河北平原典型地裂缝场地动力响应特征研究

崔思颖，邓亚虹,2，曹 歌，于双瑞，慕焕东，李艳杰

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)

地裂缝是地表岩层、土体在自然因素(地壳活动、水的作用等)或人为因素(抽水、灌溉、开挖等)作用下产生开裂，形成具有一定长度、宽度和深度的一种宏观地表破坏现象[1]。其主要发育在第四纪地层中，具有明显的方向性、延展性，可对沿线的人类工程造成渐进性破坏，特别是城市范围内的地裂缝地质灾害，引起建(构)筑物破坏，造成巨大经济损失。如贯穿西安全城的14 条地裂缝造成的经济损失超过了40 亿元[2]；北京的高丽营地裂缝，由西王路村向北东延伸到北六环以外，变形带最大宽度高达300 m[3]，对沿线建筑物和公路破坏十分严重。因此，开展重要经济区带内地裂缝的研究具有重要的工程意义和社会经济意义。

20 世纪20 年代初，美国得克萨斯州Goose Creek油田发现第一条地裂缝，而后在亚利桑那州、加利福尼亚州、内华达州、新墨西哥州等地区又出现多条发育程度不同的地裂缝[4-5]，直接或间接影响农业生产、居民生活以及工程建设，造成无法估量的破坏和损失，严重威胁到地区的安全稳定，由此，美国学者开始开展地裂缝灾害相关研究工作。我国对地裂缝的研究较晚，1966 年河北邢台地震后产生的地裂缝灾害引起国内学者关注。随着社会的发展以及工程活动规模的不断扩大，地下水被大量开采，我国多个地区出现地裂缝，其中又以汾渭盆地、河北平原和苏锡常平原最为典型。研究最早且较为系统的是陕西汾渭地堑区地裂缝。而河北平原的地裂缝灾害也非常严重。1963 年河北邯郸市发现第一条地裂缝，邢台、唐山地震后地裂缝迅速增加，同时受断裂、古河道等多个因素影响，导致河北平原地裂缝广泛发育。李昌存[6]、吴忱[7]、邢忠信[8]、王景明[9]等从不同角度分析了河北平原地裂缝成因机理，提出了断裂倾滑成因说、古河道成因说、差异沉降成因说、综合成因说等。

目前在地裂缝发育特征、成因机理以及分布等方面已取得大量研究成果，但有关地裂缝场地动力特性研究成果较少且不系统。慕焕东[10-11]、熊仲明[12]、刘妮娜[13]等通过数值分析和振动台试验，发现地裂缝场地不仅具有放大效应，还表现出上下盘效应，故应在实际工程建设中设置相应的避让距离，但在DBJ 61-6-2006《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》中，只是结合地裂缝上下盘相对错动引起的地表变形影响范围与建筑物的结构形式给出避让距离，并未考虑地裂缝场地动力响应影响，因此，为更准确地分析地裂缝场地的动力响应规律，可采用现场测试的手段进行研究。

地脉动作为一种高效、经济、便捷的场地动力特性测试方法，其中包含了大量场地土层的构造信息，可以作为现场实测数据的一种手段。近年来，多名学者利用地脉动现场测试探究汾渭盆地构造型地裂缝场地的动力响应规律[14-16]，为该地区地裂缝场地的工程建设提供参考，同时也为研究地裂缝场地动力响应特征提供了新的方法。

通过查阅相关资料，根据主导因素，河北平原地裂缝可分为构造型地裂缝(构造地裂缝、地震地裂缝)和非构造型地裂缝(古河道地裂缝、采空塌陷地裂缝、岩溶塌陷地裂缝等)两个大类。笔者选取河北平原构造、地震、古河道3 种不同成因的典型地裂缝，在区域地质、钻孔、探槽等资料的基础上，对其发育分布规律进行总结，并结合地脉动测试分析河北平原典型地裂缝场地动力响应特征及其放大效应，以期为河北平原地区地裂缝场地的城市工程建设及防震减灾提供理论参考。

