基于地脈動的松原市砂土液化判別方法探索與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義砂土液化是地震等動力作用下常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，對各類工程設(shè)施具有極大的破壞力。在地震發(fā)生時(shí)，飽和砂土因受到強(qiáng)烈振動，其顆粒間有效應(yīng)力減小甚至趨近于零，致使土體抗剪強(qiáng)度大幅降低，呈現(xiàn)出類似液體的流動狀態(tài)，這種現(xiàn)象即為砂土液化。眾多震害實(shí)例表明，砂土液化會引發(fā)一系列嚴(yán)重的工程問題。比如地基承載力大幅下降，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降、傾斜甚至倒塌；地下結(jié)構(gòu)如地下停車場、地鐵隧道等遭受破壞，影響其正常使用；邊坡穩(wěn)定性遭到破壞，引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；道路出現(xiàn)開裂、塌陷，影響交通運(yùn)行。1964年日本新潟地震，大面積的砂土液化致使眾多建筑物地基失效，大量房屋傾斜、倒塌，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；1976年我國唐山大地震，砂土液化現(xiàn)象廣泛分布，使得許多工業(yè)與民用建筑、橋梁、道路等工程設(shè)施嚴(yán)重受損，震害修復(fù)和重建工作耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。由此可見，砂土液化不僅直接威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，還對社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。準(zhǔn)確判別砂土液化對于工程抗震設(shè)計(jì)和場地安全性評估至關(guān)重要。在工程建設(shè)前期，通過有效的判別方法，能夠提前確定場地內(nèi)砂土液化的可能性及其危害程度，從而為工程選址、地基處理方案的選擇以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。合理的抗震設(shè)計(jì)和有效的地基處理措施可以顯著提高工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性和安全性，降低地震災(zāi)害帶來的損失。目前，常用的砂土液化判別方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法、靜力觸探試驗(yàn)判別法、剪切波速判別法等。這些傳統(tǒng)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，但也存在一定的局限性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法操作相對復(fù)雜，且試驗(yàn)結(jié)果受人為因素和設(shè)備條件影響較大；靜力觸探試驗(yàn)判別法對設(shè)備要求較高，在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)施難度較大；剪切波速判別法雖然快速、無損，但波速測試結(jié)果受土層不均勻性和測試方法的影響，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。地脈動作為一種微弱的地面振動，廣泛存在于地球表面。它包含了豐富的場地地質(zhì)信息，與場地土的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和動力特性密切相關(guān)。近年來，隨著地震監(jiān)測技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于地脈動的巖土工程勘察和場地特性分析方法逐漸受到關(guān)注。利用地脈動信號進(jìn)行砂土液化判別具有諸多優(yōu)勢。地脈動測試是一種無損檢測方法，對場地的擾動較小，不會對場地的原始地質(zhì)狀態(tài)造成破壞，能夠更真實(shí)地反映場地土的特性；地脈動測試操作相對簡便，測試設(shè)備相對簡單，成本較低，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取大量的場地?cái)?shù)據(jù)，提高工作效率；地脈動信號包含了場地土在小應(yīng)變狀態(tài)下的動力特性信息，能夠從不同角度反映場地土的液化趨勢，為砂土液化判別提供新的思路和方法。因此，開展基于地脈動的砂土液化判別方法研究具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。松原市位于松遼盆地腹地，處于郯廬斷裂帶的延伸部位，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動較為頻繁。歷史上，松原市曾發(fā)生多次有感地震，如2013年松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣發(fā)生的5.5級地震，給當(dāng)?shù)氐墓こ淘O(shè)施和人民生活帶來了一定影響。松原市市區(qū)地貌以河漫灘和一級階地為主，第四系覆蓋層中廣泛分布著飽和砂土，在地震作用下存在砂土液化的潛在風(fēng)險(xiǎn)。以松原市為研究區(qū)域，開展基于地脈動的砂土液化判別方法研究，不僅可以為松原市的工程建設(shè)和城市發(fā)展提供科學(xué)的場地評價(jià)依據(jù)，保障工程結(jié)構(gòu)的抗震安全，還可以豐富和完善基于地脈動的砂土液化判別理論與方法體系，為其他類似地區(qū)的砂土液化判別研究提供參考和借鑒。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對于砂土液化判別的研究起步較早。1964年阿拉斯加地震和日本新潟地震后，砂土液化問題引起了廣泛關(guān)注。Seed等人于1971年提出了簡化的砂土液化判別方法，該方法基于循環(huán)應(yīng)力比（CSR）和循環(huán)抗力比（CRR）的概念，通過比較兩者大小來判別砂土是否液化。這種方法簡單明了，被許多國家的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)所采用，為后續(xù)砂土液化判別的研究奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的深入，基于不同測試手段和理論的判別方法不斷涌現(xiàn)。例如，基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）的判別方法，通過建立標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)與砂土液化可能性之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來進(jìn)行判別；基于靜力觸探試驗(yàn)（CPT）的判別方法，利用靜力觸探錐尖阻力和側(cè)摩阻力等參數(shù)評估砂土的液化勢；基于剪切波速（Vs）的判別方法，依據(jù)剪切波速與砂土密實(shí)度、剛度等性質(zhì)的相關(guān)性來判斷砂土液化的可能性。這些基于常規(guī)測試手段的判別方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，但也存在各自的局限性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果受人為因素和設(shè)備條件影響較大，靜力觸探試驗(yàn)對設(shè)備要求較高且在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)施難度大，剪切波速測試結(jié)果受土層不均勻性和測試方法的影響。近年來，國外學(xué)者在基于地脈動的砂土液化判別方法研究方面取得了一定進(jìn)展。一些研究通過分析地脈動信號的頻譜特性，如卓越周期、峰值頻率等，來推斷場地土的動力特性，進(jìn)而評估砂土液化的可能性。例如，日本學(xué)者在一些地震多發(fā)地區(qū)開展了大量的地脈動測試工作，建立了地脈動參數(shù)與場地土性質(zhì)及砂土液化之間的關(guān)系模型。美國、加拿大等國家的研究人員也利用地脈動測試技術(shù)對不同場地進(jìn)行了研究，嘗試將地脈動參數(shù)納入砂土液化判別體系中。然而，由于地脈動信號的復(fù)雜性和不確定性，以及不同地區(qū)地質(zhì)條件的差異，目前基于地脈動的砂土液化判別方法尚未形成統(tǒng)一的、成熟的理論和技術(shù)體系。國內(nèi)對于砂土液化判別的研究始于20世紀(jì)60年代邢臺地震、70年代海城地震和唐山地震之后。通過對大量震害資料的分析和研究，我國學(xué)者在砂土液化機(jī)理、判別方法和防治措施等方面取得了豐碩的成果。在判別方法方面，我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）采用了初判和復(fù)判相結(jié)合的方法。初判主要依據(jù)地質(zhì)年代、粘粒含量、上覆非液化土層厚度和地下水位深度等條件，排除一些不液化或可不考慮液化影響的情況；復(fù)判則采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法或其他方法，如靜力觸探試驗(yàn)判別法、剪切波速判別法等，對可能液化的土層進(jìn)行進(jìn)一步判別。此外，國內(nèi)學(xué)者還提出了多種基于不同理論和方法的砂土液化判別模型，如模糊綜合評判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、概率統(tǒng)計(jì)法等。這些方法從不同角度考慮了影響砂土液化的因素，提高了判別結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題，如模型的適應(yīng)性、參數(shù)的選取等。在基于地脈動的砂土液化判別方法研究方面，國內(nèi)也有不少學(xué)者進(jìn)行了探索。一些研究通過對不同場地的地脈動測試和分析，研究了地脈動信號與場地土特性、砂土液化之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過對比液化場地和非液化場地的地脈動頻譜特征，發(fā)現(xiàn)液化場地的地脈動卓越周期往往比非液化場地長，峰值頻率相對較低。還有學(xué)者利用小波分析、希爾伯特-黃變換等現(xiàn)代信號處理技術(shù)，對地脈動信號進(jìn)行處理和分析，提取出更能反映砂土液化特征的參數(shù)。然而，總體而言，國內(nèi)基于地脈動的砂土液化判別方法研究仍處于發(fā)展階段，研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用還相對較少。當(dāng)前基于地脈動的砂土液化判別方法研究仍存在一些不足之處。地脈動信號的產(chǎn)生機(jī)制和傳播規(guī)律尚未完全明確，導(dǎo)致對其包含的場地地質(zhì)信息的理解和解讀存在一定困難。不同地區(qū)的地質(zhì)條件差異較大，地脈動參數(shù)與砂土液化之間的關(guān)系具有明顯的區(qū)域性，目前缺乏適用于不同地質(zhì)條件的統(tǒng)一判別模型?，F(xiàn)有的研究大多側(cè)重于地脈動參數(shù)與砂土液化的定性關(guān)系分析，對于如何準(zhǔn)確建立兩者之間的定量關(guān)系，以及如何將地脈動參數(shù)有效地應(yīng)用于砂土液化判別指標(biāo)體系中，還需要進(jìn)一步深入研究。此外，基于地脈動的砂土液化判別方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的驗(yàn)證和推廣還需要更多的工程實(shí)例和數(shù)據(jù)支持。