河北平原典型地裂縫場地動力響應特征研究

崔思穎，鄧亞虹,2，曹 歌，于雙瑞，慕煥東，李艷杰

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素(地殼活動、水的作用等)或人為因素(抽水、灌溉、開挖等)作用下產生開裂，形成具有一定長度、寬度和深度的一種宏觀地表破壞現象[1]。其主要發育在第四紀地層中，具有明顯的方向性、延展性，可對沿線的人類工程造成漸進性破壞，特別是城市范圍內的地裂縫地質災害，引起建(構)筑物破壞，造成巨大經濟損失。如貫穿西安全城的14 條地裂縫造成的經濟損失超過了40 億元[2]；北京的高麗營地裂縫，由西王路村向北東延伸到北六環以外，變形帶最大寬度高達300 m[3]，對沿線建筑物和公路破壞十分嚴重。因此，開展重要經濟區帶內地裂縫的研究具有重要的工程意義和社會經濟意義。

20 世紀20 年代初，美國得克薩斯州Goose Creek油田發現第一條地裂縫，而后在亞利桑那州、加利福尼亞州、內華達州、新墨西哥州等地區又出現多條發育程度不同的地裂縫[4-5]，直接或間接影響農業生產、居民生活以及工程建設，造成無法估量的破壞和損失，嚴重威脅到地區的安全穩定，由此，美國學者開始開展地裂縫災害相關研究工作。我國對地裂縫的研究較晚，1966 年河北邢臺地震后產生的地裂縫災害引起國內學者關注。隨著社會的發展以及工程活動規模的不斷擴大，地下水被大量開采，我國多個地區出現地裂縫，其中又以汾渭盆地、河北平原和蘇錫常平原最為典型。研究最早且較為系統的是陜西汾渭地塹區地裂縫。而河北平原的地裂縫災害也非常嚴重。1963 年河北邯鄲市發現第一條地裂縫，邢臺、唐山地震后地裂縫迅速增加，同時受斷裂、古河道等多個因素影響，導致河北平原地裂縫廣泛發育。李昌存[6]、吳忱[7]、邢忠信[8]、王景明[9]等從不同角度分析了河北平原地裂縫成因機理，提出了斷裂傾滑成因說、古河道成因說、差異沉降成因說、綜合成因說等。

目前在地裂縫發育特征、成因機理以及分布等方面已取得大量研究成果，但有關地裂縫場地動力特性研究成果較少且不系統。慕煥東[10-11]、熊仲明[12]、劉妮娜[13]等通過數值分析和振動臺試驗，發現地裂縫場地不僅具有放大效應，還表現出上下盤效應，故應在實際工程建設中設置相應的避讓距離，但在DBJ 61-6-2006《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》中，只是結合地裂縫上下盤相對錯動引起的地表變形影響范圍與建筑物的結構形式給出避讓距離，并未考慮地裂縫場地動力響應影響，因此，為更準確地分析地裂縫場地的動力響應規律，可采用現場測試的手段進行研究。

地脈動作為一種高效、經濟、便捷的場地動力特性測試方法，其中包含了大量場地土層的構造信息，可以作為現場實測數據的一種手段。近年來，多名學者利用地脈動現場測試探究汾渭盆地構造型地裂縫場地的動力響應規律[14-16]，為該地區地裂縫場地的工程建設提供參考，同時也為研究地裂縫場地動力響應特征提供了新的方法。

通過查閱相關資料，根據主導因素，河北平原地裂縫可分為構造型地裂縫(構造地裂縫、地震地裂縫)和非構造型地裂縫(古河道地裂縫、采空塌陷地裂縫、巖溶塌陷地裂縫等)兩個大類。筆者選取河北平原構造、地震、古河道3 種不同成因的典型地裂縫，在區域地質、鉆孔、探槽等資料的基礎上，對其發育分布規律進行總結，并結合地脈動測試分析河北平原典型地裂縫場地動力響應特征及其放大效應，以期為河北平原地區地裂縫場地的城市工程建設及防震減災提供理論參考。