1 区域地质背景

河北平原位于燕山断块、太行断块、华北断陷盆地的交汇位置。长期以来，受到东侧太平洋板块、菲律宾板块对欧亚板块产生的NEE 和SE 俯冲作用，地壳表层形成NW-SE 向拉张应力，加之其处于太平洋板块对欧亚板块俯冲作用区，深部熔融物质上涌进入地壳产生SWW 向挤压，最终使得河北平原主压应力为NEE-SWW 向，拉应力为NNW-SSE 向[17]。在这种复杂的构造应力环境下，河北平原地壳发生明显的破裂和肢解，并形成一系列的凹陷和隆起以及NE 和NW 向2 组断裂组成的构造体系，整体表现出“南北分块，东西分带”特征[18-19]。在活动断裂的附近或交汇区，深部断裂在区域应力场作用下持续活动，逐步向上扩展至浅表部土层，并透出地表形成地裂缝，其发育强度与相应断裂活动特征基本对应。同时，河北平原地处我国华北平原地震活动带，历史上先后发生过多次强震，直接导致地壳破裂，从而也会在地表形成裂缝。

除断裂外，河北平原古河道分布广泛，历史上水系发育众多，该区域内古河道受地质及地貌等因素影响，经抬升沉降、改道变迁，最终形成河北平原特有的地质构造格局[7]，如图1 所示。古河道底部的砂层由于富含丰富的地下水，在地震或抽水等作用下发生塌陷或差异沉降，进而导致上部土层发生缓慢蠕动拉裂，在地表水的作用下逐渐向下形成裂缝。

图1 河北平原地质构造Fig.1 Geological structure map of the Hebei Plain

2 典型地裂缝特征

河北平原是我国地裂缝最为发育的区域之一，其地裂缝数量多、规模大、涉及范围广。截至2017 年，河北平原地裂缝数量达到871 条，延伸长度几米到几千米不等，张开量一般宽2～50 cm，最宽达1 m，涉及北京、隆尧、邯郸、大名、唐山、河间、柏乡、饶阳等多个市县。空间分布上具有区域性、成带性、方向性、系统性等特征，近几年地裂缝仍在活动且活动强度不断增大，部分地裂缝所经之处导致房屋开裂、地面塌陷、道路错断，严重制约着区域工程活动的开展。本文选取了河北平原高丽营地裂缝(构造成因)、隆尧地裂缝(构造成因)、大名地裂缝(古河道成因)、唐山地裂缝(地震成因)4 条不同成因且具典型代表性的地裂缝进行研究分析。

2.1 高丽营地裂缝

高丽营地裂缝(F1地裂缝)位于北京市顺义区高丽营镇，主要受黄庄-高丽营断裂影响，平面走向大致呈NE55°，延伸约10 km(图2)，裂缝宽度几毫米十几毫米不等，最大达200 mm，地表建(构)筑物破坏严重。地脉动测线S1布设于F1地裂缝的西王路地裂缝监测站附近，其附近地层以粉质黏土为主，夹有少量粉土，土层均匀，断裂直达地表，断距可达1.5 m 左右，总体呈东南低、西北高，与黄庄-高丽营断裂东南盘下降、西北盘相对上升相一致[3,20]。在主断裂南侧发育有次级裂缝，未贯穿至地表。

图2 F1 地裂缝及测线S1 布设位置Fig.2 Location of earth fissure F1 and survey line S1

2.2 隆尧地裂缝

隆尧地裂缝(F2地裂缝)是河北平原较大的地裂缝之一，它位于宁晋-衡水断凸、邢衡隆起、临清断陷交接处，附近分布有多条NNW 及近NW 向断裂，该地裂缝是区域构造应力场作用下的隆尧断裂活动所引起，是深部断裂错动向上切穿了浅表土层之后透出地面，属典型构造地裂缝。F2地裂缝在地表出露长度大于30 km，线性出露特征良好，不受沿线地貌河流等影响，整体沿NWW、NEE 向延伸(图3)，与隆尧断裂产状基本一致[21]。地脉动测线S2布设于F2地裂缝周张庄村内，附近场地地层整体为粉土、黏土、砂土互层，土层比较均匀，地表垂直错距随深度增加而增加。