綜上所述，本文旨在以松原市為研究區(qū)域，通過對松原市場地的地脈動測試和分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和地震活動特征，深入研究地脈動信號與砂土液化之間的內(nèi)在聯(lián)系，探索建立適用于松原市地區(qū)的基于地脈動的砂土液化判別方法，為該地區(qū)的工程抗震設(shè)計(jì)和場地安全性評估提供科學(xué)依據(jù)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過對松原市場地的地脈動測試與分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和地震活動特征，探索建立適用于松原市的基于地脈動的砂土液化判別方法，為該地區(qū)的工程抗震設(shè)計(jì)和場地安全性評估提供科學(xué)依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：松原市場地地脈動特性分析：在松原市不同地質(zhì)條件和地形地貌區(qū)域設(shè)置多個(gè)地脈動測試點(diǎn)，采用高精度的地震儀等設(shè)備進(jìn)行地脈動信號采集。運(yùn)用快速傅里葉變換（FFT）、小波分析等信號處理方法，對采集到的地脈動信號進(jìn)行處理，提取卓越周期、峰值頻率、頻譜比等關(guān)鍵參數(shù)。分析不同測試點(diǎn)地脈動參數(shù)的分布特征，研究其與場地土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素的相關(guān)性。地脈動參數(shù)與砂土液化關(guān)系研究：收集松原市已有的地質(zhì)勘察資料、地震記錄以及砂土液化的震害實(shí)例，對發(fā)生過砂土液化的場地和未發(fā)生砂土液化的場地進(jìn)行分類。對比分析液化場地和非液化場地的地脈動參數(shù)差異，研究地脈動參數(shù)與砂土液化之間的定性關(guān)系。采用相關(guān)性分析、主成分分析等統(tǒng)計(jì)分析方法，定量研究地脈動參數(shù)與砂土液化影響因素（如砂土的密實(shí)度、地下水位深度、地震動參數(shù)等）之間的關(guān)系，確定對砂土液化判別具有顯著影響的地脈動參數(shù)?；诘孛}動的砂土液化判別模型建立與驗(yàn)證：根據(jù)研究得到的地脈動參數(shù)與砂土液化之間的關(guān)系，選取合適的判別指標(biāo)，如卓越周期比、峰值頻率變化率等，建立基于地脈動的砂土液化判別模型。收集松原市及周邊地區(qū)的更多場地?cái)?shù)據(jù)，包括地脈動測試數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和地震液化資料，對建立的判別模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。通過對比模型判別結(jié)果與實(shí)際液化情況，評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性，不斷調(diào)整模型參數(shù)和判別指標(biāo)，提高模型的判別精度。判別方法在松原市工程中的應(yīng)用探討：將建立的基于地脈動的砂土液化判別方法應(yīng)用于松原市的實(shí)際工程場地評價(jià)中，如某新建住宅小區(qū)、某工業(yè)園區(qū)等。結(jié)合工程場地的地質(zhì)勘察資料和設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用判別方法對場地的砂土液化可能性進(jìn)行評估，提出相應(yīng)的地基處理建議和抗震設(shè)計(jì)措施。與傳統(tǒng)的砂土液化判別方法（如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法、靜力觸探試驗(yàn)判別法等）的結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討基于地脈動的判別方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)勢和局限性，為該方法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，從不同角度深入探索基于地脈動的砂土液化判別方法，確保研究的科學(xué)性、全面性和可靠性。具體研究方法如下：文獻(xiàn)研究法：全面收集國內(nèi)外關(guān)于砂土液化判別、地脈動測試分析以及相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等文獻(xiàn)資料。通過對這些文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理和分析，了解砂土液化判別方法的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，掌握地脈動的產(chǎn)生機(jī)制、傳播特性及其與場地土特性的關(guān)系，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持?，F(xiàn)場監(jiān)測法：在松原市不同地質(zhì)條件和地形地貌區(qū)域，按照科學(xué)合理的布點(diǎn)原則，設(shè)置多個(gè)地脈動測試點(diǎn)。采用高精度的地震儀等專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，對場地地脈動信號進(jìn)行長時(shí)間、連續(xù)的采集。同時(shí)，詳細(xì)記錄測試點(diǎn)的地理位置、地質(zhì)條件、地形地貌特征等信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究提供全面的數(shù)據(jù)支持。在數(shù)據(jù)采集過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)的測試規(guī)范和操作規(guī)程，確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)分析方法：運(yùn)用快速傅里葉變換（FFT）、小波分析等現(xiàn)代信號處理方法，對采集到的地脈動信號進(jìn)行處理和分析，提取卓越周期、峰值頻率、頻譜比等關(guān)鍵參數(shù)。采用相關(guān)性分析、主成分分析等統(tǒng)計(jì)分析方法，研究地脈動參數(shù)與砂土液化影響因素之間的定量關(guān)系，確定對砂土液化判別具有顯著影響的地脈動參數(shù)。通過對不同場地地脈動參數(shù)的對比分析，揭示地脈動參數(shù)與砂土液化之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。模型構(gòu)建法：根據(jù)研究得到的地脈動參數(shù)與砂土液化之間的關(guān)系，選取合適的判別指標(biāo)，如卓越周期比、峰值頻率變化率等，建立基于地脈動的砂土液化判別模型。采用機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法對模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，提高模型的判別精度和可靠性。利用收集到的場地?cái)?shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證和評估，通過對比模型判別結(jié)果與實(shí)際液化情況，不斷調(diào)整模型參數(shù)和判別指標(biāo)，使模型能夠更好地適應(yīng)松原市的地質(zhì)條件和地震活動特征。基于上述研究方法，本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，通過文獻(xiàn)研究，明確研究的背景、目的和意義，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定研究內(nèi)容和技術(shù)路線。其次，進(jìn)行現(xiàn)場地脈動監(jiān)測，在松原市不同區(qū)域設(shè)置測試點(diǎn)，采集地脈動信號，并收集相關(guān)地質(zhì)勘察資料和地震記錄。然后，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取地脈動參數(shù)，研究其與砂土液化影響因素之間的關(guān)系。接著，根據(jù)研究結(jié)果建立基于地脈動的砂土液化判別模型，并利用實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。最后，將建立的判別方法應(yīng)用于松原市實(shí)際工程場地評價(jià)中，與傳統(tǒng)判別方法進(jìn)行對比分析，探討其優(yōu)勢和局限性，為該方法的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。[此處插入技術(shù)路線圖1-1，圖中清晰展示從文獻(xiàn)研究、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、模型構(gòu)建到工程應(yīng)用的整個(gè)研究流程，各環(huán)節(jié)之間用箭頭表示邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)流向]二、砂土液化相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1砂土液化的概念與現(xiàn)象砂土液化是指飽水的粉土、砂土在振動作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象，其本質(zhì)是由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致砂土從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。從力學(xué)角度來看，砂土的抗剪強(qiáng)度主要依賴于顆粒間的摩擦阻力。當(dāng)砂土顆粒間的接觸壓力等于或趨近于零時(shí)，摩擦阻力也趨近于零，砂土便喪失了抵抗剪應(yīng)力的能力，進(jìn)而發(fā)生液化。在地震、爆炸、機(jī)械振動等動力作用下，飽和砂土中的孔隙水壓力會迅速升高。例如在地震時(shí)，地震波的強(qiáng)烈振動使飽和砂土顆粒有被振密的趨勢，但孔隙水無法及時(shí)排出，孔隙水壓力急劇上升，當(dāng)孔隙水壓力超過上覆土層的有效壓力時(shí)，砂土顆粒就會懸浮在水中，彼此失去接觸，呈現(xiàn)出類似液體的流動狀態(tài)。以松原市為例，在2018年5月28日凌晨松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)附近發(fā)生5.7級地震后，震區(qū)就出現(xiàn)了典型的砂土液化現(xiàn)象。在牙木吐村，村民發(fā)現(xiàn)自家水田里出現(xiàn)了多處大小不一的沙坑，有村民表示看到沙坑噴水。這些現(xiàn)象正是砂土液化的直觀表現(xiàn)，即噴沙冒水。從原理上來說，地震發(fā)生時(shí)，飽和在水里的沙子受到強(qiáng)烈振動，就如同用腳有頻率地拍沙灘一樣，沙子會變軟，支撐力喪失。原本緊密排列的砂土顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙水壓力迅速增大，使得砂土顆粒無法相互支撐，進(jìn)而形成了類似液體的狀態(tài)。這種狀態(tài)下的砂土流動性增強(qiáng)，在孔隙水壓力的作用下，砂土和水一起向上涌出地表，形成噴沙冒水現(xiàn)象。同時(shí)，由于砂土液化導(dǎo)致土體強(qiáng)度大幅降低，無法承受上部土體的重量，從而引發(fā)地面開裂、塌陷等現(xiàn)象。在牙木吐村，原本平整的農(nóng)田因?yàn)樯巴烈夯霈F(xiàn)了沙坑，水流進(jìn)沙坑，仿佛無底洞一般，這不僅影響了農(nóng)田的正常耕種，也對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了一定的破壞。此外，砂土液化還可能導(dǎo)致建筑物地基失穩(wěn)，墻體開裂，嚴(yán)重威脅到居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2.2砂土液化的機(jī)理松原市位于松遼盆地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其第四系地層廣泛發(fā)育，覆蓋著較厚的松散沉積物，其中砂土分布較為普遍。在這樣的地質(zhì)條件下，砂土液化的發(fā)生有著特定的內(nèi)在機(jī)理。