1 區域地質背景

河北平原位于燕山斷塊、太行斷塊、華北斷陷盆地的交匯位置。長期以來，受到東側太平洋板塊、菲律賓板塊對歐亞板塊產生的NEE 和SE 俯沖作用，地殼表層形成NW-SE 向拉張應力，加之其處于太平洋板塊對歐亞板塊俯沖作用區，深部熔融物質上涌進入地殼產生SWW 向擠壓，最終使得河北平原主壓應力為NEE-SWW 向，拉應力為NNW-SSE 向[17]。在這種復雜的構造應力環境下，河北平原地殼發生明顯的破裂和肢解，并形成一系列的凹陷和隆起以及NE 和NW 向2 組斷裂組成的構造體系，整體表現出“南北分塊，東西分帶”特征[18-19]。在活動斷裂的附近或交匯區，深部斷裂在區域應力場作用下持續活動，逐步向上擴展至淺表部土層，并透出地表形成地裂縫，其發育強度與相應斷裂活動特征基本對應。同時，河北平原地處我國華北平原地震活動帶，歷史上先后發生過多次強震，直接導致地殼破裂，從而也會在地表形成裂縫。

除斷裂外，河北平原古河道分布廣泛，歷史上水系發育眾多，該區域內古河道受地質及地貌等因素影響，經抬升沉降、改道變遷，最終形成河北平原特有的地質構造格局[7]，如圖1 所示。古河道底部的砂層由于富含豐富的地下水，在地震或抽水等作用下發生塌陷或差異沉降，進而導致上部土層發生緩慢蠕動拉裂，在地表水的作用下逐漸向下形成裂縫。

圖1 河北平原地質構造Fig.1 Geological structure map of the Hebei Plain

2 典型地裂縫特征

河北平原是我國地裂縫最為發育的區域之一，其地裂縫數量多、規模大、涉及范圍廣。截至2017 年，河北平原地裂縫數量達到871 條，延伸長度幾米到幾千米不等，張開量一般寬2～50 cm，最寬達1 m，涉及北京、隆堯、邯鄲、大名、唐山、河間、柏鄉、饒陽等多個市縣。空間分布上具有區域性、成帶性、方向性、系統性等特征，近幾年地裂縫仍在活動且活動強度不斷增大，部分地裂縫所經之處導致房屋開裂、地面塌陷、道路錯斷，嚴重制約著區域工程活動的開展。本文選取了河北平原高麗營地裂縫(構造成因)、隆堯地裂縫(構造成因)、大名地裂縫(古河道成因)、唐山地裂縫(地震成因)4 條不同成因且具典型代表性的地裂縫進行研究分析。

2.1 高麗營地裂縫

高麗營地裂縫(F1地裂縫)位于北京市順義區高麗營鎮，主要受黃莊-高麗營斷裂影響，平面走向大致呈NE55°，延伸約10 km(圖2)，裂縫寬度幾毫米十幾毫米不等，最大達200 mm，地表建(構)筑物破壞嚴重。地脈動測線S1布設于F1地裂縫的西王路地裂縫監測站附近，其附近地層以粉質黏土為主，夾有少量粉土，土層均勻，斷裂直達地表，斷距可達1.5 m 左右，總體呈東南低、西北高，與黃莊-高麗營斷裂東南盤下降、西北盤相對上升相一致[3,20]。在主斷裂南側發育有次級裂縫，未貫穿至地表。