图3 F2 地裂缝及测线S2 布设位置Fig.3 Location of earth fissure F2 and survey line S2

2.3 大名地裂缝

古河道地裂缝为一种非构造地裂缝，地表出露延伸一般较短，有的沿河道内发育，有的沿河道旁侧发育，有的与下部河道走向平行或者近平行在地表发育。剖面整体自上而下近竖直展布，局部呈Y 字形，且延伸深度较浅，地裂缝两侧地层无位移。大名地裂缝(F3地裂缝)是典型的古河道地裂缝，附近发育有黄河、漳河古河道带，位于现今漳河西侧，走向约30°(图4)，地层主要由粉土与粉质黏土构成，底部为巨厚层细砂[22-23]。古河道地裂缝主要分布在上部，而底部几乎没有裂缝存在，且地裂缝位于地层的突变位置，推测可能是由于河道地层发生差异性沉降，导致上覆土体产生开裂，在如降水、灌溉等外界因素下加剧贯通形成。F3地裂缝布设2 条地脉动测线S3、S4，分别位于大名县沐浴庄村西南角和沐浴庄村主干道(图4)。

图4 F3 地裂缝及测线S3 和S4 布设位置Fig.4 Location of earth fissure F3 and survey lines S3 and S4

2.4 唐山地裂缝

地震型地裂缝是在强震作用下，震中区出现的以水平位移为主的裂缝，它是由强烈震动和断裂错位应力引起，与发震断裂走向吻合但不连通的地裂缝。最为典型的地震型地裂缝为唐山地裂缝(F4地裂缝)，是1976 年唐山7.8 级大地震时在极震区内产生的众多地裂缝，主裂缝由一系列长度不一的次级地裂缝呈多字形、斜列式和锯齿状排列而成，由唐山丰南区安机寨沿NE 向经南郊礼尚庄，进入市区穿过吉祥路、原十中旧址、胜利路到市二十九中，如图5 所示。该地裂缝在水平面发生右旋，最大水平错距达1.5 m，地脉动测线S5布设于唐山市区韩后街，附近地层以砂土与黏土互层为主，落差0.8 m[24]。目前这些地裂缝均处于隐伏状，已不能观察到，但有个别调查点仍可以看到排树随断层右旋所产生的位移。

图5 F4 地裂缝及测线S5 布设位置Fig.5 Location of earth fissure F4 and survey line S5

3 地脉动测试

3.1 地脉动基本原理

地脉动是由自然和人类等活动产生的振动经过不同传播介质和不同场地环境后综合作用于地球表面的复杂随机振动。地脉动的激发和波的成分等具有随机性，但在一定条件下，它可近似地当成一种平稳随机过程。由于波的多次反射和折射，地脉动在传播过程中积累了反映场地土层固有特性的信息，使地脉动信号具有某种统计规律性，因此，工程中可利用地脉动来推断土层构造。

3.2 地脉动测试仪器及方法

地脉动的测试仪器选择高灵敏度伺服型速度网络地震仪(CV-374AV)，如图6 所示。该仪器可记录3 个方向(2 个水平方向：X和Y，1 个垂直方向：Z) 的地脉动数据。

图6 地脉动监测地震仪Fig.6 Seismograph for microtremor testing

野外地脉动测点布设如图7 所示，测线沿地裂缝垂直方向，上下盘各9 个测点(A 表示上盘，B 表示下盘)，对称布设，测线总长度为60 m。测点与地裂缝的垂直距离依次为1.5、3、6、9、12、15、20、25、30 m，受现场实际情况限制，一定距离后不满足测试条件，某些测线并未布设测点9，每个测点监测10 min 以上。