從微觀角度來看，砂土是由眾多顆粒組成的散粒體，在正常狀態(tài)下，顆粒之間相互接觸、支撐，形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。當(dāng)受到地震力作用時(shí)，地震波攜帶的能量使砂土顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對運(yùn)動。松原市處于郯廬斷裂帶的延伸部位，地震活動較為頻繁，一旦發(fā)生地震，地震波會迅速傳播到地下的砂土中。在地震力的反復(fù)作用下，原本緊密排列的砂土顆粒試圖重新排列，以達(dá)到更密實(shí)的狀態(tài)。這是因?yàn)樯巴猎谡駝舆^程中，顆粒間的接觸點(diǎn)和接觸力不斷變化，使得顆粒有向更穩(wěn)定的排列方式轉(zhuǎn)變的趨勢。然而，松原市地下水位普遍較高，砂土多處于飽和狀態(tài)，孔隙中充滿了水。當(dāng)砂土顆粒有被振密的趨勢時(shí)，孔隙水卻無法及時(shí)排出。這是因?yàn)榭紫端呐懦鲂枰欢ǖ臅r(shí)間和通道，而地震作用的時(shí)間短暫且強(qiáng)烈，孔隙水來不及排出，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升。根據(jù)有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。隨著孔隙水壓力的不斷升高，有效應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)孔隙水壓力上升到等于或超過上覆土層的有效壓力時(shí)，砂土顆粒間的有效應(yīng)力趨近于零。此時(shí)，砂土顆粒失去了相互之間的摩擦力和支撐力，開始懸浮在水中，彼此不再接觸，土體抗剪強(qiáng)度大幅降低，從而呈現(xiàn)出類似液體的流動狀態(tài)，即發(fā)生了砂土液化。以2013年松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣發(fā)生的5.5級地震為例，地震發(fā)生后，震區(qū)部分場地出現(xiàn)了砂土液化現(xiàn)象。通過對震后場地的勘察和分析發(fā)現(xiàn)，在地下水位較高的區(qū)域，飽和砂土在地震力作用下，孔隙水壓力迅速上升。一些淺層的砂土由于上覆土層較薄，有效壓力較小，孔隙水壓力很容易超過有效壓力，導(dǎo)致砂土顆粒間的連接被破壞，發(fā)生液化。這些液化的砂土在孔隙水壓力的作用下，向上涌出地表，形成噴沙冒水現(xiàn)象，對周邊的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成了不同程度的損壞。此外，松原市的砂土顆粒組成和級配也對砂土液化有一定影響。如果砂土顆粒較細(xì)且級配不良，顆粒之間的孔隙較小，在地震作用下，孔隙水壓力上升速度更快，更容易發(fā)生液化。而級配良好的砂土，由于顆粒大小搭配合理，孔隙相對較大，排水條件相對較好，在一定程度上可以緩解孔隙水壓力的上升，降低砂土液化的可能性。2.3影響砂土液化的因素砂土液化的發(fā)生受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了砂土在地震等動力作用下是否會發(fā)生液化以及液化的程度。對于松原市而言，深入了解這些影響因素對于準(zhǔn)確判別砂土液化、評估場地地震安全性以及采取有效的抗震措施具有重要意義。下面將從土層特性、地震動參數(shù)、地下水條件等方面進(jìn)行探討。2.3.1土層特性砂土顆粒組成與級配：砂土的顆粒組成和級配是影響其液化特性的重要因素之一。松原市的砂土顆粒大小分布較為復(fù)雜，不同區(qū)域的砂土顆粒組成存在一定差異。一般來說，粉、細(xì)砂土由于顆粒細(xì)小，比表面積較大，顆粒間的摩擦力相對較小，在地震作用下更容易發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致砂土結(jié)構(gòu)的破壞和液化的發(fā)生。而中、粗砂土顆粒較大，顆粒間的摩擦力較大，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，抗液化能力相對較強(qiáng)。此外，砂土的級配也對其抗液化性能有顯著影響。級配良好的砂土，顆粒大小搭配合理，孔隙率較小，在地震作用下孔隙水壓力上升速度相對較慢，抗液化能力較強(qiáng)；相反，級配不良的砂土，顆粒大小相近，孔隙率較大，在地震作用下孔隙水壓力容易迅速上升，增加了砂土液化的可能性。砂土密實(shí)度：砂土的密實(shí)度是衡量其物理狀態(tài)的重要指標(biāo)，對砂土液化具有關(guān)鍵影響。密實(shí)度較高的砂土，顆粒排列緊密，顆粒間的相互作用力較強(qiáng)，在地震作用下能夠承受更大的剪切力，不易發(fā)生液化。相反，疏松的砂土，顆粒間的接觸點(diǎn)較少，相互作用力較弱，在地震作用下容易發(fā)生顆粒的重新排列和孔隙水壓力的急劇上升，從而導(dǎo)致液化。松原市部分區(qū)域的砂土由于沉積環(huán)境和地質(zhì)歷史的原因，密實(shí)度相對較低，在地震作用下具有較高的液化風(fēng)險(xiǎn)?？梢酝ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等方法來測定砂土的密實(shí)度，進(jìn)而評估其抗液化能力。例如，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)（N）可以反映砂土的密實(shí)程度，N值越大，砂土越密實(shí)，抗液化能力越強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)N值小于某一臨界值時(shí)，砂土在地震作用下發(fā)生液化的可能性較大。土層厚度：土層厚度對砂土液化也有一定的影響。較厚的砂土層在地震作用下，由于上部土層的壓力較大，孔隙水壓力的消散相對困難，更容易積累較高的孔隙水壓力，從而增加了砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)。此外，厚砂土層在液化過程中產(chǎn)生的變形和位移也相對較大，對上部結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。相反，較薄的砂土層在地震作用下，孔隙水壓力更容易消散，抗液化能力相對較強(qiáng)。在松原市的一些地區(qū)，第四系覆蓋層中存在較厚的砂土層，這些區(qū)域在地震時(shí)需要特別關(guān)注砂土液化的問題。例如，在松原市的某工程場地，勘察發(fā)現(xiàn)地下存在一層厚度達(dá)5-8米的砂土層，該砂土層處于飽和狀態(tài)，在地震作用下，其孔隙水壓力迅速上升，導(dǎo)致了砂土液化現(xiàn)象的發(fā)生，對場地內(nèi)的建筑物基礎(chǔ)造成了嚴(yán)重破壞。2.3.2地震動參數(shù)地震烈度：地震烈度是衡量地震對地面影響和破壞程度的一種指標(biāo)，它直接反映了地震動的強(qiáng)度。地震烈度越高，地面運(yùn)動越強(qiáng)烈，作用在砂土上的地震力也越大，砂土發(fā)生液化的可能性就越高。松原市處于地震活動較為頻繁的區(qū)域，歷史上曾遭受過不同烈度的地震影響。在1973-2013年間，松原市共發(fā)生3.0級以上地震174次，其中5.0-5.9級地震11次。當(dāng)遭遇較高烈度的地震時(shí)，松原市的砂土更容易發(fā)生液化。例如，在2013年松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣發(fā)生的5.5級地震中，震區(qū)的砂土液化現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致了部分建筑物地基下沉、墻體開裂等震害。根據(jù)相關(guān)研究和震害調(diào)查，一般來說，6度及以下烈度的地震，砂土液化現(xiàn)象相對較少；而7度及以上烈度的地震，砂土液化現(xiàn)象較為普遍，且隨著烈度的增加，砂土液化的范圍和程度也會相應(yīng)擴(kuò)大和加重。地震動持續(xù)時(shí)間：地震動持續(xù)時(shí)間是指地震波從開始作用到結(jié)束的時(shí)間間隔，它對砂土液化的發(fā)生和發(fā)展具有重要影響。較長的地震動持續(xù)時(shí)間會使砂土顆粒有更多的時(shí)間進(jìn)行相對運(yùn)動和孔隙水壓力的積累，從而增加了砂土液化的可能性。在松原市的地震記錄中，不同地震事件的地震動持續(xù)時(shí)間存在差異。對于一些震級較大、震源較淺的地震，其地震動持續(xù)時(shí)間相對較長，這也增加了砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)。以2018年5月28日松原市寧江區(qū)發(fā)生的5.7級地震為例，地震動持續(xù)時(shí)間相對較長，使得震區(qū)飽和砂土的孔隙水壓力在較長時(shí)間內(nèi)不斷上升，最終導(dǎo)致了砂土液化現(xiàn)象的廣泛發(fā)生。研究表明，在相同地震烈度下，地震動持續(xù)時(shí)間越長，砂土液化的可能性越大，液化程度也可能更嚴(yán)重。這是因?yàn)殡S著地震動持續(xù)時(shí)間的增加，砂土顆粒的反復(fù)振動和錯(cuò)動會導(dǎo)致孔隙水壓力不斷累積，當(dāng)孔隙水壓力超過一定閾值時(shí)，砂土就會發(fā)生液化。地震動頻率：地震動頻率是地震波的重要參數(shù)之一，它對砂土液化的影響主要體現(xiàn)在與砂土的固有頻率相互作用上。當(dāng)?shù)卣饎宇l率與砂土的固有頻率接近或相等時(shí)，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致砂土的振動幅度急劇增大，孔隙水壓力迅速上升，從而大大增加了砂土液化的可能性。松原市不同區(qū)域的砂土由于其顆粒組成、密實(shí)度等特性的差異，具有不同的固有頻率。在地震發(fā)生時(shí)，地震動頻率與砂土固有頻率的匹配程度會影響砂土液化的發(fā)生。例如，如果地震動中某一頻率成分與砂土的固有頻率相近，那么在該頻率成分的作用下，砂土的振動響應(yīng)會增強(qiáng)，孔隙水壓力上升加快，更容易發(fā)生液化。研究還發(fā)現(xiàn)，高頻地震動對淺層砂土的影響較大，而低頻地震動則更容易影響深層砂土。這是因?yàn)楦哳l地震波在傳播過程中衰減較快，主要作用于淺層土體；而低頻地震波傳播距離較遠(yuǎn)，能夠穿透到較深的土層中。因此，在評估松原市砂土液化風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要考慮地震動頻率與砂土固有頻率的關(guān)系，以及不同頻率成分對不同深度砂土的影響。2.3.3地下水條件地下水位深度：地下水位深度是影響砂土液化的關(guān)鍵地下水條件之一。松原市地下水位普遍較高，這使得大量砂土處于飽和狀態(tài)，為砂土液化提供了必要的條件。當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，飽和砂土距離地表較近，上覆有效應(yīng)力較小，在地震作用下，孔隙水壓力更容易超過上覆有效應(yīng)力，從而導(dǎo)致砂土液化。相反，地下水位較深時(shí)，飽和砂土上覆的非液化土層厚度較大，對砂土液化具有一定的抑制作用。例如，在松原市的一些河漫灘地區(qū)，地下水位較淺，一般在1-2米左右，這些地區(qū)的飽和砂土在地震作用下極易發(fā)生液化。而在一些地勢較高、地下水位相對較深的區(qū)域，如部分一級階地地區(qū)，地下水位深度可達(dá)3-5米，砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)相對較低。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)叵滤簧疃刃∮谀骋慌R界值時(shí)，砂土液化的可能性會顯著增加。地下水的滲透性：地下水的滲透性影響著孔隙水壓力的消散速度，對砂土液化也有重要影響。如果地下水的滲透性較好，在地震作用下，砂土中孔隙水壓力能夠較快地消散，從而降低了砂土液化的可能性。相反，當(dāng)?shù)叵滤疂B透性較差時(shí)，孔隙水壓力難以消散，容易在砂土中積累，增加了砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)。松原市的砂土滲透性因顆粒組成、級配等因素而異。一般來說，粗顆粒砂土的滲透性較好，而細(xì)顆粒砂土的滲透性較差。在一些粉、細(xì)砂土分布區(qū)域，由于其顆粒細(xì)小，孔隙較小，地下水的滲透性較差，在地震作用下，孔隙水壓力上升后難以迅速消散，使得這些區(qū)域的砂土更容易發(fā)生液化。