场地土剪切波速与地脉动的测试

场地土剪切波速与地脉动的测试

地脉动是由场地周围自然振源（风、海浪等）和人工震源（机器振动源、交通工具等）所产生，是地面的一种稳定的非重复性的随机波动。通常情况下地脉动具有频率低、振幅小等特点。地脉动具有不同的频幅变化和作用历时，会引起岩土体的不同响应，给工程建设造成不同的问题。波速勘察，可利用地脉动的测试结果推测波速的可能数值，进行场地类别划分或综合评价场地的工程力学性质.

地脉动是地基每时每刻（即使没有地震发生）都存在的一种微小振动，其振幅通常只有几个微米，对周期较短的地脉动，振幅甚至达不到1微米。地脉动不同于微震，微震有特定的源和发震时间，而地脉动没有特定的源，且在任何时间任何地点都可以观测到它的存在。产生地脉动的源（即脉动源）可分为自然因素（Capon 1973；Douze 1964）和人为因素（Douze 1967；Walker 1964）两大类。前者如风、雨、海浪、地质内力作用等。后者如交通运输、机械振动、建筑施工、人群活动等。因此地脉动信号是由一系列脉动源产生的来自四面八方的各种类型的复杂集合。显然，脉动源的性质、能量大小以及分布位置是随机的，因而某一地点观测到的地脉动信号也是随机的。图1是日本学者Kanai（1961）在同一地点观测到的地脉动信号的最大振幅随时间的变化。从图中可以看出，夜间的振幅比白天小得多，这是由于夜间比较安静，脉动源数量比白天少的缘故

地脉动具有较复杂的性质，这种性质与脉动源性质、传播机理以及地层特性参数的变化等因素密切相关。脉动源是由观测场地周围以及远处一系列振源所组成的，地脉动的激发和波的成分等具有随机性。尽管脉动源是随机的，地脉动信号也是随机的，但是由于波的多重反射和折射，地脉动在传播过程中积累反映场地土层固有特性的信息。正是这种不随时间变化的固有信息，使地脉动信号具有某种统计规律性，工程中利用地脉动推断土层构造也正是根据这一点。

（二）、地脉动测试的特点

地微动信号是在某场地利用高灵敏度仪器观测到一种随时间变化的微弱振动，它包涵着丰富的地球物理信息。但是，大量试验实践证明，地脉动信号振幅值很微小，任何人为因素对信号幅值的影响都会很大，即便是微弱的干扰都会造成地脉动信号大幅度变化。

从地脉动出发研究地基土层构造与地脉动卓越周期的关系以及不同场地类别的卓越周期的特征，对地基土层场地评价以及对提高高层建筑物设防与隔震设计、有选择地选用基础结构及埋深都具有重要的理论及实际意义。同时，可利用地脉动的测试结果推测波速的可能数值，进行场地类别划分或综合评价场地的工程力学性质。

（三）、地脉动测试的特殊要求

微动，是地基每时每刻的微弱振动。根据周期长短特点，把地微振列为短周期振动，而把脉动列为中长周期微动。在城区进行地微动测试，无论怎样严格遵守操作规范，其实测场地的原始微动信号都会包含各种频率不同的噪声。

三、 地脉动法测定地层的剪切波速度简介

1、地脉动具有周期长（即振动频率低）及波长长的特点，并且地脉动的信号包括了场地土的特性，因此利用地脉动法来测定较深层土的剪切波速度是有可能的。

2、地脉动法可与其它测试方法联合应用，以便相互补充和对比，从而有可能得出包括表层和深层在内的波速资料。地脉动信号频率较低，结合法则可以弥补这一不足。SASW法利用人工振源“瞬态激发”，在附近地表由两检波器记录信号，对它们作功率谱分析可得

到面波的弥散曲线。如用简单的机械振源，SASW法可测深度一般在15~20左右；如需要更深层的波速，则需要振源。可见，由地脉动法和SASW法有可能得到由浅至深的较完整的波速资料。一般来说，钻孔测试波速的结果比较可靠。在工程中，若先用地脉动法测定地层波速，在酌情进行钻孔波速（如跨孔或下孔试验），从而达到补充浅层波速资料和判断深层脉动试验结果可靠性的目的。

3、地脉动的频谱特征与场地土层剪切波速之间存在一定的对应性，只要掌握其规律，了解两者之间的相互关系，就可以通过其中一种测试结果推测或估算出另一种测试结果的可能数值及其场地土层的有关动力特性，这对于场地规划、地基土层场地评价及选址方面的工作是有利的。特别是由于地脉动测试要比波速测试方便得多，所以利用地脉动的测试结果推测波速或进行场地类别划分时将会更有意义。

4、地脉动的测试结果表明，地面脉动卓越周期的变化与场地土层构造相关，与场地工程地质条件的变化相对应。测试结果反映了场地覆盖层厚度的大小与地基土刚度（剪切波速）的变化相关。覆盖层厚度是影响地脉动卓越周期的重要原因。不同地基土层构造对应不同类型的频率分布。这些频率与由地层内传播过程中，由于振动响应或滤波等原因，地脉动频谱随场地土的构造和岩土特性发生变化，携带着场地土的信息，其频谱特性能够反映出场地土的构成和特性。但是不同的地基土层构造对地脉动的滤波与响应是不同，存在着频率选择现 象。

四、 测试仪器

（一）、剪切波测试仪器

（1）地面激振，带有三分量（竖向、水平径向、水平切向）拾振器的井下附壁式检波

器，对信号进行井下接收，使用DZQ—3信号增强型轻便浅层地震仪对信号采集记录。

（2）单孔法测试时，剪切波振源应采用锤和上压重物的木板，压缩波振源宜采用锤和金属板。

（3）当采用三分量井下传感器时，应附有将其固定于井壁的装置，其固有频率宜小于地震波主频率的1/2。

（二）、地脉动测试仪器

（1）仪器采用SWS—1A型多功能面波仪，现场采集的数据存贮在仪器硬盘中，在室内经计算机回放处理。

（2）组成部分：检波器（地面、井中三分量检波器）、放大器、低通滤波器、磁带记录仪、监视仪器。

（3）由于地脉动频率较低，测试系统的低频特性要求良好。在现有记录仪器中，磁带记录机能直接以电信号的形式输出记录结果，对于随机信号的分析和处理非常方便。另一种记录方式是采用信号采集分析仪进行实时采集分析。该方法记录的是数字化信号，在现场就能进行初步的数字信号分析，这有利于提高记录信号的质量。如测点附近有较强的特定振源，地脉动观测时还须备有滤波器以便排除高频干扰信号。为了在现场监视记录实况，以便在室内选用干扰较小的波形记录进行分析处理，地脉动测试系统中也可配备示波器。

（4）仪器应符合的要求：

信号采集与分析系统宜采用多通道，模数转换器（A/D）位数不宜小于12位；测试仪

器应每年在标准振动台上进行系统灵敏度系数的标定，以确定灵敏度系数随频率变化的曲线。

（三）、地脉动测试系统方框图（如图2所示）