圖2 F1 地裂縫及測線S1 布設位置Fig.2 Location of earth fissure F1 and survey line S1

2.2 隆堯地裂縫

隆堯地裂縫(F2地裂縫)是河北平原較大的地裂縫之一，它位于寧晉-衡水斷凸、邢衡隆起、臨清斷陷交接處，附近分布有多條NNW 及近NW 向斷裂，該地裂縫是區域構造應力場作用下的隆堯斷裂活動所引起，是深部斷裂錯動向上切穿了淺表土層之后透出地面，屬典型構造地裂縫。F2地裂縫在地表出露長度大于30 km，線性出露特征良好，不受沿線地貌河流等影響，整體沿NWW、NEE 向延伸(圖3)，與隆堯斷裂產狀基本一致[21]。地脈動測線S2布設于F2地裂縫周張莊村內，附近場地地層整體為粉土、黏土、砂土互層，土層比較均勻，地表垂直錯距隨深度增加而增加。

圖3 F2 地裂縫及測線S2 布設位置Fig.3 Location of earth fissure F2 and survey line S2

2.3 大名地裂縫

古河道地裂縫為一種非構造地裂縫，地表出露延伸一般較短，有的沿河道內發育，有的沿河道旁側發育，有的與下部河道走向平行或者近平行在地表發育。剖面整體自上而下近豎直展布，局部呈Y 字形，且延伸深度較淺，地裂縫兩側地層無位移。大名地裂縫(F3地裂縫)是典型的古河道地裂縫，附近發育有黃河、漳河古河道帶，位于現今漳河西側，走向約30°(圖4)，地層主要由粉土與粉質黏土構成，底部為巨厚層細砂[22-23]。古河道地裂縫主要分布在上部，而底部幾乎沒有裂縫存在，且地裂縫位于地層的突變位置，推測可能是由于河道地層發生差異性沉降，導致上覆土體產生開裂，在如降水、灌溉等外界因素下加劇貫通形成。F3地裂縫布設2 條地脈動測線S3、S4，分別位于大名縣沐浴莊村西南角和沐浴莊村主干道(圖4)。

圖4 F3 地裂縫及測線S3 和S4 布設位置Fig.4 Location of earth fissure F3 and survey lines S3 and S4

2.4 唐山地裂縫

地震型地裂縫是在強震作用下，震中區出現的以水平位移為主的裂縫，它是由強烈震動和斷裂錯位應力引起，與發震斷裂走向吻合但不連通的地裂縫。最為典型的地震型地裂縫為唐山地裂縫(F4地裂縫)，是1976 年唐山7.8 級大地震時在極震區內產生的眾多地裂縫，主裂縫由一系列長度不一的次級地裂縫呈多字形、斜列式和鋸齒狀排列而成，由唐山豐南區安機寨沿NE 向經南郊禮尚莊，進入市區穿過吉祥路、原十中舊址、勝利路到市二十九中，如圖5 所示。該地裂縫在水平面發生右旋，最大水平錯距達1.5 m，地脈動測線S5布設于唐山市區韓后街，附近地層以砂土與黏土互層為主，落差0.8 m[24]。目前這些地裂縫均處于隱伏狀，已不能觀察到，但有個別調查點仍可以看到排樹隨斷層右旋所產生的位移。

圖5 F4 地裂縫及測線S5 布設位置Fig.5 Location of earth fissure F4 and survey line S5

3 地脈動測試

3.1 地脈動基本原理

地脈動是由自然和人類等活動產生的振動經過不同傳播介質和不同場地環境后綜合作用于地球表面的復雜隨機振動。地脈動的激發和波的成分等具有隨機性，但在一定條件下，它可近似地當成一種平穩隨機過程。由于波的多次反射和折射，地脈動在傳播過程中積累了反映場地土層固有特性的信息，使地脈動信號具有某種統計規律性，因此，工程中可利用地脈動來推斷土層構造。

3.2 地脈動測試儀器及方法

地脈動的測試儀器選擇高靈敏度伺服型速度網絡地震儀(CV-374AV)，如圖6 所示。該儀器可記錄3 個方向(2 個水平方向：X和Y，1 個垂直方向：Z) 的地脈動數據。