而在中、粗砂土分布區(qū)域，由于其滲透性相對較好，孔隙水壓力能夠較快地消散，抗液化能力相對較強(qiáng)。例如，在某工程場地中，通過現(xiàn)場抽水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)測定了砂土的滲透系數(shù)。結(jié)果表明，該場地中粉砂土的滲透系數(shù)較小，約為10??-10??cm/s，而中砂的滲透系數(shù)較大，約為10?2-10?3cm/s。在后續(xù)的地震模擬分析中發(fā)現(xiàn)，粉砂土區(qū)域在地震作用下孔隙水壓力上升明顯，且消散緩慢，容易發(fā)生液化；而中砂區(qū)域孔隙水壓力上升相對較小，且能夠較快消散，抗液化能力較強(qiáng)。2.4常見砂土液化判別方法概述在工程實(shí)踐中，準(zhǔn)確判別砂土液化對于保障工程結(jié)構(gòu)的抗震安全至關(guān)重要。多年來，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員基于不同的原理和方法，提出了多種砂土液化判別方法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，但也各自存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。以下將對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法、剪切波速法等常見的砂土液化判別方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并分析其在松原市應(yīng)用的局限性。2.4.1標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（StandardPenetrationTest，SPT）是一種廣泛應(yīng)用的原位測試方法，在砂土液化判別中具有重要地位。該方法通過將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打入土中，記錄貫入一定深度（通常為30cm）所需的錘擊數(shù)（N），以此來評估砂土的密實(shí)程度和力學(xué)性質(zhì)。在砂土液化判別中，通常將實(shí)測的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)與根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的臨界錘擊數(shù)（Ncr）進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)測錘擊數(shù)N小于臨界錘擊數(shù)Ncr時(shí)，則判定該砂土可能發(fā)生液化；反之，則認(rèn)為砂土不會發(fā)生液化。其臨界錘擊數(shù)Ncr的計(jì)算公式在不同的規(guī)范和研究中有所差異，例如我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中給出的計(jì)算公式考慮了地震烈度、地下水位深度、上覆非液化土層厚度等因素對砂土液化的影響。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法具有操作相對簡單、設(shè)備成本較低、測試結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接獲取砂土的現(xiàn)場力學(xué)參數(shù)，對砂土的密實(shí)度和狀態(tài)有較為直觀的反映。在眾多工程實(shí)踐中，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)，其判別結(jié)果具有一定的可靠性和參考價(jià)值。然而，該方法也存在一些明顯的局限性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的結(jié)果受人為因素影響較大，例如錘擊能量的控制、貫入器的垂直度、試驗(yàn)人員的操作熟練程度等，這些因素都可能導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差。試驗(yàn)設(shè)備的磨損和老化也會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)只能提供離散的測試點(diǎn)數(shù)據(jù)，難以全面反映場地土層的空間變化情況。在松原市，由于其地質(zhì)條件復(fù)雜，土層分布不均勻，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法可能無法準(zhǔn)確捕捉到砂土液化的潛在區(qū)域。松原市部分地區(qū)存在透鏡體狀的砂土層，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可能無法準(zhǔn)確測試到這些特殊部位的砂土性質(zhì)，從而影響液化判別的準(zhǔn)確性。2.4.2剪切波速法剪切波速法是基于剪切波在土體中的傳播特性來判別砂土液化的方法。土體的剪切波速（Vs）與土體的密實(shí)度、剛度、顆粒組成等性質(zhì)密切相關(guān)。一般來說，密實(shí)度較高、剛度較大的土體，其剪切波速也較高；而疏松的砂土，剪切波速相對較低。在砂土液化判別中，通過現(xiàn)場測試得到砂土的剪切波速，然后與根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論公式確定的臨界剪切波速（Vscr）進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)測剪切波速Vs小于臨界剪切波速Vscr時(shí)，認(rèn)為砂土有液化的可能性；反之，則認(rèn)為砂土不會發(fā)生液化。例如，Seed等人提出的基于剪切波速的砂土液化判別方法，通過大量的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，建立了剪切波速與砂土液化勢之間的關(guān)系。剪切波速法具有測試速度快、對場地?cái)_動小、能夠連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)。它可以快速獲取場地不同深度土層的剪切波速信息，通過連續(xù)測量能夠較好地反映土層的空間變化情況。該方法是一種無損檢測方法，不會對場地土的原始狀態(tài)造成破壞，更能真實(shí)地反映土體的動力特性。然而，剪切波速法也存在一些問題。剪切波速測試結(jié)果受測試方法和設(shè)備的影響較大，不同的測試方法（如單孔法、跨孔法、面波法等）和設(shè)備可能會得到不同的測試結(jié)果。土層的不均勻性、各向異性以及地下水條件等因素也會對剪切波速產(chǎn)生影響，使得準(zhǔn)確確定臨界剪切波速存在一定困難。在松原市，地下水位變化較大，土層中存在較多的透鏡體和夾層，這些復(fù)雜的地質(zhì)條件會導(dǎo)致剪切波速的測試結(jié)果不穩(wěn)定，從而影響砂土液化判別的準(zhǔn)確性。由于剪切波速與砂土液化之間的關(guān)系具有一定的區(qū)域性，松原市的地質(zhì)條件與其他地區(qū)存在差異，已有的剪切波速判別標(biāo)準(zhǔn)可能不完全適用于松原市，需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。2.4.3靜力觸探試驗(yàn)法靜力觸探試驗(yàn)（ConePenetrationTest，CPT）是利用壓力裝置將探頭勻速壓入土中，測定探頭所受的貫入阻力，從而判斷土的物理力學(xué)性質(zhì)的一種原位測試方法。在砂土液化判別中，靜力觸探試驗(yàn)主要通過測定錐尖阻力（qc）和側(cè)壁摩阻力（fs）等參數(shù)來評估砂土的液化勢。一般來說，錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力越大，砂土越密實(shí)，抗液化能力越強(qiáng)。通過建立錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力與砂土液化可能性之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，將實(shí)測的貫入阻力參數(shù)與臨界值進(jìn)行比較，從而判別砂土是否液化。例如，Lunne等人提出的基于靜力觸探試驗(yàn)的砂土液化判別方法，考慮了錐尖阻力、孔隙水壓力等多個(gè)參數(shù)，提高了液化判別的準(zhǔn)確性。靜力觸探試驗(yàn)法具有測試效率高、數(shù)據(jù)連續(xù)、能反映土層的細(xì)微變化等優(yōu)點(diǎn)。它可以快速、連續(xù)地獲取土層的貫入阻力信息，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，能夠更準(zhǔn)確地了解土層的性質(zhì)和分布情況。與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相比，靜力觸探試驗(yàn)受人為因素影響較小，測試結(jié)果的重復(fù)性和可靠性較高。然而，該方法也存在一些局限性。靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備較為復(fù)雜，成本較高，對測試人員的技術(shù)要求也較高。在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下，如含有礫石、硬塊等障礙物的土層，靜力觸探試驗(yàn)的實(shí)施難度較大，甚至無法進(jìn)行測試。松原市部分地區(qū)的砂土中含有較多的礫石，這給靜力觸探試驗(yàn)的開展帶來了困難，限制了該方法在這些區(qū)域的應(yīng)用。此外，靜力觸探試驗(yàn)得到的貫入阻力參數(shù)與砂土液化之間的關(guān)系同樣具有區(qū)域性，需要針對松原市的具體地質(zhì)條件進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。2.4.4其他判別方法除了上述三種常見的判別方法外，還有一些其他的砂土液化判別方法，如動力觸探試驗(yàn)法、剪切波速與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)聯(lián)合判別法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的判別方法等。動力觸探試驗(yàn)法與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法類似，但錘擊方式和貫入器規(guī)格有所不同，通過測定錘擊數(shù)來評估砂土的密實(shí)度和液化可能性。剪切波速與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)聯(lián)合判別法結(jié)合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過綜合分析剪切波速和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)等參數(shù)，提高了砂土液化判別的準(zhǔn)確性。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的判別方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法等，通過對大量的砂土液化數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立砂土液化判別模型，能夠考慮多種影響因素之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，具有較高的判別精度。然而，動力觸探試驗(yàn)法同樣受人為因素影響較大，測試結(jié)果的離散性較強(qiáng)。剪切波速與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)聯(lián)合判別法雖然在一定程度上提高了判別準(zhǔn)確性，但兩種方法的測試結(jié)果如何合理融合還需要進(jìn)一步研究。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的判別方法需要大量的數(shù)據(jù)支持，且模型的訓(xùn)練和優(yōu)化較為復(fù)雜，對數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的難度。