本节内容简介5.2常时微动测量及研究方法一、三种判定地脉.课件

1、本节内容简介5.2 常时微动测量及研究方法 一、三种判定地脉动波场性质的方法 二、测试仪器设备和解释方法（1）记录设备： A）记录器 B）传感器（拾震器）（2）资料处理及解释原理： 1）周期频度法 2）频谱法 5.3黄土场地的脉动特征及地震工程意义（1）黄土场地地面脉动频谱特性分析（2）脉动谱和地震动反应谱之间的关系探讨:（3）地形地貌条件对地面脉动的影响规律第1页，共41页。 5.2 常时微动测量及研究方法 在上一节我们已经简单介绍了面波的两种成因的探讨。在实际工作中，影响地脉动在工程应用的一个非常重要问题是：如何确定地脉动的波场性质.Kanai等(1954)依据地脉动的波形酷似地方震振动波

2、形，并且为了讨论使用地脉动进行场地分类的可行性，所以假定地脉动主要由垂直人射S波组成后来，这种假定被Aki(1957)， Akamatsu(1961), Chouet (1998)等推翻，他们基于地脉动由面波组成的假定，采用空间自相关法和频率一波数滤波法证明了地脉动中含有大量的表面波。Nogoshi和lgardshi(1970,1971)依据地脉动的水平分量与竖向分量振幅比与利用瑞利波进行模型分析时计算的水平分量与竖向分量振幅比比较一致，认为地脉动的土要成分是瑞利波。很多学者认为，影响地脉动波场性质的因素众多，致使地脉动在一些地区可能以面波波场为主，在另外一些也可能以体波波场为主。第2页，共4

3、1页。 只强调一种形式，都难免产生认识上的偏颇。很多研究人员和学者在论文中，讨沦了不同波场组成的基岩，地脉动水平分量与竖向分量谱比特性，发现当基岩地脉动由瑞利波或体波组成时，其谱比特性存在明显差别。在此，依据地脉动的运动学和动力学特征提出了三种判定地脉动波场性质的方法，即形态法，轨迹法和基岩地脉动谱比法。从地震学的运动学和动力学的角度出发，根据脉动的特征提出了三种判定地脉动波场性质的方法，即形态法，轨迹法，基岩地脉动谱比法。1）形态法 形态法即：根据地脉动的波形特征，判定地脉动中的主要成分。当地脉动的振动周期较长，振动幅度变化大，振动波形多为规则的正弦波列时，认为地脉动主要由瑞利面波组成.否则

4、，可以认为地脉动主要由体波组成。图2和图3是，中国地震局工程力学所胡成祥、于海英等同志在大亚湾核电站场址，自由地表同一测点不同时间观测的地脉动加速度时第3页，共41页。程。图中从上到下依次为南北向，竖向和东西向。从图2可见，地脉动波形与地方震波形极其相似，基本看不到长周期的正弦波列，所以推测或判定图中的地脉动主要成分为体波。而在图3中，地脉动记录波形则以长周期的正弦波列为主，说明此时地脉动中的主要成分为面波。但值得指出的是，这种判断方法需要专家工作经验，准确性稍差。 2）轨迹法 在成层介质模型下。当场地存在阻尼时，自由表面瑞利波的运动轨迹为一椭圆，且极化椭圆的轴是倾斜的。而质点在体波作用下的振

5、动轨迹为直线.如果地脉动记录水平分量与竖向分量合成的运动轨迹是椭圆，则我们认为地脉动的主要成分为瑞利波。如果地脉动记录振动的轨迹为直线.如果地脉动记录水平分量与竖向分量合成的运动轨迹是椭圆第4页，共41页。（脉动加速度）S-NU-DE-W第5页，共41页。S-NU-DE-W第6页，共41页。，则我们认为地脉动的主要成分为瑞利波。如果地脉动记录振动的水平分量与竖向分量的轨迹是直线或近似为直线，则我们可以认为地脉动中的主要成分为体波。根据这一原则，本节分析了丽江盆地内LCN观测点和STN观测点地脉动记录。图4是丽江盆地LCN测点测得的地脉动振动水平分量(东西向)与竖向分量合成的运动轨迹.图中横轴表

