巖土工程勘察中卓越周期的定義
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摘要：地震具有破壞性，在建筑林立的今天，一場大震會造成較大地財產與生命損失。我們無法阻擋地震的發生，也缺乏有效的監測預防手段，但是我們可以通過改善建筑物結構，減小地震帶來的危害。卓越周期是建筑抗震設計中常用的參數之一，可以通過地震記錄、常時微動等手段進行測定。近年來，卓越周期概念的矛盾性被越來越多的人知曉，有逐漸淡化的趨勢。本文探討卓越周期概念的定義、常用測定方法，并結合實例分析計算各測定方法的數值。
關鍵詞：卓越周期；抗震；巖土工程；勘察
1概述
地震造成的破壞是地震力通過場地土實現的，因此確定場地土的動力特征和地震動參數至關重要?？梢苑从硤龅赝恋卣饎恿μ匦缘膮涤校旱卣饎臃逯导铀俣?、地基承載力、剪切波速、卓越周期、特征周期等。巖土工程勘察中卓越周期是最常用的參數之一。
日本學者金井清在20世紀30年代提出，即使在不同地震中，同一地點的地震動卓越周期也是一定的。進一步研究發現同一場地的卓越周期并不總是一定的，而且當地基是雙層或多層時，卓越周期不唯一。金井清所著《工程地震學》指出，卓越周期還隨震中距、震級等因素而變化。我國的研究較晚，1964年抗震建筑設計規范將卓越周期T確定為判斷場地類別的參考指標之一，并進行了大量測試工作，以滿足重大工程抗震設計中場地烈度的需要。近現代關于卓越周期的比較明確的定義有：《工程抗震術語標準》定義為：隨機振動過程中出現概率最多的周期，這反映了地震特性及場地特性?？拐鹪O計中研究的是地震波通過場地時的反應，它是震源、傳播途徑和工程場地的相互作用，用來分析結構在地震作用中的響應?！豆こ痰刭|手冊》描述為：地震波在土層中傳播時，經過不同性質界面的多次反射，將出現不同周期的地震波。若某一周期的地震波與地表土層固有周期相近時，由于共振的作用，這種地震波的振幅將得到放大，此周期稱為卓越周期。《巖土工程手冊》的描述為地表土層對不同周期的地震波有選擇放大作用，致使在地震記錄圖上某些周期的波形特別多而好，也顯得卓越，這個周期稱為卓越周期。場地卓越周期是地面運動的重要特征量，它與覆蓋土層的厚度、構成、物理力學性質以及場地的背景振動等有密切關系。由上可知，卓越周期是地震波在場地地層中傳播產生的，它與場地自身特性有關，也受地震波類型的影響。它不止是場地的固有特性，也反映了該處場地在地震中的振動特性。
3測定方法及比較
3.1測定方法
測定場地卓越周期T的方法有三種:a.當場地內有強震記錄時，通過Fourier頻譜分析確定地震動卓越周期，稱之為記錄卓越周期[4]，以Tr表示。b.應用高靈敏度波速儀進行常時微動測量，將所得記錄進行Fourier變換，得到卓越周期，有時為了簡便，也通過繪制地脈動記錄的震動-周期曲線來確定卓越周期。稱為測試卓越周期[4]，以Tm表示。c.根據場地分層剪切波速測試結果按公式(1)計算之，稱為波速卓越周期[4]，以Tv表示
3.2方法比較
前兩種計算方法均基于Fourier頻譜分析理論，而頻譜分析結果具有多樣性：a.Tr是場地條件和震源特性共同作用的體現，它來源于該工區的地震記錄，因此真實地反映了工區在地震時場地的運動周期。但這是一種近似，確切的說，它計算的是地震時工區測試點的周期，這對附近區域的平均化。如果工區地質條件及地形地貌變化復雜，很顯然，Tr確定場地卓越周期就是錯的。所以，我們不僅要獲得原始地震記錄，還應知曉地震臺站或測點在該場地的空間分布情況，地質條件復雜地區不宜用Tr確定場地卓越周期。b.