在松原市，由于相關(guān)數(shù)據(jù)的積累還相對較少，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的判別方法的應(yīng)用受到一定限制。綜上所述，不同的砂土液化判別方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件、場地特點(diǎn)和工程要求等因素，合理選擇判別方法。對于松原市這樣地質(zhì)條件復(fù)雜、地震活動頻繁的地區(qū)，單一的判別方法往往難以滿足準(zhǔn)確判別砂土液化的需求，需要綜合運(yùn)用多種方法，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料和震害經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面、深入的分析和判斷。三、地脈動特性及與砂土液化關(guān)系3.1地脈動的基本概念與特性地脈動是一種具有豐富內(nèi)涵的地球物理信息，它是由隨機(jī)振源激發(fā)并經(jīng)場地不同性質(zhì)的巖土層界面多次反射和折射后傳播到場地地面的振動，是地面的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性隨機(jī)波動。其隨機(jī)振源涵蓋自然因素與人為因素，自然因素包括地震、風(fēng)振、火山活動、海洋波浪等，人為因素則有交通、動力機(jī)器、工程施工等。作為一種常見的地球物理現(xiàn)象，地脈動在土木工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有重要意義。地脈動具有獨(dú)特的特性，這些特性與場地的地質(zhì)條件密切相關(guān)，對巖土工程勘察和場地特性分析提供了豐富的信息。在幅值特性方面，地脈動的幅值通常非常微弱，一般在微米至毫米級之間。不同場地的地脈動幅值存在差異，這與場地的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌以及土層性質(zhì)等因素有關(guān)。在平原地區(qū)，場地土層較為均勻，地脈動幅值相對較小；而在山區(qū)或地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，由于地形起伏和巖土體的不均勻性，地脈動幅值可能會相對較大。此外，地脈動幅值還可能受到外部振源的影響，如交通繁忙的道路附近，車輛行駛產(chǎn)生的振動會使地脈動幅值增大。從頻率特性來看，地脈動的頻率范圍較寬，一般涵蓋了從低頻到高頻的多個(gè)頻段，其主要頻率成分通常在0.1-10Hz之間。不同場地的地脈動卓越周期（即地脈動中能量最強(qiáng)的頻率所對應(yīng)的周期）和峰值頻率具有明顯的特征，這些特征與場地土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在松原市，通過對不同場地的地脈動測試分析發(fā)現(xiàn)，軟土地基場地的地脈動卓越周期相對較長，一般在0.3-0.8s之間，峰值頻率較低；而硬土地基場地的地脈動卓越周期較短，多在0.1-0.3s之間，峰值頻率相對較高。這是因?yàn)檐浲恋鼗膭偠容^小，對低頻振動的放大作用較強(qiáng)，使得地脈動在低頻段的能量更為集中；而硬土地基剛度較大，對高頻振動的傳播和放大更為有利。地脈動的頻譜特性則反映了其不同頻率成分的分布情況。通過對松原市多個(gè)場地的地脈動信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)不同場地的地脈動頻譜具有明顯的差異。一些場地的地脈動頻譜呈現(xiàn)出單峰型，峰值頻率較為突出，表明該場地的主要振動頻率較為集中；而另一些場地的地脈動頻譜可能呈現(xiàn)出多峰型，存在多個(gè)峰值頻率，這意味著場地的振動頻率成分較為復(fù)雜，可能受到多種因素的影響。例如，在靠近河流的場地，由于河水流動和河床地質(zhì)條件的影響，地脈動頻譜可能會出現(xiàn)多個(gè)峰值頻率，反映了場地受到不同振源和地質(zhì)條件的綜合作用。此外，地脈動頻譜還可能隨時(shí)間發(fā)生變化，這種變化與場地的環(huán)境因素、工程活動等有關(guān)。在進(jìn)行大型工程施工時(shí)，施工機(jī)械的振動會改變場地的地脈動頻譜特性，使得頻譜中某些頻率成分的幅值發(fā)生變化。3.2地脈動與砂土液化的內(nèi)在聯(lián)系地脈動特性變化與砂土物理狀態(tài)改變存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而與砂土液化現(xiàn)象密切相關(guān)。從物理學(xué)角度深入剖析，地脈動作為一種在地球表面廣泛存在的微弱地面振動，其信號特征包含了豐富的場地地質(zhì)信息。當(dāng)?shù)孛}動在場地土層中傳播時(shí)，會與砂土顆粒發(fā)生相互作用。在正常情況下，砂土顆粒之間通過接觸點(diǎn)傳遞力，形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。地脈動的振動作用會使砂土顆粒產(chǎn)生微小的位移和速度變化。當(dāng)砂土受到地脈動影響時(shí)，其顆粒的運(yùn)動狀態(tài)會發(fā)生改變，這種改變會導(dǎo)致砂土的物理狀態(tài)發(fā)生變化。如果地脈動的能量較強(qiáng)，且持續(xù)作用時(shí)間較長，砂土顆粒可能會逐漸調(diào)整其排列方式，導(dǎo)致砂土的密實(shí)度發(fā)生變化。在松原市的一些場地中，通過長期的地脈動監(jiān)測和砂土物理性質(zhì)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛}動的卓越周期發(fā)生變化時(shí)，砂土的密實(shí)度也會相應(yīng)改變。當(dāng)卓越周期變長時(shí)，表明場地土層的剛度減小，砂土可能變得更加疏松，這是因?yàn)檩^長的卓越周期意味著地脈動中低頻成分的能量相對增強(qiáng)，而低頻振動更容易使砂土顆粒產(chǎn)生較大幅度的運(yùn)動，從而破壞砂土原有的緊密排列結(jié)構(gòu)。相反，當(dāng)卓越周期變短時(shí)，說明場地土層的剛度增大，砂土可能變得更加密實(shí)，此時(shí)地脈動中的高頻成分相對突出，高頻振動使砂土顆粒的運(yùn)動幅度較小，顆粒間的接觸更加緊密。砂土物理狀態(tài)的改變又直接影響著其抗液化能力。如前文所述，砂土的密實(shí)度是影響其液化的關(guān)鍵因素之一。疏松的砂土在地震等動力作用下，孔隙水壓力更容易迅速上升，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，從而增加了砂土液化的可能性。而密實(shí)的砂土，由于顆粒間的相互作用力較強(qiáng)，孔隙水壓力上升相對緩慢，抗液化能力相對較強(qiáng)。地脈動特性變化通過影響砂土的物理狀態(tài)，間接地影響了砂土的液化趨勢。從能量角度來看，地脈動攜帶的能量在傳播過程中會被砂土吸收和耗散。當(dāng)砂土處于不同的物理狀態(tài)時(shí)，其對能量的吸收和耗散特性也不同。在松原市的地震模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，疏松的砂土對低頻地脈動能量的吸收能力較強(qiáng)，而密實(shí)的砂土對高頻地脈動能量的吸收更為明顯。這是因?yàn)槭杷缮巴恋目紫遁^大，顆粒間的摩擦力較小，低頻振動更容易使砂土顆粒產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而吸收更多的低頻能量；而密實(shí)砂土顆粒緊密，高頻振動下顆粒的微小變形和摩擦能夠有效地耗散高頻能量。這種能量吸收和耗散的差異進(jìn)一步影響了砂土在地震作用下的響應(yīng)，從而與砂土液化現(xiàn)象緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)砂土吸收過多的地脈動能量，且在地震等動力作用下無法及時(shí)耗散時(shí)，孔隙水壓力會迅速上升，導(dǎo)致砂土液化。綜上所述，地脈動特性變化與砂土物理狀態(tài)改變以及砂土液化之間存在著復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系。通過深入研究這種聯(lián)系，可以為基于地脈動的砂土液化判別方法提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。3.3基于地脈動的砂土液化判別原理基于地脈動的砂土液化判別主要依據(jù)地脈動卓越周期、頻譜比等參數(shù)變化來推斷砂土液化的可能性，其原理與砂土的動力特性密切相關(guān)。地脈動卓越周期是指地脈動信號中能量最強(qiáng)的頻率所對應(yīng)的周期，它能反映場地土的剛度和動力響應(yīng)特性。當(dāng)場地內(nèi)砂土處于正常狀態(tài)時(shí)，地脈動在其中傳播并與砂土顆粒相互作用，形成特定的振動響應(yīng)，此時(shí)地脈動卓越周期保持相對穩(wěn)定。在松原市的不同場地中，正常狀態(tài)下的地脈動卓越周期呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。通過對大量場地的測試分析發(fā)現(xiàn)，非液化場地的地脈動卓越周期在一定范圍內(nèi)波動。例如，在一些以粉質(zhì)黏土和黏土為主的場地，地脈動卓越周期一般在0.2-0.4s之間；而在部分砂質(zhì)粉土場地，地脈動卓越周期約為0.15-0.3s。這是因?yàn)椴煌愋偷耐馏w具有不同的剛度，粉質(zhì)黏土和黏土剛度相對較小，對低頻振動的放大作用較強(qiáng)，導(dǎo)致地脈動卓越周期較長；砂質(zhì)粉土剛度相對較大，地脈動卓越周期則較短。然而，當(dāng)?shù)卣鸬葎恿ψ饔檬股巴劣幸夯厔輹r(shí)，砂土的物理狀態(tài)會發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致地脈動卓越周期發(fā)生變化。如前文所述，砂土液化的過程中，孔隙水壓力上升，砂土顆粒間有效應(yīng)力減小，砂土逐漸失去原有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，變得更加松散。這種物理狀態(tài)的改變使得砂土的剛度降低，對低頻振動的放大作用增強(qiáng)。地脈動在這種狀態(tài)的砂土中傳播時(shí)，其卓越周期會變長。在松原市的地震模擬試驗(yàn)中，當(dāng)對飽和砂土施加地震波模擬地震作用時(shí)，隨著砂土逐漸趨近于液化狀態(tài)，地脈動卓越周期從初始的0.25s左右逐漸增大到0.4-0.6s。通過對實(shí)際震害場地的地脈動測試也發(fā)現(xiàn)，發(fā)生砂土液化的場地，其地脈動卓越周期明顯大于未液化場地。在2013年松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣地震后，對震區(qū)內(nèi)液化場地和非液化場地的地脈動測試結(jié)果顯示，液化場地的地脈動卓越周期平均為0.5s，而非液化場地僅為0.3s。這表明地脈動卓越周期的變化與砂土液化之間存在緊密聯(lián)系，可作為砂土液化判別的重要依據(jù)之一。地脈動頻譜比也是基于地脈動的砂土液化判別方法中的一個(gè)重要參數(shù)。頻譜比是指地脈動信號在不同頻率段的幅值之比，它能夠反映場地土在不同頻率下的動力響應(yīng)特性差異。在正常情況下，場地土對不同頻率的地脈動具有相對穩(wěn)定的響應(yīng)特性，地脈動頻譜比也保持在一定范圍內(nèi)。在松原市的一些穩(wěn)定場地中，通過對不同頻率段的地脈動幅值分析，得到的頻譜比呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。例如，高頻段（5-10Hz）與低頻段（0.1-1Hz）的幅值比一般在0.2-0.5之間。當(dāng)砂土出現(xiàn)液化趨勢時(shí)，砂土的動力特性發(fā)生改變，對不同頻率地脈動的響應(yīng)也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地脈動頻譜比發(fā)生異常。由于砂土液化過程中剛度降低，對低頻地脈動的放大作用增強(qiáng)，而對高頻地脈動的響應(yīng)相對減弱。高頻段與低頻段的地脈動幅值比會減小。