6、示东西向地脉动速度，纵坐标表示竖向地脉动速度图中箭头表示质点的振动方向，图中分别给出了4张轨迹图，对应的时段分别为0一0.21 s， 0.22一0.61 s,，0.62一1.1 s和1.11一1.6s 图5是同一丽江点测得的地脉动水平分量(南北向)与竖向分量合成的运动轨迹。从图中可见，该时刻测得的质点振动轨迹为逆进或正进的椭圆，由此可以判定地脉动的主要成分为瑞利波，图6是丽江盆地STN测点测得的地脉动记录水平分量(东西向)与竖向分量合成的运动轨迹图中箭头表示质点的振动方向。图7是该测点地脉动振动水平分量。第7页，共41页。（南北向)与竖向分量合成的运动轨迹。图中横轴表示南北向地脉动速度，纵坐标

7、表示竖向地脉动速度。从图中可见，该测点测得的地脉动的振动轨迹绝大部分为直线或近似直线，因此，有理由认为的该测点测得的地脉动主要成分为体波。相互垂直的谐振动的合成： 式中A和分别代表两个方向的地动位移何处相位。上述两个方程是参量t 表示的质点运动轨迹的参量方程。消去两个参量方程中的t 得到质点轨迹的直角坐标方程：第8页，共41页。第9页，共41页。第10页，共41页。第11页，共41页。第12页，共41页。第13页，共41页。3） 判定基岩地脉动波场性质的谱比法 在有关地脉动水平分量与竖向分量谱比的研究中，把地脉动视为不同角度体波入射或瑞利波叠加而形成的。研究表明，当地基不是土层而是岩石，择须要

8、使用判定基岩地脉动波场性质的谱比法进行判别。基岩地脉动的水平分量与竖向分量谱比特性为：在瑞利波作用下，泊松基岩自由表面地脉动水平分量与竖向分量谱比接近于0.68，且无频散。当基岩泊松比在0至0.5之间变化时，这个比值在0.79-0.54之间变化。在体波作用下的基岩地脉动的水平分量与竖向分量谱比近于1。根据这两个结论， 当基岩地脉的水平分量与竖向分量谱比在0.68附近时，可以认为组成地脉动的主要成分为瑞利波。当基岩地脉动的水平分量与竖向分量谱比接近于1时，可以认为组成地脉动的主要成分为体波。第14页，共41页。第15页，共41页。第16页，共41页。4 总结 在地脉动观测过程中，在同一测点随地脉

9、动观测时间不同，记录的地脉动波场在波形、质点振动轨迹和水平分量与竖向分量谱比之间，可能不同.本文根据频率测点STN观侧地脉动水平分量与竖向分A谱比 ，地脉动的这些特征，提出判定地脉动波场特性的方法，即形态法、轨迹法和基岩地脉动谱比法，并将其用于实际地脉动资料处理。分析以及研究实例表明，这三种地脉动成分的判别准则是有效的。在进行场地动力特性分析时，判明地脉动的波场特性后、再根据体波或面波的处理办法，利用测得的地脉动分析场地动力特性。 在地脉动观测过程中，在同一测点随地脉动观测时间不同，记录的地脉动波场在波形、质点振动轨迹和水平分量与竖向分量谱比之间，可能不同,观测地脉动水平分量与竖向分A谱比 ，

10、地脉动的这些特征，提出判定地脉动波场特性的方法，即形态法、轨迹法和基岩地脉动谱比法。第17页，共41页。 二）测试仪器设备和解释方法(一) 记录设备： 因为常时微动的信号波动的地动位移振幅值仅有0.0110且周期是0.011秒、加速度值为0.010.1/s，因此对测量的仪器的通频带、动态范围等方面都有一定要求。我们使用的测试仪器是中科院武汉力学研究所研制的RSM系列工程智能振动测试仪，并配带常时微动处理软件。 RSMF24系列智能工程振动测试仪，主要技术指标：（1）输入信号带宽1Hz-4KHz。（2）4通道以上，独立瞬时浮点，24位模数A/D。（3）采样间隔：1065536微秒，根据需要，可以

11、任意调节。（4）最大增益为25600倍（80db以上）。 （5）仪器体积小，配有交、直流转换装置使用方便。 （6）测试仪器与三分量拾震器的连接。第18页，共41页。（2）拾振器(CDJ S-2c)： 拾振器(CDJ S-2c)是与智能RSM工程测试仪配套的拾振器。它是一套三分量拾震器，组合的拾震器。外壳上的红箭头指向东西（或南北）方向。并把调整拾振器的水平气泡安置在拾振器的表面，要使气泡位于位于圆圈的中心，则表示摆已经调整到水平。一般将拾振器连线上东西方向的接头与仪器后面的六合一连线中长线标号为1的接头连接，南北方向的接头与仪器后面的六合一连线中长线标号为2的接头连接，垂直方向的接头与仪器后面

