微動勘探技術在建筑巖土工程勘察中應用研究

殷 勇 吳明和

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地球表層時刻存在著非地震引起的微弱隨機振動，位移幅度一般為幾個微米，頻率變化范圍在0.1～50.0Hz之間，通常周期小于0.5s的短周期微動信號主要為近距離的人為振動(交通運輸、機械振動和人員活動)激發產生；周期大于0.5s的長周期微動信號主要是由像海浪、風、氣候等自然現象的變化引起。

微動是一種由體波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)組成的復雜振動，其中面波的能量占信號總能量的70%以上，微動中面波信息與地表介質密切相關。微動信號的振幅和形態隨時空變化而發生改變，在一定范圍內具有統計穩定性，可用時間和空間上的平穩隨機過程描述，微動勘探技術就是利用微動信號中攜帶的地表介質密切相關的面波信息來進行地質勘探[1-8]。

1 微動勘探技術方法原理

從微動數據中提取頻散曲線的方法主要有空間自相關法( SPAC 法和ESPAC法)和頻率波數法( FK法和HFK法)。其中SPAC 法一般適用于圓形臺陣(位于圓心的接收點為中心點，其余接收點等角度分布于圓周上)觀測，而頻率波數法適用于任意形狀的臺陣。

1.1 空間自相關法( SPAC )提取相速度頻散曲線

空間自相關法( SPAC )由Aki[9]于1957年提出。首先，假定微動信號在時空上符合平穩隨機過程，其次，假定微動信號所包含的各種成分的波中面波基階模態占優勢。其基本原理為：某一時段平穩隨機的微動信號X(t,ε(x,y)是時間t和位移矢量ε(x,y)的函數。它的頻譜表現形式為：

X(t,ε(x,y))=?exp(iωt+iKε)dZ′ (ω,K)

(1)

式(1)中：ω=2πf為角頻率；

K=(Kx，Ky)為波速矢量；

Z′為正交隨機過程。

SPAC法觀測系統臺陣一般為圓形或嵌套圓形，圓形臺陣上的某點、中心點兩組信號的標準化自相關函數方位平均值可以表示為：

(2)

式(2)中：S(f,r,θ)為圓心處觀測點與圓周上觀測點信號的互相關譜；

S0(f,θ)和Sr(f,r)分別為圓心處和圓周上觀測點信號的自相關譜；

J0為第Ⅰ類零階貝塞爾函數；

θ為波的方位角；

c(f)為波的相速度；

ρ(f,r)為空間自相關系數。

1.2 頻率波數法(F-K)提取相速度頻散曲線

頻率波數法(F-K)首先要求出不同頻率的功率譜，其計算方法有多種，以最大似然法最為常用，功率譜可以表示如下:

(3)

(3)式中：ω=2πf為角頻率；

(xi,yi)為觀測點i的坐標；

K=(kx,ky)為波速矢量；

φij(ω)為各觀測點之間的信號的相關性所組成的矩陣的逆矩陣的元素。

微動由體波和面波組成，如果某一信號占相對優勢，則它在功率譜上會與一個最大值對應，假設該最大值的波速為k0=(kx0,ky0)，則與之對應的傳播速度為：

(4)

波的傳播方向為：

(5)

這樣求出不同的相速度C就可以得到一條實測的相速度頻散曲線。頻率波數法(FK)臺陣布置比空間自相關法( SPAC )自由，特別是小臺陣觀測時有著非常好的優勢，近年來逐步在工程中得到了應用。

1.3 微動提取H/V譜

HV譜比法(HVSR)法于1989年由Nakamura提出，數據采集時僅用單個三分量拾震器實測微動信號，計算水平分量和垂直分量的頻譜比值，利用面波HV曲線，采用廣義最小二乘法進行反演，得出測點下地層的結構參數，在反演過程中使用了最大似然估計，較好地防止迭代過程中的發散現象。在水平層狀介質中，頻率為ω的微動面波HV譜比可定義為：

(6)

式(6)中：PNS(ω)和PEW(ω)為兩個相互正交的水平運動傅立葉功率譜；

PUD(ω)為垂直運動的傅立葉功率譜。

而頻率為ω的X向運動的傅立葉功率譜P(ω)可表示為：

(7)