图7 地脉动测点布设Fig.7 Layout of microtremor measuring points

3.3 谱分析方法

在进行数据处理时，首先在每一测点的观测数据中至少选取6 段步长10 s 的平稳波段作为分析样本，以代表该测点所得场地信号特征。由于野外实测直接记录的是速度时程，先将所截取波段对时间求导得到加速度时程曲线，然后使用SeismoSignal 软件进行滤波和基线校正，并进一步得到傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。各测点在X、Y、Z方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线特征趋势相似，故本文选取X方向谱作为研究对象。

4 典型地裂缝场地谱分析

4.1 高丽营地裂缝(F1)

图8 为测线S1上下盘测点在X方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。从图中可以看出，傅里叶谱峰值突出且以单峰为主，谱面积较小，表明场地土层相对较均匀，与西王路村探槽剖面图情况一致；傅里叶谱卓越频率为：上盘2.44～3.71 Hz，下盘2.44～3.90 Hz，均值为3.01 Hz。反应谱谱型与傅里叶谱具有相似特征，主峰突出且较为集中，频带窄，卓越周期集中在0～0.5 s内，由此表明，场地卓越频率和卓越周期与测点到地裂缝的距离无明显关系。Arias 烈度表征场地在某一特定时间段内整体动力响应强度，通过Arias 烈度曲线可以看出，场地能量累积随时间呈上升趋势，近地裂缝测点的烈度强，远离地裂缝测点烈度曲线交织或重合，表明远离地裂缝区域，场地烈度变化较小。

图8 测线S1 上下盘频谱特征曲线Fig.8 Spectrum characteristic curves of S1

测线S1傅里叶幅值、反应谱幅值及Arias 烈度幅值衰减曲线如图9 所示，从图中可以看出，无论是傅里叶幅值、反应加速度还是Arias 烈度均在地裂缝附近最大，随着与地裂缝距离的增大，呈现衰减的趋势，直到一定距离后不受地裂缝影响，趋于平稳。这表明地裂缝对场地的动力响应具有明显的放大作用，且这种放大作用距地裂缝越近越显著；同时，3 种谱分析方法得出的上盘幅值均明显大于下盘。

图9 测线S1 幅值衰减曲线Fig.9 Decay curves in peak amplitudes of S1

4.2 隆尧地裂缝(F2)

图10 为测线S2上下盘测点在X方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。傅里叶谱峰值较为突出，但存在丰富的次峰值，主频带较宽，反映场地地层相对较软弱，这与周张庄村地层互层特性相吻合。傅里叶谱各测点卓越频率为：上盘4.00～5.37 Hz，下盘4.00～5.66 Hz，均值为4.67 Hz，反应谱卓越周期集中在0～0.5 s 内，表明地裂缝的存在对场地固有的卓越频率和卓越周期的影响不大，与测线S1所得结论一致。测线S2的Arias 烈度在地裂缝附近能量积累较大，测点A6、B6(距地裂缝20 m)后能量积累变化不大，受地裂缝影响微弱。

图10 测线S2 上下盘频谱特征曲线Fig.10 Spectrum characteristic curves of S2

通过图11 测线S2幅值衰减曲线可以看出，3 种谱型具有与测线S1相同的变化规律，上下盘地脉动幅值均随与地裂缝距离的增大而减小，但上盘的衰减速度较下盘缓慢。

图11 测线S2 幅值衰减曲线Fig.11 Decay curves in peak amplitudes of S2

4.3 大名地裂缝(F3)