12、的六合一连线中长线标号为3的接头连接。就可以将仪器电源开关打开，开始正常工作，进行信号采集。第19页，共41页。第20页，共41页。（3）电源及附加传输电缆及接线。 电源是12V可充电电源，一般可以使用汽车电瓶，并且免保养最好。一块电瓶可以使用12小时左右。 因为观测常时微动的环境要求比较安静，因此，观测人员要求距离拾震器的位置也应该保持一定距离，不应该小于1520米左右，观测人员而且要保持安静状态，否则也要影响微动观测。因此要求有1520米的传输摆线。为了防止各种信号的干扰，最好使用带有金属屏蔽网的传输电缆。第21页，共41页。第22页，共41页。第23页，共41页。第24页，共41页。 （

13、二）资料处理及解释原理 常时微动资料的处理方法主要有两种，一种为周期频度分析，另一种是频谱分析。目前多使用第二种。1）周期频度法：它是通过计算各种周期成分的波所出现的次数，从而得出波形或周期的特性。具体做法是在观测记录的资料中选取质量较好的记录段，按波形正反相对称变化大致对称划一条零线，波形与零线形成一系列的交点，取相邻两点时差的两倍，作为相应的周期。依次读取并进行统计，以周期为横坐标，以不同周期波形出现的次数为纵坐标，即得到各种频度曲线。频度最高的周期成为优势周期，记录中波形周期最大的称作最大周期。用出现于记录波形上波数除以记录时间（记录长度）所求出的周期称作平均周期。 卓越周期应根据卓越频

14、率确定，并按下列公式计算：T = 1/ f T：卓越周期（s） f：卓越频率（Hz） 这种方法使用的较早，用手工计算，后来改用频度分析仪进行，其分析结果可以近似代替谱分析的结果，还可以消除一些高频干扰。第25页，共41页。 2）频谱分析法： 地脉动的绝对傅里叶谱法，是直接对地脉动记录进行傅氏变换，把时域信号变成频率域的信号，求得地脉动的功率谱，卓越周期和谱振幅，用于场地解释。这种方法的假设条件是：(1)地脉动由垂直人射的S波组成（体波性质）；(2)地脉动源的谱是白噪声。在这样的假设条件下，可以直接使用非岩性土场地上地脉动的傅氏谱代表场地对基底垂直人射S波影响。因为在实际工作中研究者们注意到坚硬

15、岩石场地上地脉动谱在很宽的频带范围内是平的，这样，他们直接使用非岩性土场地上地脉动记录的傅氏谱代表基底垂直人射S波的场地传递函数进行场地动力特性分析是合理的。从以上分析可以发现，该方法的一个主要假定是：认为地脉动是由一组体波并具有第26页，共41页。白噪声谱的振动源产生的。事实上在很多情况下，这一假定不符合实际情况，产生脉动的源情况十分复杂。许多观测表明，即使在基岩上，地脉动也存在多个卓越周期，这说明地脉动具有白噪声的谱是很大的局限性，在地脉动的分析过程中源和传播路径的影响不能忽略。 设常时微动为时间函数，用x (t)来表示。可以把它换成频率域的傅氏积分的表达形式：此外，利用X（）及其共轭复数

16、X*（） 还可以求出功率谱：第27页，共41页。 在实际解释中，将明显混入噪音的时段剔除不用，用这个时间段波形功率谱的算术平均值即可以求得平均功率谱p（）：一般取十秒为一个时间段，大约作20次左右的叠加，就能得到其观测点的比较稳定的功率谱。 功率谱与傅氏谱并无本质区别，两者大体存在平方的关系，可以理解为功率谱是强调结构物对某些频率成分的影响。如果对功率谱进行傅氏变换，就可以得到自相关函数R（t )：第28页，共41页。第29页，共41页。 5.3黄土场地的脉动特征及地震工程意义1 )黄土场地地面脉动频谱特性分析 地脉动的周期成分与场地土性质、层厚及分层等情况密切相关。场地土层对不同方向传来的入

17、射波，具有溥波性能，不同的土层具有不同的选频与共振特性，它能增强或抑制入射波群中频率成分的比值，从而形成不同的频率形状。通过对西北黄土地区地脉动曲线的处理和综合分析，现有以下几种典型的脉动频谱曲线，可供参考：（1） 主峰型： 谱形表现为主峰明显，低频谐波丰富(图la)。主峰值高且窄峰点所对应的频带幅值狭尖，其峰值位置及带宽与黄土覆盖层的厚度有很大的关系。出现这类曲线的场地，波速一般随深度呈缓慢递增的总体趋势，覆盖层厚度一般不太厚(如1级阶地)。在下伏岩土层非常坚硬而黄土层较薄的情况下，谱形态往往表现为主峰特别突出，当地表土层含有较多砂卵石时，在主峰左右有次一级的峰，谐波少、峰值频率高。 第30