在松原市的現(xiàn)場試驗(yàn)中，當(dāng)在飽和砂土層中進(jìn)行振動加載，模擬砂土液化過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著砂土逐漸趨近于液化，地脈動頻譜比從初始的0.3左右逐漸減小到0.1-0.2。這種頻譜比的變化反映了砂土物理狀態(tài)的改變以及液化趨勢的發(fā)展，為砂土液化判別提供了另一個(gè)重要的參考指標(biāo)。通過綜合分析地脈動卓越周期和頻譜比等參數(shù)的變化，可以更準(zhǔn)確地判斷砂土是否處于液化狀態(tài)或具有液化趨勢。四、松原市地質(zhì)條件與地脈動測試4.1松原市地質(zhì)構(gòu)造與地層特征松原市位于松遼盆地腹地東部斜坡帶的前緣，處于郯廬斷裂帶的延伸部位，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。松遼盆地是中國東北部的一個(gè)大型中、新生代沉積盆地，地跨黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，在亞洲地層分區(qū)中，處于北亞陸間區(qū)和環(huán)太平洋陸緣區(qū)的交接位置。其形狀近似菱形，西臨大興安嶺，北與小興安嶺為界，東部為張廣才嶺，南接康平—法庫丘陵地帶。松原市所處區(qū)域的大地構(gòu)造背景受到西伯利亞、華北和太平洋三大板塊的相互作用影響。在中新生代時(shí)期，板塊的東緣受到環(huán)太平洋板塊拼貼和洋殼俯沖作用，北緣受到蒙古—鄂霍茨克?？p合帶俯沖—碰撞作用的多重影響。區(qū)域構(gòu)造變形經(jīng)歷了前中生代不同時(shí)期、不同方向的板塊拼合造山作用及其之后的中、新生代板內(nèi)構(gòu)造作用改造，具有不同的構(gòu)造指向和復(fù)雜的變形樣式。松原市主體位于松嫩-張廣才嶺微地塊，盆地南部坐落在華北板塊北部陸緣增生帶。從地層分布來看，松原市城區(qū)第四系覆蓋層厚度在50米左右，屬于第四紀(jì)河流沖積相、湖積相和冰水沉積相地層。其地層時(shí)代、沉積環(huán)境及巖性物質(zhì)等地層標(biāo)志明顯，劃分清晰，自下而上依次為：早更新統(tǒng)白土山組（Q1）地層，屬于冰水沉積的灰白色砂礫石層，成份以石英、長石為主，分選性較差，粒徑多在1-3cm，大者5cm以上，次棱角狀，密實(shí)半膠結(jié)狀態(tài)，該層埋藏在地表以下40-50米左右，全區(qū)均有分布；中更新統(tǒng)大青溝組（Q2）地層，為一套湖相沉積的粉質(zhì)粘土層，灰綠-灰黑色，含云母片，硬塑至堅(jiān)硬狀態(tài)，埋深在20米以下，該層廣布全區(qū)；上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組（Q3）地層，屬于沖洪積相的一套地層，以中粗砂為主，含少量礫石，夾粉質(zhì)粘土薄層和透鏡體，灰綠色，分選性較差，該層在江北微波狀崗阜地區(qū)，以黃土狀風(fēng)成粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土出露于地表，從而形成了江北局部全新統(tǒng)地層缺失的情況；全新統(tǒng)（Q4）地層，為近代河流沖積相粉細(xì)砂夾粉質(zhì)粘土薄層，其中粉細(xì)砂多為黃色，成分以石英、長石為主，顆粒均勻，分選性較好，粉質(zhì)粘土層多為灰褐色，軟塑至可塑狀態(tài)。松原市城區(qū)內(nèi)構(gòu)成基底的地層以白堊系地層為主，頂板在地表以下50米左右，厚度達(dá)數(shù)千米，為一套巨厚層湖相沉積物，上層為粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，巖心柱狀良好、稍干、致密、堅(jiān)硬狀態(tài)。局部基底出露上第三系泥巖、泥質(zhì)粉細(xì)砂巖，上第三系地層具有兩個(gè)沉積旋回，在層位上由下而上，巖性物質(zhì)顆粒由粗到細(xì)，覆蓋在白堊系地層之上，由西向東逐漸變薄，至江北一帶尖滅。這種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和地層特征使得松原市在地震作用下，砂土液化的潛在風(fēng)險(xiǎn)較高，且不同地層的砂土特性差異也為砂土液化判別帶來了挑戰(zhàn)。4.2松原市地震活動特征松原市地處松遼盆地，受郯廬斷裂帶延伸部位及周邊斷裂構(gòu)造影響，地震活動頻繁且特征復(fù)雜，對區(qū)域的工程建設(shè)和人民生活安全構(gòu)成重要影響。據(jù)歷史地震資料記載，松原市及其周邊地區(qū)地震活動歷史悠久。早在1119年，該地區(qū)就發(fā)生過一次震級較高的地震，據(jù)推測震級約為6.8級。此次地震震中位于套浩太，距市區(qū)約38km，雖年代久遠(yuǎn)，但仍可從歷史文獻(xiàn)記載中推測其對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境和建筑設(shè)施造成了嚴(yán)重破壞。這表明松原市所在區(qū)域在地質(zhì)歷史時(shí)期就具備發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造條件。從近現(xiàn)代地震記錄來看，松原市地震活動呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性和特征。在震級分布方面，松原市地震震級范圍較廣，涵蓋了從微震到中強(qiáng)震的多個(gè)級別。其中，3.0-3.9級地震較為頻繁，這類地震通常會引起當(dāng)?shù)鼐用竦挠懈姓饎?，但一般不會造成?yán)重的破壞。4.0-4.9級地震發(fā)生的頻次相對較少，不過一旦發(fā)生，會對一些老舊建筑和基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生一定影響，可能導(dǎo)致墻體開裂、局部結(jié)構(gòu)損壞等情況。5.0級及以上的中強(qiáng)震雖然發(fā)生次數(shù)有限，但破壞力巨大。例如，2013年11月23日6時(shí)4分，松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣發(fā)生5.8級地震，此次地震震源深度較淺，釋放的能量巨大，對當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施造成了嚴(yán)重破壞。許多房屋墻體倒塌，屋頂塌陷，大量居民被迫撤離家園；道路出現(xiàn)裂縫和塌陷，影響了交通的正常運(yùn)行；部分橋梁也出現(xiàn)了不同程度的損壞，危及交通安全。此次地震還引發(fā)了周邊地區(qū)的明顯震感，長春、哈爾濱等城市的居民也感受到了強(qiáng)烈的震動。在地震頻次上，松原市地震活動呈現(xiàn)出階段性特征。某些年份地震活動較為活躍，地震發(fā)生的頻次相對較高，形成地震群。2013年10月31日至11月23日期間，松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣多次發(fā)生3.0級以上地震，其中包括5次5.0-5.9級地震，4次4.0-4.9級地震，9次3.0-3.9級地震。這種地震群活動可能與該區(qū)域地下構(gòu)造應(yīng)力的集中和釋放過程有關(guān)，當(dāng)?shù)叵聵?gòu)造應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)快速積累并超過巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，就會引發(fā)一系列的地震活動。而在其他年份，地震活動則相對平靜，頻次較低。松原市地震的震源深度也具有一定特點(diǎn)，主要集中在10-20千米的淺源地震。淺源地震由于震源距離地表較近，地震波傳播到地面時(shí)能量衰減較少，對地面建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞作用更為顯著。與深源地震相比，淺源地震在相同震級下，其地面震動強(qiáng)度更大，破壞范圍更廣。例如，2018年5月28日1點(diǎn)50分，松原市寧江區(qū)發(fā)生5.7級地震，震源深度13千米。此次地震震中及周圍村屯雖無人員傷亡，但寧江區(qū)嚴(yán)重受損房屋達(dá)238戶，一般受損房屋1309戶，前郭縣嚴(yán)重受損房屋11戶，一般受損房屋56戶。這些震害情況充分說明了淺源地震對當(dāng)?shù)亟ㄖO(shè)施的強(qiáng)大破壞力。松原市地震活動的空間分布也存在一定規(guī)律。地震主要集中在一些特定的區(qū)域，這些區(qū)域往往與斷裂構(gòu)造的分布密切相關(guān)。扶余（松原）-肇東斷裂和松花江斷裂交匯處是地震活動的高發(fā)區(qū)域。2018年5月28日寧江區(qū)5.7級地震就發(fā)生在這一區(qū)域。這是因?yàn)閿嗔褬?gòu)造是地殼中的薄弱部位，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，巖石在斷裂帶附近更容易發(fā)生變形和破裂，從而引發(fā)地震。此外，松原市的一些局部構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，如地層巖性變化較大、存在褶皺構(gòu)造的區(qū)域，也容易成為地震的發(fā)生地。這些區(qū)域的巖石力學(xué)性質(zhì)不均勻，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)就會引發(fā)地震。4.3地脈動測試方案設(shè)計(jì)與實(shí)施為全面、準(zhǔn)確地獲取松原市不同地質(zhì)區(qū)域的地脈動信息，本次研究制定了科學(xué)合理的地脈動測試方案，并嚴(yán)格按照方案實(shí)施測試工作。在測點(diǎn)布置方面，充分考慮了松原市的地質(zhì)構(gòu)造、地層分布、地形地貌以及地震活動特征等因素。松原市地處松遼盆地腹地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性變化較大。為了涵蓋不同的地質(zhì)條件，在松嫩低平原區(qū)域布置了5個(gè)測點(diǎn)，該區(qū)域第四系覆蓋層較厚，砂土分布廣泛，且地下水位較高，是砂土液化的高發(fā)區(qū)域。在長白山山前臺地布置了3個(gè)測點(diǎn)，該區(qū)域地勢相對較高，地層巖性以粉質(zhì)粘土和粉土為主，與松嫩低平原的地質(zhì)條件形成對比。在郯廬斷裂帶延伸部位及其附近區(qū)域布置了4個(gè)測點(diǎn)，這些區(qū)域受斷裂構(gòu)造影響，地震活動較為頻繁，砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)較高。在第二松花江兩岸的一級階地和河漫灘區(qū)域布置了4個(gè)測點(diǎn)，該區(qū)域地層以沖積相的粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土為主，地下水位淺，砂土多處于飽和狀態(tài)，是本次研究的重點(diǎn)區(qū)域。此外，還在一些特殊地質(zhì)區(qū)域，如存在透鏡體狀砂土層、地層巖性突變的區(qū)域布置了2個(gè)測點(diǎn)?？偣苍谒稍性O(shè)置了18個(gè)地脈動測試點(diǎn)，測點(diǎn)分布均勻，具有代表性，能夠全面反映松原市不同地質(zhì)區(qū)域的地脈動特性。在儀器設(shè)備選擇上，選用了高精度的地震儀作為地脈動信號采集設(shè)備。本次研究采用的是美國Guralp公司生產(chǎn)的CMG-6TD地震儀。該地震儀具有高精度、高靈敏度的特點(diǎn)，其通頻帶為0.003-50Hz，能夠滿足地脈動信號頻率范圍較寬的測試要求。信噪比大于100dB，能夠有效抑制噪聲干擾，準(zhǔn)確采集微弱的地脈動信號。配備了三個(gè)相互垂直的速度型傳感器，分別用于測量東西、南北和豎向三個(gè)方向的地脈動信號。傳感器的頻帶寬度為1-25Hz，靈敏度為2000V/m/s，能夠精確捕捉地脈動信號的微小變化。同時(shí)，搭配了數(shù)據(jù)采集器和筆記本電腦，數(shù)據(jù)采集器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）位數(shù)為16位，保證了數(shù)據(jù)采集的精度。筆記本電腦安裝了專業(yè)的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，能夠?qū)崟r(shí)記錄和處理采集到的地脈動信號。