图12 为测线S3上下盘测点在X方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。傅里叶谱谱频较窄，卓越频率为：上盘2.83～3.71 Hz，下盘2.92～3.61 Hz，均值为3.23 Hz。图13 为测线S4上下盘测点在X方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。傅里叶谱各测点卓越频率为：上盘2.63～3.71 Hz，下盘2.64～3.81 Hz，均值为3.15 Hz；2 条测线的反应谱卓越周期集中在0～0.5 s 内，烈度幅值随时间呈现上升的趋势，A1、B1能量积累最多。

图12 测线S3 上下盘频谱特征曲线Fig.12 Spectrum characteristic curves of S3

图13 测线S4 上下盘频谱特征曲线Fig.13 Spectrum characteristic curves of S4

测线S3和测线S4均布设于地裂缝F3上，由于周围建筑物、地下水等地质条件的不同，其卓越频率、卓越周期以及各频谱特征曲线极值并不相同，但S3和S4幅值衰减曲线(图14、图15)具有相同的规律，即在靠近地裂缝时，3 种峰值达到最大，且上盘的峰值大于下盘。

图14 测线S3 幅值衰减曲线Fig.14 Decay curves in peak amplitudes of S3

图15 测线S4 幅值衰减曲线Fig.15 Decay curves in peak amplitudes of S4

4.4 唐山地裂缝(F4)

测线S5处地层砂土与黏土互层，且夹层发育，结构较杂乱，波速变化无一定规律。图16 为测线S5在X方向的傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度曲线。傅里叶谱主峰集中且发育多峰，谱面积较大，与剖面特征相对应。傅里叶谱卓越频率为：上盘2.63～3.61 Hz，下盘2.24～3.80 Hz，场地均值为3.13 Hz；反应谱曲线主峰集中，表现出双峰特征，且卓越周期集中在0～0.5 s 内。各测点烈度曲线均随时间上升，且测点垂向峰值大于水平向。

图16 测线S5 上下盘频谱特征曲线Fig.16 Spectrum characteristic curves of S5

测线S5幅值衰减曲线(图17)遵循相同规律，3 种谱型均在地裂缝附近具有放大效应，后在20 m 左右趋于平缓，且相同距离测点上盘峰值始终大于下盘。

图17 测线S5 幅值衰减曲线Fig.17 Decay curves in peak amplitudes of S5

5 场地放大效应分析

通过上述各测线频谱曲线和幅值衰减曲线分析发现，地裂缝对场地动力响应具有放大作用，且在靠近地裂缝处傅里叶幅值、反应加速度和Arias 烈度最大，在距离地裂缝20～30 m 处幅值趋于稳定，表明这种放大效应有一定的影响范围。由于振幅、加速度和强度的值随场地条件而变化，为了进一步讨论地裂缝对场地动力响应放大效应以及影响范围，引入“放大因子”来进行探究。将距离地裂缝20～30 m 处幅值均值作为该场地的平稳幅值，并定义放大因子为其余各测点幅值与该平稳幅值的比值。

通过5 条测线的上下盘放大因子与地裂缝水平距离关系衰减曲线(图18)可以看出，放大因子在靠近地裂缝时最大，远离地裂缝后，傅里叶谱、反应谱和Arias 烈度的放大因子在20 m 之后趋于平稳，曲线基本重合，说明地裂缝场地放大效应影响范围约为20 m。图18a 和图18c 可以看出，构造型地裂缝的放大因子大于非构造型地裂缝(古河道地裂缝)的放大因子。同时，在构造型地裂缝中，构造地裂缝的放大因子又大于地震地裂缝的放大因子。