式中，L為不相重疊的數據段的總數；

SXl(ω)為X向運動第l個數據段的傅立葉變換。

2 探野外工作方法

根據勘探目的，微動勘探法野外工作可分為單點觀測和剖面觀測。野外方法基本一致，只是剖面觀測需按一定間距沿剖面進行單點觀測。在建筑巖土工程勘察中，一般采用單點觀測，資料處理時可將單點觀測資料連成剖面進行處理、分析和解釋。觀測時可采用圓形、嵌套圓形、L型或直線型觀測系統，但微動單點勘探大多采用圖1所示觀測臺陣，由6臺儀器所組成，除圓心放置1臺(S1)外，其余5臺(S2～S6)均勻放置在同一圓周上。臺陣中心點到圓周的距離稱為觀測半徑R，建筑場地勘察一般R取值1.5m～3.0m。采用嵌套圓形觀測系統時會加大臺陣布置難度，R取值增大時會增大淺層探測的盲區。L型和直線型在圓形臺陣確實無法布置時采用。

微動勘探應使用寬頻帶地震儀，對各臺儀器間的一致性要求較高。各臺陣最好為無線連接方式，通過GPS授時功能實現各臺地震儀的信號同步，單點采集每次觀測時長約為12min～20min。

圖1 微動野外觀測臺陣示意圖

3 微動數據處理

在建筑工程勘察中，為了充分利用微動各種有用信息，在處理時會多增加一些屬性參數的處理，利用不同的屬性參數可有效地提高解釋精度。處理流程大致如下：

①數據解編，將不同測點信號從總信號中提取出來并進行GPS時鐘校正。

②建立測點觀測系統。

③將實測信號分成若干個數據段，剔除干擾明顯的數據段。

④利用頻率波數法(F-K)和空間自相關法(SPAC)提取面波相速度頻散曲線及自相關系數曲線。

⑤利用HV譜比法(HVSR)計算測點各臺陣H/V曲線。

⑥利用傅立葉變換計算測點各臺陣功率譜曲線，同時求取各臺陣能量譜占比曲線。

⑦建立頻率-深度模型，確定頻散曲線頻率與深度的轉換關系。在傳統面波勘探中，大多直接采用半波長進行頻率-深度轉換，以往工作經驗表明，當頻散曲線中存在明顯高階面波成分時，高階面波所影響的頻段深度解釋時明顯偏深，因此，需要將頻率與半波長深度兩組數據進行擬合來確定頻散曲線頻率與深度的轉換關系，工程應用表明此方案對資料解釋有較好的改善。

⑧繪制剖面等值線圖和測點曲線圖。主要包括深度Vx等值線圖、頻率相速度等值線圖、頻率H/V比值等值線圖、歸一化功率譜等值線圖、能量譜占比等值線圖、頻率自相關系數等值線圖、頻率相速度及深度曲線、H/V比值曲線、功率譜曲線、能量譜占比曲線及頻率自相關系數等。

⑨利用上述各種圖件，結合鉆孔、地質測繪、坑探、井探等資料對剖面進行綜合分析解譯，形成巖土地質解釋成果。

4 建筑巖土勘察中的應用

4.1 確定建筑場地類別

圖2 頻率-慢度密度分布圖及頻率-慢度曲線

建筑場地類別的判定是利用地下地層橫波速度為基礎資料，采用某一深度范圍內土層等效剪切波速結合覆蓋層厚度綜合判定建筑場地類別，具體判別依據可見國家標準《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)。對微動資料進行反演，獲得地下介質的橫波速度結構，在實際應用中也越來越普遍，并于2018年3月寫入行業標準《城市工程地球物理探測規范》(CJJ/T 7-2017)。利用微動資料進行波速測試主要有以下幾種方法：①利用微動相速度曲線進行反演；②利用H/V曲線進行反演；③利用微動相速度曲線和H/V曲線聯合反演。其中②③處于研究和試驗階段，最為普遍的還是采用①進行反演。利用面波相速度曲線進行反演也可采用不同算法，傳統的有最小二乘法，波速測試時大多采用此方法。另外，也可采用模擬退火法和遺傳算法。在工程應用方面，圖2為某建筑場地58#孔利用微動信號處理得到的頻率-慢度密度分布圖，圖中藍色線為相速度頻散曲線。

