当场地内有强震记录时,通过频谱分析确定地震动卓越周期,这里称之为记录卓越周期,以Tr表示。第二,由常时微动测试分析确定,称为测试卓越周期,以Tm表示。第三,根据场地分层剪切波速测试结果按公式(1)计算之,称为波速卓越周期,TV表示。

笔者记为:TrTm周期;Tv(有时相当大)的卓越周期。因此,,抗震设计应首先选用Tr,其次可选用Tm,尽量避免选用Tv(除非地基土层基本满足均匀平行的条件)。由于适宜的强震记录不易获得,且因地层结构及局部地形地貌的改变有较大的变化,所以工程应用中多由常时微动测试分析确定卓越周期。

图1　地微动测试机理示意

对于测试系统,在观测时一般可事先测定其频率特性,从而可以在观测时使其影响降到最小或者从实测信号中将其排除。故本文未对这部分进行讨论。

常时微动为短周期地微动,是地微动信号中反映场地土动态特性的成份,为工程抗震的研究重点,本文所讨论的内容。常时微动的场地卓越周期一般为011s～1s,波长较短,多由近距离的人为振源激发,理论上可用横波在土层中的多重反射解释。

地脉动为中长周期地微动,性的分量,、地震、火山运动及地球。1s～几十秒,,、大气环流及地球深,。地脉动相对,是一短期内的振动现象,故称之为“脉动”。

以上分析可知,常时微动和地脉动同属地微动的不同成份。在实际工作中,可根据不同的研究目的选择所需的成份进行观测和分析。

4　工程实测

由于抗震设计需要,某工程进行了以确定场地卓越周期为主要目的的常时微动观测,观测系统和信号采集与处理系统满足国标[9]的要求。工程场地2310m以上为冲洪积形成的黄土状粉质粘土和粉土(Vs=160-240m s),其下为厚约1510m的密实卵石层(Vs>500m s),底部为微风化基岩(Vs>500m 根据工程需要确s),地下水位在卵石层顶面下210m。定测点深度,共完成了两组测试。

为了研究场地土振动的方向性,传感器分别按东西(EW)、南北(NS)和垂直(V)三个方向放置。测试时间选在晚22 00点至次日凌晨。图2为一典型记录子样三向常时微动功率谱曲线,由时域曲线(本文未提供)可知:场地微振动是各类波在测点集合而成的一种随时间作不规则变化的随机振动。选取测试结果中较好的记录子样进行分析,由振幅谱的峰值频率可计算场地卓越周期。

根据计算分析可得三个方向观测的平均频率分别为:EW向2188Hz、NS向2171Hz、V向3100Hz,相应的周期分别为0135s、0139s和0133s,平均周期为0135s,则场地土卓越周期为0135s。在测点附近,该工程还完成了深入坚硬岩土层(Vsi>500m s)的波速测试,由测试结果按公式(1)求得卓越周期为0141s,与常时微动测试结果0135s较接近,说明场地土层基本均匀平行。

3　常时微动与地脉动

地表总是存在着人体难以感觉到的微小振动,可称之为“地微动”。这类振动振幅通常只有几微米,一般认为它是由随机振源——包括自然因素(如地震、风振、火山运动和海洋波浪等)和人为因素(如公路和铁路交通、动力机器、工程施工与爆破等)激发、经不同性质的岩土层界面多次反射和折射后传播到场地地面的振动,是一个平稳的随机振动。尽管其振源是随机的,但测试信号是波在传播过程中反映场地土动态特性的积累,因此同一场地的不同时间的观测结果具有较好的重复性(观测时间应足够长),即是时间的常数,可用图1来说明其测试机理,并用下式表述实际测得的地微动信号。由图1可得:

(2)G(f)=H(f) R(f) Y(f)

式中:G(f)——仪器所测地微动函数;

H(f)——场地全体覆盖层岩土(Vsi<500m s)固有动态特性的综合频率响应函数;

R(f)——随机振源产生的振动谱函数;Y(f)——测试系统的频率特性函数。

由上式可知,实测地微动信号的频谱峰值可对应三种成份,即主频率可对应场地固有频率,也可能对应于振源的优势频率,还可能带有测试系统的频率特性,分别讨论如下

。　　工程勘察　30GeotechnicalInvestigation&Surveying

5　结论

(1)当震源机制、震级大小、震中距远近等相同时,场地

2000年第5期　

场地卓越周期的讨论与测定

通常应由常时T0相比有一定误差(有时相当大)的卓越周期。

微动测试分析确定卓越周期。

(3)测定卓越周期时,应考虑仪器设备与场地条件。当场地覆盖层较厚,而测点置于地表下较浅深度时,受测试方法和测试条件等的限制,将影响测试结果。

(4)地微动可按周期长短分为常时微动和地脉动。前者为短周期地微动,反映场地土动态特性,为工程抗震的研究重点;后者为中长周期地微动,反映振源特性。

(5)根据剪切波速计算卓越周期时应注意两点:第一,场地岩土层分布应基本均匀水平;第二,计算深度应为场地覆盖层总厚度,即达Vsi>500m s坚硬岩土层顶面,因此波速测试深度应深入坚硬岩土层。

参

考

文

献

[1]..第七届土力

,,1994.

.第四届全国土动力学会议论文

浙江大学出版社,1994.

3　吴世明等.利用短周期地脉动推断土层构造.第四届全国土动

力学会议论文集,杭州:浙江大学出版社,1994.

[4]　雷立学.地脉动的稳定性.工程勘察,No.4,1988.[5]　中华人民共和国国家标准,工业与民用建筑抗震设计规范

(GBJ11289),沈阳:辽宁科学技术出版社,1990.

[6]　中华人民共和国国家标准,岩土工程勘察规范(GBJ50021-94),北京:中国建筑工业出版社,1995.

[7]　岩土工程手册编写委员会,岩土工程手册.北京:中国建筑工

图2　典型记录子样三向常时微动功率谱曲线

固有周期T0应为一确定值。场地卓越周期T和特征周期Tg都是对T0的预测。

(2)按确定卓越周期T的方法可将其分为记录卓越周期Tr、测试卓越周期Tm和波速卓越周期Tv。Tr是真实反应场地地震动的卓越周期,Tm是接近T0的卓越周期,Tv是与

业出版社,1994.

[8]　中华人民共和国行业标准,高层建筑岩土工程勘察规程(JGJ722

90).北京:中国建筑工业出版社,1991.

[9]　中华人民共和国国家标准,地基动力特性测试规范(GB T

50269-97).北京:中国计划出版社,1998.

《水文地质工程地质》2001年征订启事

《水文地质工程地质》创刊于1957年,2001年将全面改版。改版后的《水文地质工程地质》将继续并发扬优良传统,立足本专业发展的前沿,面向国内工程地质学科发展、地质工程建设、技术方法创新、地下水资源监测与管理、地质灾害监测与防治、地质环境开发与保护等行业的著、读者,学术性、技术性、信息性并重,融学术研究、工程项目勘察、施工实例、技术方法创新与改进等信息发布于一刊。

《水文地质工程地质》邮发代号:22335。2001年每期每册订价8100元,全年订价48100元。读者可以在当地邮局订阅,或直接汇款至《水文地质工程地质》编辑部订阅。

《水文地质工程地质》编辑部地址:北京市海淀区大慧寺20号编辑部,邮政编码:100081,电话:010—62189102。欢迎订阅,欢迎来稿,欢迎发布广告、信息。

　2000年第5期工程勘察　GeotechnicalInvestigation&Surveying　　　31

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zyi4.html