圖6 地脈動監測地震儀Fig.6 Seismograph for microtremor testing

野外地脈動測點布設如圖7 所示，測線沿地裂縫垂直方向，上下盤各9 個測點(A 表示上盤，B 表示下盤)，對稱布設，測線總長度為60 m。測點與地裂縫的垂直距離依次為1.5、3、6、9、12、15、20、25、30 m，受現場實際情況限制，一定距離后不滿足測試條件，某些測線并未布設測點9，每個測點監測10 min 以上。

圖7 地脈動測點布設Fig.7 Layout of microtremor measuring points

3.3 譜分析方法

在進行數據處理時，首先在每一測點的觀測數據中至少選取6 段步長10 s 的平穩波段作為分析樣本，以代表該測點所得場地信號特征。由于野外實測直接記錄的是速度時程，先將所截取波段對時間求導得到加速度時程曲線，然后使用SeismoSignal 軟件進行濾波和基線校正，并進一步得到傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。各測點在X、Y、Z方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線特征趨勢相似，故本文選取X方向譜作為研究對象。

4 典型地裂縫場地譜分析

4.1 高麗營地裂縫(F1)

圖8 為測線S1上下盤測點在X方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。從圖中可以看出，傅里葉譜峰值突出且以單峰為主，譜面積較小，表明場地土層相對較均勻，與西王路村探槽剖面圖情況一致；傅里葉譜卓越頻率為：上盤2.44～3.71 Hz，下盤2.44～3.90 Hz，均值為3.01 Hz。反應譜譜型與傅里葉譜具有相似特征，主峰突出且較為集中，頻帶窄，卓越周期集中在0～0.5 s內，由此表明，場地卓越頻率和卓越周期與測點到地裂縫的距離無明顯關系。Arias 烈度表征場地在某一特定時間段內整體動力響應強度，通過Arias 烈度曲線可以看出，場地能量累積隨時間呈上升趨勢，近地裂縫測點的烈度強，遠離地裂縫測點烈度曲線交織或重合，表明遠離地裂縫區域，場地烈度變化較小。

圖8 測線S1 上下盤頻譜特征曲線Fig.8 Spectrum characteristic curves of S1

測線S1傅里葉幅值、反應譜幅值及Arias 烈度幅值衰減曲線如圖9 所示，從圖中可以看出，無論是傅里葉幅值、反應加速度還是Arias 烈度均在地裂縫附近最大，隨著與地裂縫距離的增大，呈現衰減的趨勢，直到一定距離后不受地裂縫影響，趨于平穩。這表明地裂縫對場地的動力響應具有明顯的放大作用，且這種放大作用距地裂縫越近越顯著；同時，3 種譜分析方法得出的上盤幅值均明顯大于下盤。

圖9 測線S1 幅值衰減曲線Fig.9 Decay curves in peak amplitudes of S1

4.2 隆堯地裂縫(F2)

圖10 為測線S2上下盤測點在X方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜峰值較為突出，但存在豐富的次峰值，主頻帶較寬，反映場地地層相對較軟弱，這與周張莊村地層互層特性相吻合。傅里葉譜各測點卓越頻率為：上盤4.00～5.37 Hz，下盤4.00～5.66 Hz，均值為4.67 Hz，反應譜卓越周期集中在0～0.5 s 內，表明地裂縫的存在對場地固有的卓越頻率和卓越周期的影響不大，與測線S1所得結論一致。測線S2的Arias 烈度在地裂縫附近能量積累較大，測點A6、B6(距地裂縫20 m)后能量積累變化不大，受地裂縫影響微弱。

圖10 測線S2 上下盤頻譜特征曲線Fig.10 Spectrum characteristic curves of S2

通過圖11 測線S2幅值衰減曲線可以看出，3 種譜型具有與測線S1相同的變化規律，上下盤地脈動幅值均隨與地裂縫距離的增大而減小，但上盤的衰減速度較下盤緩慢。

圖11 測線S2 幅值衰減曲線Fig.11 Decay curves in peak amplitudes of S2

4.3 大名地裂縫(F3)