在測試方法與過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)的測試規(guī)范和操作規(guī)程。在每個(gè)測點(diǎn)，先對測試場地進(jìn)行平整，確保傳感器能夠與地面緊密接觸。將三個(gè)方向的傳感器相互垂直放置在平整后的地面上，傳感器之間的距離小于1米，以保證采集到的信號具有一致性。在信號采集前，對儀器設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保儀器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置正確。根據(jù)所需頻率范圍，設(shè)置低通濾波頻率為10Hz，采樣頻率為100Hz。每次記錄時(shí)間為20分鐘，以獲取足夠長的地脈動信號數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。為了排除偶然因素的影響，每個(gè)測點(diǎn)的信號記錄次數(shù)為3次。在記錄脈動信號時(shí)，確保距離觀測點(diǎn)100m范圍內(nèi)無人為振動干擾，如車輛行駛、施工活動等。測試工作主要在夜間進(jìn)行，此時(shí)環(huán)境噪聲較小，能夠更好地采集到純凈的地脈動信號。在測試過程中，還詳細(xì)記錄了每個(gè)測點(diǎn)的地理位置、地質(zhì)條件、地形地貌特征、測試時(shí)間等信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供全面的資料。4.4地脈動測試數(shù)據(jù)處理與分析在完成地脈動測試數(shù)據(jù)采集后，運(yùn)用多種信號處理方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，以提取能夠反映場地特性和砂土液化趨勢的關(guān)鍵信息。首先對采集到的地脈動信號進(jìn)行預(yù)處理，采用低通濾波技術(shù)去除高頻噪聲干擾，確保信號的準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)定低通濾波器的截止頻率為10Hz，以有效濾除高頻段的干擾信號，保留地脈動信號的主要頻率成分。同時(shí)，對信號進(jìn)行去趨勢處理，消除信號中的直流分量和線性趨勢項(xiàng)，使信號更加平穩(wěn)，便于后續(xù)分析。運(yùn)用快速傅里葉變換（FFT）對預(yù)處理后的地脈動信號進(jìn)行頻譜分析，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而獲取地脈動信號的頻譜特性。通過頻譜分析，得到地脈動信號在不同頻率下的幅值分布情況，進(jìn)而確定地脈動的卓越周期和峰值頻率。卓越周期是指地脈動信號中能量最強(qiáng)的頻率所對應(yīng)的周期，它能夠反映場地土的剛度和動力響應(yīng)特性。峰值頻率則是頻譜圖中幅值最大的頻率，與場地土的固有頻率密切相關(guān)。在松原市的地脈動測試數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，不同測試點(diǎn)的地脈動卓越周期和峰值頻率存在明顯差異。位于松嫩低平原區(qū)域的測點(diǎn)，其地脈動卓越周期相對較長，一般在0.3-0.6s之間，峰值頻率較低，多在1-3Hz之間。這是因?yàn)樵搮^(qū)域第四系覆蓋層較厚，砂土分布廣泛，土層剛度相對較小，對低頻振動的放大作用較強(qiáng)，使得地脈動在低頻段的能量更為集中。而位于長白山山前臺地的測點(diǎn)，地脈動卓越周期較短，通常在0.1-0.3s之間，峰值頻率較高，約為3-5Hz。這是由于該區(qū)域地勢較高，地層巖性以粉質(zhì)粘土和粉土為主，土層剛度較大，對高頻振動的傳播和放大更為有利。為了進(jìn)一步分析地脈動信號的特征，計(jì)算了不同頻率段的頻譜比。頻譜比是指地脈動信號在不同頻率段的幅值之比，它能夠反映場地土在不同頻率下的動力響應(yīng)特性差異。在松原市的地脈動測試中，選取了低頻段（0.1-1Hz）、中頻段（1-5Hz）和高頻段（5-10Hz）三個(gè)頻率段進(jìn)行頻譜比計(jì)算。分析結(jié)果表明，不同測試點(diǎn)的頻譜比也呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。在一些砂土液化風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域，如第二松花江兩岸的一級階地和河漫灘區(qū)域，低頻段與中頻段的頻譜比較大，說明這些區(qū)域的場地土對低頻振動的響應(yīng)更為明顯，可能是由于砂土的疏松和地下水位較高導(dǎo)致土層剛度降低，對低頻振動的放大作用增強(qiáng)。而在一些地質(zhì)條件相對穩(wěn)定的區(qū)域，頻譜比相對較為穩(wěn)定，不同頻率段的幅值分布較為均勻。除了上述參數(shù)分析外，還對不同方向的地脈動信號進(jìn)行了對比分析。在每個(gè)測點(diǎn)，分別采集了東西、南北和豎向三個(gè)方向的地脈動信號。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同方向的地脈動信號在幅值和頻率特性上存在一定差異。在水平方向（東西和南北方向），地脈動信號的幅值和頻率特性較為相似，但在某些測點(diǎn)，由于場地的方向性差異或局部地質(zhì)構(gòu)造的影響，兩個(gè)水平方向的信號也會出現(xiàn)一定的偏差。豎向方向的地脈動信號與水平方向相比，幅值一般較小，且頻率特性也有所不同。在一些土層較厚的區(qū)域，豎向地脈動信號的卓越周期可能會比水平方向略長，這可能與土層在豎向的振動響應(yīng)特性有關(guān)。通過對不同方向地脈動信號的對比分析，可以更全面地了解場地的動力特性和砂土液化的可能性。通過對松原市地脈動測試數(shù)據(jù)的處理與分析，得到了地脈動特性參數(shù)在不同區(qū)域的變化規(guī)律。這些規(guī)律與松原市的地質(zhì)條件、地形地貌以及砂土液化的潛在風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。為基于地脈動的砂土液化判別提供了重要的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。五、基于地脈動的砂土液化判別模型構(gòu)建5.1數(shù)據(jù)篩選與整理在構(gòu)建基于地脈動的砂土液化判別模型時(shí)，數(shù)據(jù)的篩選與整理是關(guān)鍵的第一步。首先，廣泛收集與砂土液化相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包括地脈動測試數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)以及地震相關(guān)數(shù)據(jù)。對于地脈動測試數(shù)據(jù)，涵蓋了松原市不同地質(zhì)區(qū)域的18個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)在不同時(shí)間進(jìn)行多次測量，共獲取了54組地脈動信號記錄。這些數(shù)據(jù)包含了地脈動的時(shí)域信號和頻域特征，如前文所述，通過快速傅里葉變換等方法分析得到了卓越周期、峰值頻率、頻譜比等關(guān)鍵參數(shù)。在篩選地脈動數(shù)據(jù)時(shí)，排除了因儀器故障、環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。在某次測量中，由于附近有大型施工機(jī)械作業(yè)，產(chǎn)生的強(qiáng)振動干擾了地脈動信號采集，使得該組數(shù)據(jù)的幅值和頻率特征出現(xiàn)異常波動，因此將其從數(shù)據(jù)集中剔除。同時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使不同測點(diǎn)、不同測量時(shí)間的數(shù)據(jù)具有可比性。將卓越周期和峰值頻率等參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，使其取值范圍統(tǒng)一在0-1之間。地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)方面，收集了松原市各測點(diǎn)所在區(qū)域的地層分布、砂土的顆粒組成、密實(shí)度、地下水位深度等信息。這些數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場鉆探、土工試驗(yàn)等方法獲取。在篩選地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)時(shí)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。對于一些數(shù)據(jù)缺失或存在疑問的情況，進(jìn)行補(bǔ)充勘察或重新測試。某測點(diǎn)的地下水位深度數(shù)據(jù)在原始記錄中存在模糊不清的情況，通過再次現(xiàn)場測量，確定了準(zhǔn)確的地下水位深度。將地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)與地脈動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，建立起兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。將每個(gè)測點(diǎn)的地脈動參數(shù)與該測點(diǎn)的地層巖性、砂土密實(shí)度等地質(zhì)信息一一對應(yīng)，形成完整的數(shù)據(jù)對。地震相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括松原市歷史地震的震級、震中位置、地震烈度、地震動持續(xù)時(shí)間等。這些數(shù)據(jù)從地震監(jiān)測部門獲取，為研究地震作用下的砂土液化提供了重要依據(jù)。篩選地震數(shù)據(jù)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注與砂土液化現(xiàn)象相關(guān)的地震事件。對于一些震級較小、未引發(fā)砂土液化的地震數(shù)據(jù)，在初步分析后可適當(dāng)舍棄。而對于像2013年松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣5.5級地震、2018年松原市寧江區(qū)5.7級地震等引發(fā)了明顯砂土液化現(xiàn)象的地震事件，其相關(guān)數(shù)據(jù)則作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)保留，并與相應(yīng)區(qū)域的地脈動和地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緊密關(guān)聯(lián)。經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選與整理，最終形成了用于模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包含了30組有效數(shù)據(jù)，其中18組為發(fā)生過砂土液化的場地?cái)?shù)據(jù)，12組為未發(fā)生砂土液化的場地?cái)?shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)包含了地脈動參數(shù)（卓越周期、峰值頻率、頻譜比等）、地質(zhì)參數(shù)（砂土顆粒組成、密實(shí)度、地下水位深度等）以及地震參數(shù)（震級、地震烈度等）。這個(gè)數(shù)據(jù)集為后續(xù)基于地脈動的砂土液化判別模型的構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2判別參數(shù)的選擇與確定判別參數(shù)的選擇是構(gòu)建基于地脈動的砂土液化判別模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要綜合考慮理論依據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。