頻散曲線需進行可靠性分析，剔除不可信頻點、高階頻點，方可進行反演解釋。圖3即為采用最小二乘法進行反演得到的成果圖。

圖3 85#孔面波反演成果圖(最小二乘法)

圖4左邊圖為采用模擬退火法反演得到橫、縱波模型，右邊圖為各模型誤差分布，紅線對應最優反演模型。

圖4 85#孔面波反演成果圖(模擬退火法)

最終反演成果如表1所示。

表1 85#孔波數測試成果表

建筑場地波速測點一般布置在鉆探孔位上，地下地層結構已經確定，用模擬退火法或遺傳算法由面波頻散曲線反演地下地層結構的橫波速度可以在較大范圍進行搜索，不致于因初始模型不當而漏掉最優模型。

4.2 巖土地層分層

微動勘探對地層進行劃分以深度Vx等值線圖為基礎，結合地質鉆探、地質測繪、井探等資料，輔以頻率相速度等值線圖、頻率H/V比值等值線圖、能量譜占比等值線圖、歸一化功率譜等值線圖、頻率自相關系數等值線圖綜合進行解釋。針對不同的層位，參照輔助圖件有不同的側重點。①風化巖面、基巖面以頻率相速度等值線圖、頻率H/V比值等值線圖為重點；②沖洪積層與殘坡積層分界面可參照頻率相速度等值線圖和頻率自相關系數等值線圖；③軟弱性透鏡體可參照頻率H/V比值等值線圖、能量譜占比等值線圖。勘察中鉆孔與微動對比點需有一定比例，通過分析這些標定點的曲線屬性特征，可掌握整個場地各土層分布特征，能較好地提高微動資料解釋精度和準確性。

福州市倉山區蓋山鎮某工程主體由9座15層中高層商住綜合樓、6座14層中高層住宅樓、4座13層中高層住宅樓、16座11層中高層住宅樓、4座9層中高層住宅樓、2座5層小高層住宅樓及1座3層幼兒園組成，設1層整體大地下室。在巖土工程勘察中，采用了地質鉆探結合微動勘探法進行聯合勘察，共完成微動勘探測線14條，微動勘探點126個，微動參考點32個。圖5、圖6為L12測線面波深度Vx剖面圖和成果解釋圖，解釋中對10個不同地層進行了綜合劃分，針對不同層位參考了不同微動測試屬性。碎塊狀強風化花崗巖頂界面最先被確定，主要參考了面波Vx速度、鉆孔資料，此層位變化平緩。中等風化花崗巖頂界面主要參考面波Vx速度、HV峰值和鉆孔資料，HV等值線圖(圖7中d處)ZK53、ZK54、ZK57明顯低于ZK35、ZK36、ZK146，同時，結合鉆孔ZK53揭示碎塊狀強風化花崗巖明顯變厚，推斷ZK54、ZK57中等風化花崗巖埋深較深，大于55m。鉆孔ZK35揭示覆蓋層中存在有淤泥(質土)、粉質粘土、淤泥質土等沖洪積層，劃分層位時，如何確定這些沖洪積層和殘坡積層分界線非常重要，如果僅僅采用面波Vx速度結合鉆孔資料進行劃分，往往會出現較大偏差，利用微動其它屬性可有效提高解釋準確度。在該剖面中，首先從頻率相速度等值線圖中(圖8中c處)可以看到Vr速度明顯存在一凸起，在ZK49測點處達到頂峰，可推斷凸起與下部的基巖相連，為殘坡積、風化巖層。因此，必定在ZK35和ZK49之間存在著沖洪積的尖滅點，同時從能量譜占比等值線圖中可以看出ZK35、ZK36存在一延伸至高頻段的高值異常區(圖9中f處)，ZK146卻沒有，可斷定沖洪積層僅在ZK35、ZK36孔位存在，在以上判斷基礎上，結合Vx速度和鉆孔資料可有效的對沖洪積層進行分層。對殘坡積層、風化巖層中地層尖滅也可以采用以上方法進行，利用的微動屬性參數不盡相同，如剖面中殘積砂質粘性土的確定就利用了H/V比值和Vx速度(圖7中e處)。

