微動(dòng)H/V譜比法在既有混凝土灌注樁探測(cè)中應(yīng)用

吳明和

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來(lái)微動(dòng)探測(cè)方法在國(guó)內(nèi)受到廣大關(guān)注，它具有較強(qiáng)的抗干擾性、無(wú)損性、經(jīng)濟(jì)性，且能適應(yīng)各種復(fù)雜的地理環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，解決了有些受地形或環(huán)境等因素影響而無(wú)法使用傳統(tǒng)鉆探施工的難題。微動(dòng)的H/V譜比法是其中一種更為便捷、直觀(guān)的方法。

土層剪切波速VS是描述工程場(chǎng)地的一個(gè)重要基本參數(shù)，而瑞利面波在層狀介質(zhì)中具有頻散的特性，且與VS之間關(guān)系密切，于是，人們對(duì)其專(zhuān)門(mén)做了大量實(shí)驗(yàn)研究。Nogoshi和Igarashi[1]通過(guò)對(duì)地脈動(dòng)H/V譜的研究，得出地脈動(dòng)的主要成分是瑞利波的結(jié)論。Nakamura[2]的研究表明，在場(chǎng)地上僅用一個(gè)三分量檢波器觀(guān)察到地脈動(dòng)的水平向和垂直向(H/V)譜比與場(chǎng)地垂直入射S波的放大因子相似。這表明地脈動(dòng)的H/V譜可以反映場(chǎng)地的VS剖面，對(duì)于不同VS結(jié)構(gòu)的地層，面波具有不同的水平分量與垂直分量的H/V譜；反之，面波地脈動(dòng)的H/V譜能夠反映不同地層的VS結(jié)構(gòu)剖面。

對(duì)土層松散沉積層中介質(zhì)響應(yīng)和H/V譜特征研究表明；介質(zhì)中阻抗比差異越大，H/V譜反映越明顯。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)證H/V譜頻率和土層頻率有著密切關(guān)系[3-7]。

用H/V曲線(xiàn)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征有3條：①可以通過(guò)峰值振幅指出是否存在剛性層，并且通過(guò)理論公式確定剛性層的埋深；②利用H/V曲線(xiàn)在空間或特殊形態(tài)上的變化，可以探測(cè)到地層中橫向異質(zhì)體；③可以顯示地層速度逆轉(zhuǎn)。遺憾的是,H/V曲線(xiàn)探測(cè)，在中國(guó)的應(yīng)用目前并不多見(jiàn)，雖然利用峰值頻率探測(cè)基巖面埋深在相當(dāng)多研究者中已經(jīng)取得了共識(shí)。而利用H/V曲線(xiàn)對(duì)橫向異質(zhì)體的探測(cè)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不多見(jiàn)。實(shí)質(zhì)上，微動(dòng)H/V譜比法在工程上應(yīng)用范圍廣泛。

基此，本文結(jié)合福州市地鐵4號(hào)線(xiàn)障礙物調(diào)查項(xiàng)目，應(yīng)用H/V譜比法對(duì)人行天橋拆除后遺留的混凝土灌注樁進(jìn)行探測(cè)，實(shí)踐證明了該方法的可行性。

1 微動(dòng)H/V譜比法基本原理

1.1 微動(dòng)定義

微動(dòng)是指地表微弱的振動(dòng)，而這種振動(dòng)主要由自然界運(yùn)動(dòng)和人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生。自然界運(yùn)動(dòng)，包括潮汐運(yùn)動(dòng)、風(fēng)、氣候等，該運(yùn)動(dòng)具有長(zhǎng)周期性(t>1.0s)。人類(lèi)活動(dòng)，包括機(jī)械施工、交通運(yùn)輸人員活動(dòng)等，具有短周期性(t<1.0s)。地震儀或者檢波器時(shí)刻在記錄著地球表面的微動(dòng)信號(hào)(地脈動(dòng))，而微動(dòng)信號(hào)中包含著地下結(jié)構(gòu)的豐富信息，可以用于對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像分析，從而獲得地下結(jié)構(gòu)的信息。

