地脉动台阵方法的有效性分析

第25卷第8期岩石力学与工程学报V ol.25 No.8 2006年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2006地脉动台阵方法的有效性分析师黎静1，陶夏新2，赵纪生1(1. 中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨 150080；2. 哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150090)摘要：通过在一工程场地进行的地脉动台阵观测和速度结构反演，从地脉动观测系统、面波频散曲线的提取和反演方法等关键环节探讨反演浅层速度结构的可能性。

研究结果表明：(1) 用空间自相关法提取瑞利波频散曲线，进而借助基于遗传算法的混合智能算法反演的场地浅部剪切波速度结构与钻孔法测试结果的平均相对误差在20%左右。

(2) 覆盖层平均波速的结果计算与频率–波数法的分析结果几乎完全相同，但频率–波数法对上部20 m土层只得到一平均波速。

(3) 方法精度与目前国际同类研究——表面波谱分析方法的精度基本相当。

在岩土工程和地震工程领域，波速结构测试最直接的目的是评价场地土层的动力性能。

进一步从对地震地表反应影响的角度，用一维土层的等效线性化方法分析地脉动台阵方法的有效性。

分析结果表明，使用地脉动反演波速结构模型的误差远小于仅用覆盖层平均等效波速的单层模型对地表反应谱影响。

仅用一平均等效波速进行抗震设计是不够的，探测浅层速度结构是非常必要的，地脉动台阵方法有潜力作为探测场地浅部剪切波速度结构的一种有效手段。

关键词：地震工程；剪切波速结构；浅部；地脉动；台阵观测；场地反应中图分类号：P 315；TU 435 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)08–1683–08 V ALIDATION OF MICROTREMORS ARRAY METHODSHI Lijing1，TAO Xiaxin2，ZHAO Jisheng1(1. Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin，Heilongjiang 150080，China；2. Harbin Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang 150090，China)Abstract：By the microtremors array observation and velocity structure inversion in the field of an engineering project，the accuracy of microtremors array methods(MAM) for exploring the detailed shallow velocity structure is studied with observation system，dispersion curve extraction and inversion methods. The shallow S-wave velocity structure is inversed by the hybrid method of genetic algorithm(GA) and simplex algorithm(SA) from the surface wave dispersion curve，which is inferred by the spatial auto-correlation method(SAC) from microtremors array records. The studies show that the relative average error of each layer is about 20% compared with that detected by borehole method. The average velocity obtained by SAC method and frequency wave-number method(F-K) is almost the same. However，F-K method only gives an average velocity for the upper 20-meter layer. The accuracy is compared with that of spectral analysis of surface wave(SASW) method. In the fields of geotechnical engineering and earthquake engineering，the direct goal of velocity structure exploration is site dynamic characterization. From the viewpoint of site seismic responses，the accuracy of MAM is further validated by 1D equivalent linearized analysis. The analytical results show that the difference between the response spectra from inversed velocity structure and that measured in borehole is really acceptable，whereas that for the simplified single layer model with the average velocity is quite large. The study suggests that it is not a good idea in seismic收稿日期：2005–04–25；修回日期：2005–07–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50378032)；地震科学联合基金资助项目(604034)作者简介：师黎静(1976–)，男，1998年毕业于兰州大学水文地质与工程地质专业，现为博士研究生、副研究员，主要从事岩土工程和防灾减灾工程方面的研究工作。

E-mail：shljiem@·1684·岩石力学与工程学报 2006年design to characterize site condition only by the average velocity；and the MAM has the potential to be an effective method for the shallow velocity structure exploration.Key words：earthquake engineering；S-wave velocity structure；shallow layer；microtremors；array observation；site response1 引言场地土质条件对地震动和震害分布有重要影响，这已得到地震工程界的广泛认可。

从波传播的角度看，场地的动力特性主要取决于土层的厚度、阻抗vρ(ρ为密度，v为波速)和土性组合等。

土层剪切波速度随深度的变化，即场地细部剪切波速度结构，间接地反映覆盖层的刚度、阻抗比、土性组合和波传播特性是场地动力性能评价、土工地震反应分析和定量估计场地条件影响的必不可少的基础性资料[1～7]。

然而，在研究和应用中场地细部剪切波速度结构常被平均等效剪切波速所替代。

一些学者[6]从实用的角度出发提出利用覆盖层等效剪切波速求解场地传递函数的简化方法。

在《建筑抗震设计规范》(GB50011–2001)中也是规定以土层平均等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准划分建筑场地的类别，进而确定建筑结构的地震影响系数的。

在计算机技术飞速发展的今天，无论是一维土层的传递函数还是土层反应分析的计算效率都大大提高，这种替代带来的简便是微不足道的。

这种替代主要是考虑到利用钻孔法测试详细波速结构的费用较高，很多情况下缺少实际测试资料。

解决该问题的根本途径应该是研究开发更方便、更经济及对环境影响更小的场地剪切波速测试方法。

地脉动研究提供这样一种新的波速测试途径。

自20世纪80年代以来，用长周期(＞1 s)地脉动的台阵观测等方法反演场地剪切波速度结构取得突破性的进展。

在世界各地，尤其是日本该方法得到非常广泛的应用，并在13届世界地震工程会议(2004)上专门为此设立一讨论专题。

十几年来，研究人员利用长周期地脉动台阵观测先后成功推算美国和日本等地一些工程场地直到地下数公里深的深层剪切波速度结构。

仅日本就在近500个场地得到应用，作为日本各大盆地速度结构的主要探测手段[4～11]。

长周期地脉动主要由自然因素引起，更稳定些；而短周期地脉动多由人类活动因素引起，随机性大，成分比较复杂。

虽然地脉动的有效频率高达10 Hz以上，但由于短周期地脉动的高随机性，对观测环境、观测系统和分析方法近乎苛刻的要求，各国研究者长期以来仅限于长周期地脉动研究。

大多数研究给出的表层土厚度都在数十米，对工程结构最感兴趣的浅部土层(一般20～30 m)只能给出一平均波速，无法满足实际工程勘察的需要。

长周期地脉动与深部土层结构有关，短周期地脉动则与浅部土层结构有密切关系。

若可以利用地脉动信号中的高频成分来推断一二百米乃至百米以内的土层波速，则会为岩土工程勘察提供一种新的途径，具有很大的实用意义。

短周期地脉动应用的可能性成为迫切需要研究和回答的问题。

本文依据厦门一工程场地[12]的地脉动台阵观测竖向记录数据，从测试系统、台阵设计、面波频散曲线的提取和反演方法等关键环节探讨探测浅层速度结构的可能性。

通过与钻孔法测试结果及频率–波数结果的直接比较和对比，分析地脉动台阵方法的精度；通过场地土层地震地表反应的计算，从评价场地动力性能的角度深入研究地脉动台阵方法的精度是否满足地震工程领域的需求，同时也考察用覆盖层平均等效剪切波速代替细部剪切波速度结构对评价场地土层动力性能的影响。

2 地脉动观测和分析2.1地脉动台阵观测本文与日本东京工业大学有关研究人员在福建厦门市一工程场地进行地脉动台阵联合观测，观测场地覆盖层主要由杂填土和残积土组成，厚度24.0～32.5 m，一般认为下伏强风化花岗岩即为基岩。

2.1.1 观测系统地脉动台阵方法研究是基于现场测试基础上的，首先研究观测仪器、观测系统对浅层速度结构反演结果的影响。