圖12 為測線S3上下盤測點在X方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜譜頻較窄，卓越頻率為：上盤2.83～3.71 Hz，下盤2.92～3.61 Hz，均值為3.23 Hz。圖13 為測線S4上下盤測點在X方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜各測點卓越頻率為：上盤2.63～3.71 Hz，下盤2.64～3.81 Hz，均值為3.15 Hz；2 條測線的反應譜卓越周期集中在0～0.5 s 內，烈度幅值隨時間呈現上升的趨勢，A1、B1能量積累最多。

圖12 測線S3 上下盤頻譜特征曲線Fig.12 Spectrum characteristic curves of S3

圖13 測線S4 上下盤頻譜特征曲線Fig.13 Spectrum characteristic curves of S4

測線S3和測線S4均布設于地裂縫F3上，由于周圍建筑物、地下水等地質條件的不同，其卓越頻率、卓越周期以及各頻譜特征曲線極值并不相同，但S3和S4幅值衰減曲線(圖14、圖15)具有相同的規律，即在靠近地裂縫時，3 種峰值達到最大，且上盤的峰值大于下盤。

圖14 測線S3 幅值衰減曲線Fig.14 Decay curves in peak amplitudes of S3

圖15 測線S4 幅值衰減曲線Fig.15 Decay curves in peak amplitudes of S4

4.4 唐山地裂縫(F4)

測線S5處地層砂土與黏土互層，且夾層發育，結構較雜亂，波速變化無一定規律。圖16 為測線S5在X方向的傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度曲線。傅里葉譜主峰集中且發育多峰，譜面積較大，與剖面特征相對應。傅里葉譜卓越頻率為：上盤2.63～3.61 Hz，下盤2.24～3.80 Hz，場地均值為3.13 Hz；反應譜曲線主峰集中，表現出雙峰特征，且卓越周期集中在0～0.5 s 內。各測點烈度曲線均隨時間上升，且測點垂向峰值大于水平向。

圖16 測線S5 上下盤頻譜特征曲線Fig.16 Spectrum characteristic curves of S5

測線S5幅值衰減曲線(圖17)遵循相同規律，3 種譜型均在地裂縫附近具有放大效應，后在20 m 左右趨于平緩，且相同距離測點上盤峰值始終大于下盤。

圖17 測線S5 幅值衰減曲線Fig.17 Decay curves in peak amplitudes of S5

5 場地放大效應分析

通過上述各測線頻譜曲線和幅值衰減曲線分析發現，地裂縫對場地動力響應具有放大作用，且在靠近地裂縫處傅里葉幅值、反應加速度和Arias 烈度最大，在距離地裂縫20～30 m 處幅值趨于穩定，表明這種放大效應有一定的影響范圍。由于振幅、加速度和強度的值隨場地條件而變化，為了進一步討論地裂縫對場地動力響應放大效應以及影響范圍，引入“放大因子”來進行探究。將距離地裂縫20～30 m 處幅值均值作為該場地的平穩幅值，并定義放大因子為其余各測點幅值與該平穩幅值的比值。

通過5 條測線的上下盤放大因子與地裂縫水平距離關系衰減曲線(圖18)可以看出，放大因子在靠近地裂縫時最大，遠離地裂縫后，傅里葉譜、反應譜和Arias 烈度的放大因子在20 m 之后趨于平穩，曲線基本重合，說明地裂縫場地放大效應影響范圍約為20 m。圖18a 和圖18c 可以看出，構造型地裂縫的放大因子大于非構造型地裂縫(古河道地裂縫)的放大因子。同時，在構造型地裂縫中，構造地裂縫的放大因子又大于地震地裂縫的放大因子。