1.2 H/V譜比法

地震波通常由體波和面波組成，體波包括縱波(P)、橫波(S)等，其中面波占地震波總能量的2/3。面波按質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式不同，又分為包括瑞利波和勒夫波。面波的傳播速度與介質(zhì)的頻率有關(guān)(頻散現(xiàn)象)。通常情況下，地脈動(dòng)中不存在高階瑞利波和勒夫波。當(dāng)?shù)孛}動(dòng)的垂直分量與水平分量在同一方向傳播時(shí)，由地脈動(dòng)水平分量可得到勒夫波頻散曲線(xiàn)。如果已知土層VS值，則可以估計(jì)出相應(yīng)土層厚度變化。所以，基階瑞利波(H/V)譜比的峰頻率及谷頻率與場(chǎng)地觀(guān)測(cè)到的地脈動(dòng)的峰值頻率及谷頻率一致，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地地脈動(dòng)H/V譜反演能估計(jì)出場(chǎng)地VS結(jié)構(gòu)。在水平層狀介質(zhì)中，頻率為ω的地脈動(dòng)H/V譜定義：

(1)

式中：PNS(ω)和PEW(ω)是兩個(gè)相互正交的水平運(yùn)動(dòng)傅里葉變換功率譜，PUD(ω)是垂直運(yùn)動(dòng)的傅里葉變換功率譜。而頻率為ω的X向運(yùn)動(dòng)的傅立葉功率譜P(ω)可表示為：

(2)

式中，L為不相重疊的數(shù)據(jù)段的總數(shù)，SXl(ω)為X向運(yùn)動(dòng)第l個(gè)數(shù)據(jù)段的傅立葉變換。

然而，微動(dòng)H/V譜比不總是與基階瑞利波的H/V譜比相一致，這可能是以?xún)?nèi)地脈動(dòng)中存在著其他面波成分，即高階瑞利波和勒夫波。考慮基階和高階面波的影響，Arai和Tokimatsu[8]等定義了頻率為ω時(shí)的瑞利波(H/V)譜比(H/V)R、面波(H/V)譜比(H/V)S及水平運(yùn)動(dòng)的瑞利波和勒夫波振幅比(R/L)：

(3)

式中：

PHR(ω)和PVR(ω)分別是瑞利波水平方向和垂直方向的功率譜；

PHL(ω)是勒夫波在水平方向的功率譜；

PHS(ω)和PVS(ω)為水平方向和垂直方向所有面波的功率譜。

通過(guò)場(chǎng)地VS剖面計(jì)算出的H/V譜與場(chǎng)地觀(guān)測(cè)的地脈動(dòng)H/V譜能很好的匹配。所以，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地地脈動(dòng)H/V譜的反演，能估計(jì)出場(chǎng)地的VS結(jié)構(gòu)。

1.3 H/V曲線(xiàn)特征

常見(jiàn)H/V曲線(xiàn)有個(gè)明顯的峰值頻率，單臺(tái)數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分微動(dòng)是由體波還是面波組成，很難判斷H/V峰值是由于體波中S波在松散沉積層的共振引起，還是瑞利面波的極化作用或勒夫波的震相引起。基此，Bonnefoy-Claudet通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，表明微動(dòng)H/V峰值頻率與波場(chǎng)組成沒(méi)有太大關(guān)系，與松散沉積層的共振頻率相吻合，且H/V曲線(xiàn)峰值頻率f0接近或等于松散沉積層卓越頻率。H/V曲線(xiàn)峰值頻率f0與松散覆蓋層的平均剪切波速和覆蓋層厚度相關(guān)；Seht和Wohlenberg[9]從場(chǎng)地效應(yīng)的傳遞函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出式(4)：

(4)

式中：Vs為覆蓋層加權(quán)平均剪切波速(m/s)；Dov為松散覆蓋層厚度。

H/V曲線(xiàn)類(lèi)型大致可分為：

(1)單峰型：一般表現(xiàn)為覆蓋層與基巖分界面形成較大波阻抗比。此形狀下地層分布相對(duì)均勻峰值頻率對(duì)應(yīng)的深度是碎塊狀或基巖面。

(2)雙峰型：一般表現(xiàn)為在不同深度存在兩處波阻抗比較大的地層。此形狀下表明很可能基巖面上方還存在一個(gè)波阻抗比較大的層位。

(3)寬峰型：一般表現(xiàn)為波阻抗比大的層位較厚。此形狀下碎塊狀較厚或基巖面較陡。

(4)無(wú)峰型：這種情況一般不多見(jiàn)?？赡芨采w層較淺或較深，在計(jì)算時(shí)頻率取值不夠，峰值可能出現(xiàn)在該頻率范圍之外；也有可能數(shù)據(jù)采集異常，導(dǎo)致形成的曲線(xiàn)圖沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