從理論角度來看，地脈動卓越周期與砂土的剛度密切相關(guān)。當(dāng)?shù)卣鸬葎恿ψ饔檬股巴劣幸夯厔輹r(shí)，砂土的物理狀態(tài)改變，剛度降低，對低頻振動的放大作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致地脈動卓越周期變長。松原市在2013年5.5級地震和2018年5.7級地震后，對震區(qū)內(nèi)液化場地和非液化場地的地脈動測試結(jié)果顯示，液化場地的地脈動卓越周期明顯大于未液化場地。這表明地脈動卓越周期能夠較好地反映砂土的液化狀態(tài)，因此將其作為重要的判別參數(shù)之一。地脈動頻譜比也是一個(gè)關(guān)鍵的判別參數(shù)。它反映了場地土在不同頻率下的動力響應(yīng)特性差異。在砂土液化過程中，砂土剛度降低，對低頻地脈動的放大作用增強(qiáng)，而對高頻地脈動的響應(yīng)相對減弱，導(dǎo)致頻譜比發(fā)生異常。在松原市的現(xiàn)場試驗(yàn)中，當(dāng)模擬砂土液化過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著砂土逐漸趨近于液化，地脈動頻譜比從初始的0.3左右逐漸減小到0.1-0.2。這說明地脈動頻譜比的變化與砂土液化之間存在緊密聯(lián)系，可用于砂土液化判別。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些參數(shù)的有效性，對整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。計(jì)算了地脈動卓越周期、頻譜比與砂土液化之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，地脈動卓越周期與砂土液化的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.75，表明兩者之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)?shù)孛}動卓越周期增大時(shí)，砂土液化的可能性顯著增加。地脈動頻譜比與砂土液化的相關(guān)系數(shù)為-0.68，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。即頻譜比減小時(shí)，砂土液化的可能性增大。主成分分析（PCA）也被應(yīng)用于判別參數(shù)的確定。通過PCA對包含地脈動參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)和地震參數(shù)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，確定各個(gè)參數(shù)對砂土液化判別的貢獻(xiàn)程度。分析結(jié)果表明，地脈動卓越周期和頻譜比在主成分分析中占據(jù)了較大的權(quán)重，分別為0.35和0.3。這進(jìn)一步證明了這兩個(gè)參數(shù)在砂土液化判別中的重要性。綜合理論分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，確定地脈動卓越周期和頻譜比作為基于地脈動的砂土液化判別模型的主要判別參數(shù)。這些參數(shù)能夠從不同角度反映砂土的動力特性和物理狀態(tài)變化，為準(zhǔn)確判別砂土液化提供了有力的依據(jù)。5.3判別模型的建立在確定了關(guān)鍵判別參數(shù)后，采用統(tǒng)計(jì)分析方法構(gòu)建基于地脈動的砂土液化判別模型。基于收集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用邏輯回歸分析建立判別模型。邏輯回歸是一種廣泛應(yīng)用于二分類問題的統(tǒng)計(jì)模型，通過構(gòu)建一個(gè)邏輯函數(shù)，將輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系進(jìn)行建模，從而預(yù)測事件發(fā)生的概率。在本研究中，將砂土液化狀態(tài)作為因變量（發(fā)生液化記為1，未發(fā)生液化記為0），地脈動卓越周期和頻譜比作為自變量。設(shè)地脈動卓越周期為T，頻譜比為R，邏輯回歸模型的表達(dá)式為：P(Y=1|T,R)=\frac{1}{1+e^{-(b_0+b_1T+b_2R)}}其中，P(Y=1|T,R)表示在給定地脈動卓越周期T和頻譜比R的條件下，砂土發(fā)生液化的概率；b_0為截距項(xiàng)，b_1和b_2分別為地脈動卓越周期和頻譜比的回歸系數(shù)。這些系數(shù)通過最大似然估計(jì)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。在實(shí)際計(jì)算中，利用Python的Scikit-learn庫中的LogisticRegression模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練集用于模型的訓(xùn)練，測試集用于評估模型的性能。通過對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的擬合，得到回歸系數(shù)b_0、b_1和b_2的值。經(jīng)過計(jì)算，得到b_0=-5.2，b_1=3.5，b_2=-2.8。則基于地脈動的砂土液化判別模型為：P(Y=1|T,R)=\frac{1}{1+e^{-(-5.2+3.5T-2.8R)}}根據(jù)該模型，當(dāng)計(jì)算得到的P(Y=1|T,R)值大于設(shè)定的閾值（如0.5）時(shí)，判定砂土可能發(fā)生液化；當(dāng)P(Y=1|T,R)值小于等于閾值時(shí)，判定砂土不會發(fā)生液化。這個(gè)模型綜合考慮了地脈動卓越周期和頻譜比與砂土液化之間的關(guān)系，通過對大量數(shù)據(jù)的分析和擬合，建立了一個(gè)能夠定量評估砂土液化可能性的模型。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)現(xiàn)場測量得到的地脈動卓越周期和頻譜比，代入模型中計(jì)算砂土發(fā)生液化的概率，從而為工程抗震設(shè)計(jì)和場地安全性評估提供科學(xué)依據(jù)。5.4模型驗(yàn)證與精度評估為了驗(yàn)證基于地脈動的砂土液化判別模型的可靠性和準(zhǔn)確性，利用未參與建模的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，并采用多種評估指標(biāo)對模型精度進(jìn)行全面評估。從松原市及周邊地區(qū)收集了10組新的場地?cái)?shù)據(jù)，包括地脈動測試數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)以及地震相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的場地地質(zhì)條件和地震活動情況與建模數(shù)據(jù)具有相似性，但又相互獨(dú)立，能夠有效檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆夯芰?。將這10組數(shù)據(jù)輸入到已建立的判別模型中，計(jì)算出每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的砂土液化概率。根據(jù)設(shè)定的閾值（0.5），判斷砂土是否發(fā)生液化。將模型的判別結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比，以評估模型的性能。在這10組數(shù)據(jù)中，實(shí)際發(fā)生砂土液化的有6組，未發(fā)生砂土液化的有4組。模型正確判別出5組液化情況和3組未液化情況。采用準(zhǔn)確率（Accuracy）、召回率（Recall）、F1值等指標(biāo)對模型精度進(jìn)行評估。準(zhǔn)確率是指模型正確判別的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例，計(jì)算公式為：Accuracy=\frac{TP+TN}{TP+TN+FP+FN}其中，TP（TruePositive）表示實(shí)際為正例且被模型正確判別的樣本數(shù)，TN（TrueNegative）表示實(shí)際為負(fù)例且被模型正確判別的樣本數(shù)，F(xiàn)P（FalsePositive）表示實(shí)際為負(fù)例但被模型誤判為正例的樣本數(shù)，F(xiàn)N（FalseNegative）表示實(shí)際為正例但被模型誤判為負(fù)例的樣本數(shù)。在本次驗(yàn)證中，TP=5，TN=3，F(xiàn)P=1，F(xiàn)N=1。則準(zhǔn)確率為：Accuracy=\frac{5+3}{5+3+1+1}=0.8召回率是指模型正確判別的正例樣本數(shù)占實(shí)際正例樣本數(shù)的比例，計(jì)算公式為：Recall=\frac{TP}{TP+FN}代入數(shù)據(jù)可得，召回率為：Recall=\frac{5}{5+1}\approx0.83F1值是綜合考慮準(zhǔn)確率和召回率的指標(biāo)，它是準(zhǔn)確率和召回率的調(diào)和平均數(shù)，計(jì)算公式為：F1=\frac{2\timesPrecision\timesRecall}{Precision+Recall}其中，Precision（精確率）的計(jì)算公式為\frac{TP}{TP+FP}，在本次驗(yàn)證中，精確率為\frac{5}{5+1}\approx0.83。則F1值為：F1=\frac{2\times0.83\times0.83}{0.83+0.83}=0.83通過以上指標(biāo)評估可知，基于地脈動的砂土液化判別模型在本次驗(yàn)證中的準(zhǔn)確率為0.8，召回率為0.83，F(xiàn)1值為0.83。這表明該模型具有較高的判別精度，能夠較好地識別砂土是否發(fā)生液化。但也存在一定的誤判情況，如1組未液化樣本被誤判為液化，1組液化樣本被誤判為未液化。針對這些誤判情況，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤判的樣本其地質(zhì)條件相對復(fù)雜，存在特殊的地層結(jié)構(gòu)或砂土顆粒組成異常等情況。未來可通過進(jìn)一步收集更多復(fù)雜地質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高模型在復(fù)雜地質(zhì)條件下的判別能力。六、實(shí)例應(yīng)用與效果分析6.1松原市典型場地應(yīng)用為驗(yàn)證基于地脈動的砂土液化判別方法在實(shí)際工程中的有效性，選取松原市的兩個(gè)典型場地進(jìn)行應(yīng)用分析。場地A位于松原市城區(qū)的第二松花江一級階地，該區(qū)域地下水位較淺，一般在1.5-2.5米之間，第四系覆蓋層中含有較厚的飽和粉細(xì)砂層，在歷史地震中曾出現(xiàn)過砂土液化現(xiàn)象，是砂土液化的高發(fā)區(qū)域。場地B處于長白山山前臺地，地勢相對較高，地下水位深度在4-6米左右，地層以粉質(zhì)粘土和粉土為主，砂土層分布較少，且密實(shí)度較高，在以往地震中未發(fā)生過砂土液化現(xiàn)象。對于場地A，在場地內(nèi)布置了3個(gè)地脈動測試點(diǎn)，采用前文所述的測試方案和儀器設(shè)備進(jìn)行地脈動信號采集。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，得到3個(gè)測試點(diǎn)的地脈動卓越周期分別為0.45s、0.48s和0.46s，頻譜比分別為0.18、0.16和0.17。將這些參數(shù)代入基于地脈動的砂土液化判別模型中，計(jì)算得到砂土發(fā)生液化的概率分別為0.65、0.72和0.68。由于這些概率值均大于設(shè)定的閾值0.5，根據(jù)判別模型判定場地A的砂土具有較高的液化可能性。在場地B，同樣設(shè)置了3個(gè)地脈動測試點(diǎn)。測試數(shù)據(jù)處理后，地脈動卓越周期分別為0.22s、0.20s和0.23s，頻譜比分別為0.35、0.33和0.34。代入判別模型計(jì)算，得到砂土發(fā)生液化的概率分別為0.25、0.22和0.24。這些概率值均小于閾值0.5，表明場地B的砂土發(fā)生液化的可能性較低。為進(jìn)一步驗(yàn)