将图18 的5 条测线的放大因子进行综合拟合，如图19 所示。从图可以看出，靠近地裂缝的地方，上下盘的放大因子极值均达到2 以上，且上盘大于下盘。根据图19 拟合曲线可得到地裂缝场地动力响应放大效应的具体影响范围，见表1。从表1 可以得出，地裂缝对场地动力响应的影响范围，上盘平均为23.3 m，下盘平均略小于20 m，上盘大于下盘。同时，当上盘和下盘分别在距地裂缝7.2 m 和6.0 m 范围内，放大系数达到1.5 倍以上。上下盘放大效应不同，可能是由于地裂缝两侧倾斜地层的不对称分布所引起的几何效应，即：与地裂缝在地表迹线的距离相等的两点，上盘观测点到地裂缝的距离小于下盘，所以上盘受震动影响程度大于下盘，且相对下盘，上盘约束小，活动性更强。因此，在地裂缝场地，若按照一般场地进行考虑，则建筑物的抗震设防水平明显不够，建筑物面临较大的地震破坏风险，需提高抗震设防水平或进行合理的避让。

图19 放大因子与地裂缝水平距离关系拟合曲线Fig.19 Fitting curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

表1 不同放大倍数下地裂缝场地影响距离Table 1 Influence distance of earth fissure site under different magnification

为研究地裂缝类型对场地动力响应放大效应的影响，将图18 所示的3 类不同成因地裂缝场地放大因子求均值拟合，如图20 所示。其中，Site1 为2 条构造地裂缝放大因子拟合曲线，Site2 为2 条古河道地裂缝放大因子拟合曲线，Site3 为地震地裂缝放大因子拟合曲线。从图中可以看出，上盘放大倍数在2.2～2.7，下盘放大倍数在1.7～2.4，且无论是上盘还是下盘，放大效应均表现为构造地裂缝最大，地震地裂缝次之，古河道地裂缝最小。根据放大因子拟合曲线可得到地裂缝场地动力响应的影响范围，见表2。从表2 可知，3 类场地放大效应的影响范围也不相同。构造地裂缝场地约24 m，古河道地裂缝场地约20 m，地震地裂缝场地约22 m；当场地放大效应达到1.5 倍时，以上3 类场地的影响范围分别为9、5、8 m。同样表现为构造地裂缝最大，地震地裂缝次之，古河道地裂缝最小的特征。其原因可能是：构造地裂缝F1和F2为断层蠕滑型地裂缝[3,25]，目前依旧处于活动期，导致地裂缝活动性加强；地震地裂缝F4是发震断层黏滑型地裂缝[22]，且自1976 年以来该地区不断有小震发生，地裂缝活动相对较弱；古河道地裂缝F3为非构造型地裂缝，主要受降水、地下水等因素影响，活动性弱，因此，出现构造型地裂缝影响范围大于非构造型地裂缝的现象。

图20 3 类地裂缝场地放大因子拟合曲线及其影响范围Fig.20 Fitting curves and influence distance of three different types of ground fissure sites

表2 不同放大倍数下地裂缝场地影响距离Table 2 Influence distance of earth fissure site under different magnification

图18 放大因子与地裂缝水平距离关系衰减曲线Fig.18 Decay curves between amplification factor and horizontal distance from the earth fissure

6 结 论

a.地裂缝对场地卓越频率和卓越周期影响较小，主要由场地土层性质和土层结构决定。

b.地裂缝对场地的动力响应具有放大效应，距离地裂缝越近，放大效应越明显，并随着距地裂缝距离的增大而衰减，最后趋于平稳。地裂缝附近整体表现为构造地裂缝的放大因子最大，地震地裂缝的放大因子次之，古河道地裂缝的放大因子最小。

c.综合考虑，河北平原典型地裂缝场地动力放大效应的影响范围上盘约24 m，下盘约20 m。放大系数达1.5 倍的影响范围上盘为7.2 m，下盘6.0 m。不同成因地裂缝场地的放大效应影响范围也不同，构造地裂缝场地的放大效应影响范围最大，地震地裂缝次之，古河道地裂缝最小。

d.因地裂缝场地具有放大效应，处于地裂缝影响范围内的建筑物，若按照一般场地进行考虑，则建筑物的抗震设防水平不够，建筑物面临较大的地震破坏风险，故需提高抗震设防水平或进行合理的避让。