福州市在建地鐵4號(hào)線(xiàn)途經(jīng)楊橋路南后街路段，障礙物調(diào)查表明，該路口先前有一座人行天橋，由于天橋拆除后樁基并未拔除；考慮到該樁基礎(chǔ)有可能侵入到地鐵盾構(gòu)隧道洞身范圍內(nèi)，對(duì)盾構(gòu)施工造成一定安全隱患。該位置又正好處于美食街和南后街入口處，受周邊道路和環(huán)境因素影響，無(wú)法布置鉆孔進(jìn)行勘察。為了進(jìn)一步確認(rèn)該樁基具體位置及埋深，在可疑區(qū)內(nèi)進(jìn)行微動(dòng)探測(cè)。地理位置如圖1所示。

圖1 地理位置示意圖

2.2 野外數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集，用微動(dòng)密集臺(tái)陣探測(cè)，共布置4條測(cè)線(xiàn)，其中L1、L2和L3測(cè)線(xiàn)采用直線(xiàn)型，測(cè)線(xiàn)間距1.5m。L1測(cè)線(xiàn)共布置18個(gè)檢波器，T1～T3和T15～T18間距1m，T3～T15間距0.5m。L2、L3測(cè)線(xiàn)布置12個(gè)檢波器，間距1m。 L4測(cè)線(xiàn)與L1測(cè)線(xiàn)重合，L4采用圓形臺(tái)陣觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，每個(gè)圓形陣列由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)檢波器組成一個(gè)測(cè)點(diǎn)，該測(cè)線(xiàn)共5個(gè)測(cè)點(diǎn)(WT1～WT5)。由于現(xiàn)場(chǎng)位置位于行人與車(chē)輛眾多的景區(qū)門(mén)口，故，選擇夜間作業(yè)，且每個(gè)臺(tái)陣采集時(shí)間不少于20min。測(cè)線(xiàn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)線(xiàn)布置圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)雖然有著較強(qiáng)的抗干擾能力，但由于客觀(guān)原因在采集過(guò)程中難免受到一些干擾，對(duì)此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。每個(gè)地震儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，再進(jìn)行傅里葉變換后，利用公式(3)得到地震儀對(duì)應(yīng)的H/V曲線(xiàn)，如圖3～圖4所示。

圖3 L1、L2和L3測(cè)線(xiàn)H/V曲線(xiàn)圖

從圖3～圖4中可以看出：

(1)無(wú)論地震儀是直線(xiàn)型布置，還是圓形臺(tái)陣布置，除了高頻段(4-45Hz)，所有測(cè)線(xiàn)上地震儀H/V形態(tài)基本一致；

(2)所有H/V曲線(xiàn)最大峰值的頻率為1.2左右，3-20Hz頻率段H/V量值在0.5左右，屬于尖單峰型。

通過(guò)分析H/V曲線(xiàn)的形態(tài)、諧振頻率和峰值等特征，可以推斷該測(cè)試場(chǎng)地地層比較均勻，基巖面平整起伏不大。

圖4 L4測(cè)線(xiàn)H/V曲線(xiàn)圖

為了更加直觀(guān)地反映出地層地質(zhì)情況，獲取更多的有效信息，本研究對(duì)H/V數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，繪制成H/V等值線(xiàn)圖，如圖5所示。

(a) L1測(cè)線(xiàn) (b) L2測(cè)線(xiàn)

(c) L3測(cè)線(xiàn) (d) L4測(cè)線(xiàn)圖5 H/V等值線(xiàn)圖

圖5中，橫坐標(biāo)為里程間距，縱坐標(biāo)為頻率，低頻到高頻反映地層由深部到淺部的信息，右邊為量值大小參考色標(biāo)。L1、L2、L3是單個(gè)檢波器的H/V值繪成的，L4測(cè)線(xiàn)的測(cè)點(diǎn)由6個(gè)檢波器取平均值得到。

通過(guò)這4條測(cè)線(xiàn)對(duì)比可以看出，L1測(cè)線(xiàn)和L4測(cè)線(xiàn)H/V等值線(xiàn)圖有明顯異常。L1測(cè)線(xiàn)在檢波器T8～T12位置，頻率段在3-25Hz，H/V的量值在0.5～0.8之間，明顯高于其他位置的H/V量值。依據(jù)H/V的特征解釋依據(jù)，可以推斷T8～T12檢波器位置下方異常是地層局部出現(xiàn)波阻抗比較大的物質(zhì)所致，基本可以確定樁基礎(chǔ)的位置就在這個(gè)范圍。