圖5 L12測線深度Vx剖面圖

圖6 L12測線成果解釋圖

圖7 L12測線頻率H/V比值等值線圖

圖8 L12測線頻率相速度等值線圖

圖9 L12測線能量譜占比等值線圖

在某些地質條件下，面波傳播過程中往往會發育一些高階面波成分，在微動勘察中也可以觀測到。從Vx剖面圖中可以看出，在圖5中a,b兩處存在明顯的高速異常，它位于全風化花崗巖和砂土狀強風化花崗巖中，推斷是由這些層位中不均勻性引起。以往經驗表明，在以下地質條件下較易發育高階面波：①較厚的淤泥、淤泥質土中；②含碎石粉質粘土中；③較厚的砂土狀強風化巖中。總體看沖洪積層比殘坡積層更易發育高階面波。地層分層時，應對這種現象進行重點關注，做到查證識別。

4.3 風化殘留體探測

球狀風化是巖漿巖地區一種比較常見的地質現象。在建筑巖土工程勘察中，球狀風化體的存在，勘察過程中不易發現，往往容易誤導工程設計及施工，導致施工困難(如斷樁)、上部結構失穩(如不均勻沉降)等問題，甚至會被勘察誤判為基巖，從而對球狀風化區建筑物或構筑物基礎工程構成潛在威脅，也增加基礎工程施工難度。主要表現在以下幾個方面：

(1)基礎形式采用預應力管樁時，施工中可能壓樁已達到設計要求，但樁尖僅進入孤石，未進入持力層，此時若錯判終壓，將留下嚴重安全隱患。若繼續增大壓力，則易導致斷樁，增加施工成本。

(2)基礎形式采用沖(鉆)孔灌注樁時，因球狀風化體的存在，鉆孔樁施工存在鉆進速度慢，易偏孔、卡鉆，鉆頭損耗大，嵌巖樁終孔條件難判定的情況。

(3)基礎形式采用淺基礎時，因球狀風化體與周邊風化層壓縮性差異較大，易產生基礎不均勻沉降，使建筑物產生裂縫等，嚴重時導致建筑物無法使用。因此，在工程地質勘察階段，應該對球狀風化體進行全面具體的調查與研究。

利用微動技術對風化殘留體進行探測與對巖土地層分層比較類似，對殘留體進行探測主要側重對異常體的分析。微動屬性參數中，需重點關注相速度、自相關系數和H/V比值。在頻率相速度等值線圖中，風化殘留體表現為Vr高速異常；在頻率自相關系數等值線圖中，風化殘留體表現為自相關系數高值異常；在頻率H/V比值等值線圖中，風化殘留體表現為凸起、多峰異常。圖10～圖11為某工程L3測線面波頻率相速度等值線圖和成果解釋剖面圖，在圖10中的g處，可明顯看到兩個高速異常區，并且與深部低頻高速區明顯分離開來，因此推斷此高速異常為砂土狀強風化花崗巖中發育的中風化核。后經鉆孔驗證14孔在5.1m～6.3m、6.8m～8.2m處發育有兩處中風化核，與推斷的5.3m～8.6m為中風化核較為吻合。

圖10 L3測線面波頻率相速度等值線圖

圖11 L3測線面波成果解釋剖面圖

5 結語

本文把微動勘探技術應用于建筑巖土工程勘察中，針對建筑場地地球物理勘探條件復雜，場地狹小，要求精度高等特點，從野外觀測方式到室內資料處理整個過程，均提供了較好的解決方案。利用微動多參數屬性，綜合分析對地層進行劃分，可提高資料的解釋精度和準確度。文中僅闡述了建筑場地類別的確定、地層劃分和對風化殘留體探測。其實，微動多參數屬性解釋還可應用于巖溶探測、采空區、塌陷區探測等方面，隨著微動技術在建筑工程勘察中的進一步應用，在勘察中會發揮越來越重要的作用，也會成為巖土工程勘察中的一種有效勘探手段。