微動勘測技術在土木工程領域的應用分析

孟愛青

(太原理工大學，山西太原　030024)

微動勘測技術在土木工程領域的應用分析

孟愛青

(太原理工大學，山西太原030024)

摘要:介紹了微動勘探技術的形成和發展歷程，根據微動勘探的原理，從陳列設計與觀測、F—K法、自相關法等方面，闡述了微動勘測技術在土木工程中的應用，指出微動勘探方法具有勘測精度高、所需設備簡單、造價低等優點。

關鍵詞:微動勘探技術，土木工程，觀測點，地震儀

近年來，城市建設的進程日益加快，通常需要結合地表地下結構數據，比如大型建筑場所在勘探地質過程中需要了解土層構成，需要勘探場地上有沒有軟土層;在城市活動斷層分析過程中，需要對斷層斷點處的地理方位進行識別等，要完成這些任務往往要在場地擺置非常多的鉆井，同時抽取巖芯進行研究;而鉆孔存在著資金成本高、時間長等弊端。而微動勘探方法就非常好地解決了這些問題，微動勘探方法利用提取所測場的土層變化曲線，通過這些曲線反演來計算出土層速度和土層結構。因為該方法主要是通過地下橫波速度構成來分析場地構成的，所以在測試場地中有低速土層等，在識別這些土層的詳細方位時非常精確。

1　微動勘探技術的形成和發展

在土木工程領域，因為利用P—S波來測井這種方式存在著成本高、周期長等缺點，除此之外，利用反射法勘查地質構成這一方法還存在著其技術要求比較嚴格，對環境破壞性大等問題。在這種形勢下，一種新型的勘探方式出現了——微動勘探技術，該方法通過指定的檢波器，指定的觀測臺陣獲得這種來自地球的微動信號，接下來通過數據提取來分析面波信號，然后利用反演獲得地下橫波組織結構。

2　微動勘探原理

2.1微動勘探原理

地球表面每時每刻都存在著人類不易覺察的震動，我們稱之為微動。微動信號并非人為，其源自于大自然和人類活動，比如天氣變化或者潮漲潮汐等。而人類活動主要包括機車、生產活動等，其頻率往往超出了1 Hz。微動并沒有既定的震源，震動波主要是取決于測試點的周圍，從而勘探出跟地球相關的有用資訊。

微動勘探方法通過指定的儀器，指定的觀測臺陣來獲取來自地球的微動波，接下來通過計算方法來得出面波信號，利用反演方式得出橫波速度，從而實現對地質構成的勘探。

2.2微動勘探技術方法

微動是通過體波( P波與S波)與面波(瑞利波與拉夫波)構成的復雜震動，同時面波的能量占整個信號能量的60%以上。即使微動信號的震動幅度和震動頻率并不遵循一定的規律，可是通過指定的地理范圍能計算出其平穩特征，利用時間與地理上的平穩隨機環節來證明。微動勘探方法利用平穩隨機環節作為數據參考，通過微動信號來提取頻散曲線，然后利用頻散曲線的反演方式，來計算出地下成分的橫波速度，從而達到勘察目的。

3　微動勘探技術在土木工程領域的使用詳情

3.1陣列設計與觀測

微動勘探是基于陣列設計和陣列形狀的。目前，地質結構信息比較豐富，在一定程度上可以事先估算出地下結構，按照感度分析法完成定量策劃。假如地質信息不足，不能事先估算出地質構成，可以通過跟勘探長短相同的陣列長度。在通常情況下會通過二重正三角形，即同一個圓心位置放置地震儀，同時在兩個同心圓里面分別擺放三個地震儀。

微動勘探利用地震儀的寬頻帶特點，因此需要地震儀有著非常高的統一性，一般情況下，地震儀的統一性需要高出0.9。微動勘探過程中每個機器都是獨自運行的。為了使每個觀測點同步進行，日本國家普遍會通過衛星標準信號來對儀器的精確度進行驗證和調校。