為了進(jìn)一步分析，針對(duì)L1測(cè)線(xiàn)的異常反映，對(duì)L1測(cè)線(xiàn)重新反演生成V/H(H/V的倒數(shù))等值線(xiàn)圖，如圖6所示。

圖6 L1測(cè)線(xiàn)V/H等值線(xiàn)圖

V/H的量值大，一般對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)下方相應(yīng)深度位置的土層較軟；V/H的量值小，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)下方相應(yīng)深度位置的土層較硬。從圖6可以看出，T9和T10檢波器下方V/H量值明顯偏小(方框標(biāo)注)，說(shuō)明其下方土層較硬，由此可以斷定T9和T10下方存在樁基礎(chǔ)，且從量值變化范圍看，直經(jīng)約為1m～1.5m。

基于等值線(xiàn)圖的分析結(jié)果，該工程在T9位置附近分別取頻率為4Hz、10Hz、15Hz、20Hz做成V/H水平切片等值線(xiàn)圖，如圖7所示。

圖7 V/H水平切片等值線(xiàn)圖

由圖7可以看出，T9位置下方從淺至深的V/H量值與周邊相比明顯偏低，對(duì)應(yīng)樁基礎(chǔ)的位置。

據(jù)《福州市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程(白馬北路站～東街口站區(qū)間)》詳勘報(bào)告顯示，附近鉆孔MDZ3-29-34終孔47.8m未揭示基巖面，自上而下主要土層為：雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、砂土強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。如圖6所示：T9和T10檢波器下方的V/H量值到3Hz附近才恢復(fù)到和周邊相當(dāng)，因此，3Hz頻率對(duì)應(yīng)為該樁底埋深位置。根據(jù)周邊地層情況及半波長(zhǎng)理論計(jì)算：H=V/2f，頻率為3Hz點(diǎn)相速度值約為300m/s，估算樁底埋深為50m。

探測(cè)結(jié)果表明：該樁基礎(chǔ)位置在T9和T10周邊，直徑為1m～1.5m，樁底埋深50m左右，已穿過(guò)盾構(gòu)隧道洞身。

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

測(cè)試點(diǎn)因?yàn)樵诰皡^(qū)入口，環(huán)境特殊不能進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。但本次探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與《楊橋路和南后街交叉口天橋竣工圖》基本一致，T9位置為②號(hào)橋墩放樣位置，樁基的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度50.3m，埋深51m，設(shè)計(jì)直徑1m。

3 結(jié)論

該案例采用微動(dòng)技術(shù)探測(cè)遺留在松散沉積土層中樁基礎(chǔ)的位置及埋深，利用微動(dòng)H/V譜比法簡(jiǎn)單、方便、直觀(guān)的特點(diǎn)，分析單個(gè)地震儀H/V曲線(xiàn)、剖面H/V(V/H)等值線(xiàn)圖和水平切片等值線(xiàn)圖，快速定位了樁基礎(chǔ)具體位置。探測(cè)結(jié)果表明：

(1)微動(dòng)探測(cè)方法屬于天然被動(dòng)源面波探測(cè)法，野外操作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)破壞場(chǎng)地等特點(diǎn)，很適合城區(qū)及復(fù)雜的地理環(huán)境。

(2)H/V譜比法處理方法簡(jiǎn)單、高效，能夠快速和直觀(guān)的反映出地層差異，從而達(dá)到探測(cè)的目的。

(3)從此次探測(cè)是數(shù)據(jù)來(lái)看，對(duì)于尋找局部異常采用單個(gè)檢波器的H/V等值線(xiàn)圖來(lái)分析，效果要比平均值更直觀(guān)、準(zhǔn)確。所以，要根據(jù)探測(cè)目的選擇合適的臺(tái)陣布置。

(4)通過(guò)H/V譜比法的原理，可以將此方法用于孤石探測(cè)、基巖突起、巖溶探測(cè)、判斷基巖深度等領(lǐng)域。

雖然H/V譜比法在工程上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但其也存在著不足：

(1)對(duì)H/V峰值的出現(xiàn)是瑞雷波極化所致還是S波諧振頻率導(dǎo)致還沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。

(2)對(duì)場(chǎng)地速度的估算存在著誤差，為進(jìn)一步提高探測(cè)精度還需參照鉆孔資料。

(3)對(duì)于覆蓋層中波阻抗小的異質(zhì)體反映不明顯，不足以作為單一判斷的依據(jù)。