18、页，共41页。 （2 ）主峰山脉型 谱曲线有一较突出的主峰(图1b)，谐波亦较为丰富，主频带较宽，峰值缓慢衰减且较对称，包络线呈山脉形状，卓越频率较低，这类曲线大多出现于波速随深度呈线性增加且无波速强变异面的地层结构的场地，如高阶地场地、黄上源等 （3 ）双峰或多峰型 即在谱图中两次或两次以上，出现谱值近似的峰(图lc)。主频带宽，各层次谐波均丰富，出现这种谱形态的场地与其场地岩土层的沉积韵律特点有很大的关系.通常情况下，地层成因复杂，透镜体、夹层发育，结构杂乱，波速变化无一定规律，卓越频率较低。在些滑坡体和洪积扇上也比较常见。第31页，共41页。第32页，共41页。 （4） 混合型 主要是受

19、局部地形条件影响，谱形常常比较杂乱(图1d)，频谱成分非常丰富，峰峰间隔相差不大.这种情况在狭尖的黄土梁端部、孤立的山包、地形突变部位以及覆盖层下面有空穴或地质构造特别复杂的场地比较常见。脉动幅值也可比较粗略地反映出场地土厚度和性质的影响，一般情况下，随表层土厚度的增加而加大，随土层刚度的增大而减小，局部突起地形的高处一般振幅较大，这和强震时震害分布规律和理论分析结果都是一致的，场地则反之。据此可以第33页，共41页。2）脉动谱和地震动反应谱之间的关系探讨: 关于地脉动在地震工程中的应用目前尚有不同的看法，在具体的应用中也存在争论，根据一些地震的震害情况，场地震害与地基的振动特性有很大关系，地

20、脉动作为一种方法，若能恰当使用，是可以作为评价场地总体动力特性指标之一。关于地面脉动谱和地震地面运动反应谱之间的关系，人们的看法不同，但共同以为它们既有本质区别又存在着某种联系，前者侧重于反映场地本身的振动特征，后者则反映了场地固有的动力特性和地震震源机制、远近场特性，但实际应用情况表明，地面脉动功率谱和地震地面运动反应谱具有一定的可比性、日本学者神山真等认为：强震动和常时微动(即地脉动)的谱有比较类似的频谱特性，看不出完全相似和很大差别。当然，相反的例子也不少。但有一点应该是比较肯定的，第34页，共41页。即强震动和地脉动频谱相关的好坏在很大程度上取决于场地地基土的组合情况。大量土层地震反应

21、分析表明，不同场地的加速度反应谱，在不同地震波作用下有着明显的不同特性，有些场地的潜特性与输入波关系不大，有些场地则反之。据此可以推断若场地地震反应对输入波特性不敏感，其地震地面运动反应谱与地脉动谱应该有较好的一致性，从这个意义上讲，对于覆盖层较厚、土层结构相对简单的黄土地区，地脉动观测资料对于研究未来强震地面运动的特性也是有一定参考价值的。第35页，共41页。场地的地脉动具有地区的特点一个场地的地脉动，在时间域和频率域中，其形状和特点极为复杂，很难用一个简单的峰值来确定场地卓越周期。比较精确的做法是：在同一地貌单元上对多点测量和分析的结果进行对比(图2)，求得地脉动优势周期Ts ，通过对场地

22、地震地面运动分析结果以及相应的脉动观测结果的对比，结合近些年在西北黄土地区所积累的大量资料，黄土场地地面运动反应谱特征周期Tg，可通过下式进行估算： r = 0.7954 相关系数第36页，共41页。第37页，共41页。3) 地形地貌条件对地面脉动的影响规律 黄土地区地形比较复杂，斜坡发育，孤突地形和高陡斜坡的上部边缘部位对震害的加重影响十分明显，这已为大量的宏观震害经验和理论分析所证实。地形地貌条件对地面脉动的影响也是人们所公认的。测试结果表明，在陡坎前缘、高阶地以及孤立山包上，可呈现出较大的振幅值与较长的脉动周期，以1995年甘肃永登5. 8级地震中，位于震中附近的一黄土梁山体为例，采用现场地面脉动实测与二维计算分析相结合的方法，探讨地形对地面运动特性的影响。表1 是在山体地面脉动观测脉动测试，采用目前国内先进的IN V 303智能信号采集处理分析系统，其灵敏度高、线性额宽，可以完成超大容量的数据采