3.2 F—K法

現如今，F—K法與相關法在微動勘探技術中比較常用。

F—K法在20世紀60年代的時候形成。在20世紀60年代，美國為了實現對其他國家核武器的監督和控制，其地震觀測網的直徑超出了400 km。為了獲得核武器基地所發出的信號，美國研發了F—K，從此該方法就形成了，并且在土木工程領域得到了廣泛的應用。

體波和面波等各種信號構成了微動的主要成分。比較突出的一種信號會跟信號圖中的最高值相對照。如果用f0代表該信號，那么信號圖中的波數就可以用k0= ( kx0，ky0)來表示，因此這個波的傳播速度就可以計算出來，其表達式為:

波的傳遞方向為:

在F—K法中，其法譜表達式為:

其中，點( xi，xj)為觀測點的位置;φij( f)為信號點矩陣中的逆陣元素。

3.3自相關法

自相關法利用定義而得出。假如在空間領域微動信號符合隨機過程，除此之外微動中所有占優波形成一個面波震動。假如滿足以上條件，那么圓形觀測矩陣中的全部點和與中心點信號相關的函數平均值就可以計算出來。

不論在上述哪種方法中，務必得出任意兩點所觀測到的定義交叉譜與功率譜。采取的測試辦法不同，利用頻散曲線得出的結果值也會存在一定差距，可是總體上跟最終測試結果出入不大。

3.4基于反演方式得出的地下橫波速度

由于地質結構較為復雜，一般情況下會通過地下模型來分析和研究地下構成，利用該模型可以算出頻散曲線值，然后通過反演方法計算出地下橫波速度。不論工程大小，其頻散曲線反演方法是一樣的，往往利用最小二乘法。可是這種方式是依托初始模型才能得出穩定實用的解，這在土木工程中完成地下構成的勘測并不容易。目前，相關領域的專家和學者基于遺傳算法發明了一種新的計算方法，這種方法對最初模型的精確度要求并不高，推演環節也比較可靠，作為目前計算地下橫波速度值的主要方法。

4　微動勘探方法在土木工程領域中的特征

1)土木工程領域中，所需要的勘探設備比較簡單，往往需要勘探儀器實用性強。微動勘探方法往往需要超出3個以上的地震儀器就可以進行現場勘測。假如利用7個地震儀器，可以擺放成同心正三角形，那么僅僅需要3 d左右的時間就可以實現對地下橫波速度的測試。

2)對周圍施工環境沒有任何要求，特別是車流量比較大的繁華街區，微動勘探技術跟之前的反射法有著本質的區分。微動勘探法利用信號源就可以實現勘測。如果在繁華的市中心進行勘測，不會影響勘測結果，而且來自機動車輛的噪聲還為勘測提供了大量的勘測信號。

3)微動勘測方法并不是主動勘測，因此對四周的生態環境不會造成任何破壞作用，特別是對國家生態保護區進行勘探，該方法非常適用。

4)微動勘探方法得出的勘測結果準確性和分辨率都比較高，基于微動勘探方法和鉆孔方法，可以制作出地下二維和三維組織模型。

5)基于微動勘探方法得出的地下結構和P—S方法所獲得值非常接近，因此該方法的精確度非常高。

5　結語

微動勘探方法在土木工程領域中，所需要的測量設施并不復雜，而且資金成本也不高，有著測試周期短，對施工環境沒有任何要求，對生態環境不會造成破壞等特征。因此微動勘探技術在土木工程領域憑借著其他技術無法媲美的特性，必將在土木工程領域成為主流勘探方法。

參考文獻:

［1］王磊.建筑工程的發展趨勢分析［J］.江西建材，2015( 2) : 111-112.

Application analysis of micro-tremor technology in civil engineering field

Meng Aiqing
( Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:The thesis introduces the forming and development history of micro-tremor technology.According to micro-tremor survey principle，starting from aspects of display design and observation，F-K method and auto-correlation method，it describes the application of micro-tremor survey technology in civil engineering，and points out its advantages，such as high survey accuracy，simple equipment and low cost and so on.

Key words:micro-tremor survey technology，civil engineering，observation point，seismograph

作者簡介:孟愛青(1958-)，女，高級工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0048-02

中圖分類號:P631

文獻標識碼:A