場地常時微動卓越周期，即測試卓越周期Tm，可以較好的擬合場地卓越周期。然而，測試卓越周期僅是反映場地土層在地脈動時場地震的特性，場地卓越周期T不僅與場地本身有關，還與地震波的類型有關。Tm并不含有真實地震動時的信息，所以，Tm同樣是對工區卓越周期的一種近似值，它是測試場地在常時微動下的振動特性對真實地震動下振動特性的近似。c.上式（1）中波速卓越周期Tv的計算是日本學者金井清按多重反射理論獲得的。他通過在日本多地進行調查，研究各地地震震級與卓越周期之間的關系，得出：當震級在某一數值之上，對于該場地來說，地震動的卓越周期幾乎是固定的，即Tv。此式的前提是場地地基土層均勻且平行。總體來說，當工程場地范圍內能夠獲得強震記錄，且場地的地層結構及地形地貌變化不劇烈時，抗震設計參數應優先選用Tr，其次可選用Tm；如果有強震記錄，但該場地地形及地質情況較為復雜時，應優先選用Tm；由于式（1）是一近似公式，故應盡量避免選用波速卓越周期Tv。在工程實踐中，適宜的強震記錄是比較少的，而且各場地地層結構及地形地貌變化復雜，不單一，常時微動的測試簡潔方便，所以工程中應用較廣。（表1）
4工程實例分析
山東省菏澤市成武縣一處舊村改造項目，項目位于黃河沖積平原，地形平坦，地質構造單一，地層基本呈層狀分布。該場地內主要地層為：①素填土；②粉質粘土；③粉土；④粉砂。
4.1記錄卓越周期
Tr在山東省地震局官網檢索到一條成武縣地震記錄，發震時刻：2008-07-20-01:41、經度115.941°緯度34.994°，震級2.38。由上而下分別為垂向、東西向、南北向的站臺響應信號。利用MATLAB軟件對該數據進行傅里葉變換，處理后得到三條不同方向的頻譜曲線?？芍鋵臉O值周期值分別為0.312s、0.448s、0.327s。取其平均可得Tr=0.282s。
4.2測試卓越周期
Tm在場地挖約50cm淺坑，清除表層浮土、平整坑底、壓實。東西、南北和垂向三個方向各安置一個檢波器，然后進行數據采集。資料處理得到三個方向的頻譜圖，進而可知測試點的平均卓越頻率分別為0.23、0.199、0.259；根據T=1/f，計算出各測試點的卓越周期，得到該場地的測試卓越周期Tm=0.231s。
4.3波速卓越周期
Tv在該場地用同一儀器進行波速測井，根據式（1）可得，波速卓越周期Tv=0.554s?？偟膩砜?，本工程實例三種方法測試結果差異較大。
5結論
現行規范對抗震設計中得場地周期的界定一直以來都沒有統一結論?！督ㄖ拐鹪O計規范》中采用的是“特征周期Tg”，而對“卓越周期T”只是一筆帶過，沒有具體描述。特征周期Tg影響因素很多，它只是根據工程應用的需要，計算出的預測值，主要用來進行設計地震分組。但規范中對于特征周期的取值、測試過程等沒有提及。新的《建筑抗震設計規范》及有關的背景材料都不再提及“卓越周期”，近幾年公開發表的有關論文及著作也鮮有“卓越周期”的描述。筆者認為,利用場地卓越周期可以劃分場地土類型,預測地震動峰值加速度值也是可行的，但需要在規范中進行統一。
參考文獻
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[2]工程地質手冊3版[S].北京:中國建筑工業出版社，1992.
[3]巖土工程手冊[S].北京:中國建筑工業出版社，1994.
[4]高廣運.劉奮勇.場地卓越周期的討論與測定[J].工程勘察，2000（5）:29-31.
[5]金井清.常寶琦.張虎男.譯.工程地震學[M].北京:地震出版社，1987.
作者:代方園 單位:山東省地礦工程勘察院