將圖18 的5 條測線的放大因子進行綜合擬合，如圖19 所示。從圖可以看出，靠近地裂縫的地方，上下盤的放大因子極值均達到2 以上，且上盤大于下盤。根據圖19 擬合曲線可得到地裂縫場地動力響應放大效應的具體影響范圍，見表1。從表1 可以得出，地裂縫對場地動力響應的影響范圍，上盤平均為23.3 m，下盤平均略小于20 m，上盤大于下盤。同時，當上盤和下盤分別在距地裂縫7.2 m 和6.0 m 范圍內，放大系數達到1.5 倍以上。上下盤放大效應不同，可能是由于地裂縫兩側傾斜地層的不對稱分布所引起的幾何效應，即：與地裂縫在地表跡線的距離相等的兩點，上盤觀測點到地裂縫的距離小于下盤，所以上盤受震動影響程度大于下盤，且相對下盤，上盤約束小，活動性更強。因此，在地裂縫場地，若按照一般場地進行考慮，則建筑物的抗震設防水平明顯不夠，建筑物面臨較大的地震破壞風險，需提高抗震設防水平或進行合理的避讓。

圖19 放大因子與地裂縫水平距離關系擬合曲線Fig.19 Fitting curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

表1 不同放大倍數下地裂縫場地影響距離Table 1 Influence distance of earth fissure site under different magnification

為研究地裂縫類型對場地動力響應放大效應的影響，將圖18 所示的3 類不同成因地裂縫場地放大因子求均值擬合，如圖20 所示。其中，Site1 為2 條構造地裂縫放大因子擬合曲線，Site2 為2 條古河道地裂縫放大因子擬合曲線，Site3 為地震地裂縫放大因子擬合曲線。從圖中可以看出，上盤放大倍數在2.2～2.7，下盤放大倍數在1.7～2.4，且無論是上盤還是下盤，放大效應均表現為構造地裂縫最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小。根據放大因子擬合曲線可得到地裂縫場地動力響應的影響范圍，見表2。從表2 可知，3 類場地放大效應的影響范圍也不相同。構造地裂縫場地約24 m，古河道地裂縫場地約20 m，地震地裂縫場地約22 m；當場地放大效應達到1.5 倍時，以上3 類場地的影響范圍分別為9、5、8 m。同樣表現為構造地裂縫最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小的特征。其原因可能是：構造地裂縫F1和F2為斷層蠕滑型地裂縫[3,25]，目前依舊處于活動期，導致地裂縫活動性加強；地震地裂縫F4是發震斷層黏滑型地裂縫[22]，且自1976 年以來該地區不斷有小震發生，地裂縫活動相對較弱；古河道地裂縫F3為非構造型地裂縫，主要受降水、地下水等因素影響，活動性弱，因此，出現構造型地裂縫影響范圍大于非構造型地裂縫的現象。

圖20 3 類地裂縫場地放大因子擬合曲線及其影響范圍Fig.20 Fitting curves and influence distance of three different types of ground fissure sites

表2 不同放大倍數下地裂縫場地影響距離Table 2 Influence distance of earth fissure site under different magnification

圖18 放大因子與地裂縫水平距離關系衰減曲線Fig.18 Decay curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

6 結 論

a.地裂縫對場地卓越頻率和卓越周期影響較小，主要由場地土層性質和土層結構決定。

b.地裂縫對場地的動力響應具有放大效應，距離地裂縫越近，放大效應越明顯，并隨著距地裂縫距離的增大而衰減，最后趨于平穩。地裂縫附近整體表現為構造地裂縫的放大因子最大，地震地裂縫的放大因子次之，古河道地裂縫的放大因子最小。

c.綜合考慮，河北平原典型地裂縫場地動力放大效應的影響范圍上盤約24 m，下盤約20 m。放大系數達1.5 倍的影響范圍上盤為7.2 m，下盤6.0 m。不同成因地裂縫場地的放大效應影響范圍也不同，構造地裂縫場地的放大效應影響范圍最大，地震地裂縫次之，古河道地裂縫最小。

d.因地裂縫場地具有放大效應，處于地裂縫影響范圍內的建筑物，若按照一般場地進行考慮，則建筑物的抗震設防水平不夠，建筑物面臨較大的地震破壞風險，故需提高抗震設防水平或進行合理的避讓。