微動探測方法在樁基工程不良地質(zhì)體探測中的應(yīng)用
——以福建某擬建廠房項目為例

林孝城 劉宏岳 陳宗剛

(1.福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司 陜西西安 710065)

0 引言

地球表面每時每刻都存在著一種微弱的振動，稱為微動。微動信號來源于自然界與人類活動，前者包括風、潮汐、氣壓變化、火山活動等產(chǎn)生的振動，后者包括交通、工廠機械運行，甚至人的行走等產(chǎn)生的振動。所有這些振動的能量都以波的形式向遠處傳播，其中含有體波(P波和S波)和面波。在傳播過程中，微動信號經(jīng)過大地的濾波和吸收后，能量傳播以面波為主(約占信號總能量的70%以上)。

微動探測方法，也稱為天然源或被動源面波法，它通過觀測微動及相關(guān)數(shù)據(jù)處理，獲得面波速度與H/V譜比等信息后利用這些信息，結(jié)合鉆探資料，可用于探測基巖凸起、孤石、巖溶等不良地質(zhì)體。該方法有效利用環(huán)境噪聲，小半徑臺陣能很好滿足淺層不良地質(zhì)體的探測深度要求，且不受場地條件限制，可在交通繁忙、建筑物密集、鉆探難于實施的鬧市區(qū)或地質(zhì)信息盲區(qū)進行有效探測，是一種無損、經(jīng)濟、高效的地球物理探測手段[1]。在美洲、歐洲和日本等地區(qū)和國家，微動探測方法在無損檢測和場地地震評價中應(yīng)用廣泛[2]。近年來，該方法在孤石、空洞等不良地質(zhì)體探測中得到了越來越廣泛應(yīng)用[1,3-4]。

福建某擬建廠房項目建設(shè)時采用預(yù)制樁作為廠房基礎(chǔ)，在埋置預(yù)制樁時，部分樁位出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象(樁體斷裂或破碎)，現(xiàn)場開挖后發(fā)現(xiàn)較大滾石。經(jīng)現(xiàn)場核實，發(fā)現(xiàn)滾石的位置附近均無勘察鉆孔分布。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當場地地質(zhì)情況出現(xiàn)異常時，應(yīng)進行專項施工勘察。為查明樁位滾石平面分布與埋深情況，并為設(shè)計處理提供依據(jù)，該工程勘測選用微動探測方法作為探測的主要方法和手段，并輔以少量的鉆孔進行驗證。

基此，本文擬在論述微動探測方法基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合該工程實例，介紹該方法在樁基工程不良地質(zhì)體(滾石)探測中的應(yīng)用。

1 基本原理

如上所述，微動探測方法是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法[1]，可獲得面波頻散曲線、H/V譜比、功率譜等信息；綜合獲得的參數(shù)信息，結(jié)合鉆孔資料，可對孤石等不良地質(zhì)體進行推斷解釋。

獲取面波速度信息的工作原理如圖1所示。其勘察步驟，采用圓形或其他臺陣(三角形、L型等) 布置方式進行信號采集，采用空間自相關(guān)(SPAC)算法或頻率波數(shù)域(FK)算法從微動臺陣記錄中提取面波頻散曲線，經(jīng)插值光滑計算獲得二維面波速度剖面。該剖面能直觀反映地層巖性變化，是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。

圖1 面波速度剖面獲取流程圖

圖2 H/V曲線獲取流程圖

H/V譜比法可獲得H/V曲線。該方法首先由Nogoshi和Igarashi提出[5]。獲取H/V曲線的工作原理流程如圖2所示。H/V曲線是振動三分量數(shù)據(jù)進行傅里葉變換得到頻譜，經(jīng)水平分量和垂直分量的頻譜比值得到。它反映的是地層的波阻抗界面，也是尋找土石分界面的依據(jù)之一；且H/V曲線峰值頻率與松散沉積層的共振頻率相吻合。這與很多應(yīng)用結(jié)果相符，可用于估算覆蓋層厚度。

2 工程概況與具體工作方法

2.1 工程概況

福建某擬建廠房項目所在地屬閩東火山斷坳帶，屬河口海積、沖積環(huán)境，根據(jù)工區(qū)巖土工程報告可知，該工區(qū)場地地層較為豐富，沖洪積層有：①填砂；①a雜填土；②淤泥；③粉(砂)質(zhì)粘土(1)；③a淤泥質(zhì)土；④-1碎卵石(1)；④-2圓角礫(1)；④a粉質(zhì)黏土；④b淤泥質(zhì)土；⑤粉(砂)質(zhì)黏土(1)；⑥淤泥質(zhì)土(1)；⑦-1碎卵石(2)；⑦-2圓角礫(2)；⑧粉(砂)質(zhì)黏土(2)；⑨淤泥質(zhì)土(2)；⑩粉(砂)質(zhì)黏土(3)；碎卵石(3)；(含碎石)粉質(zhì)粘土等，風化層有：殘積粘性土；全風化花崗巖；砂土狀強風化花崗巖；碎塊狀強風化花崗巖等?？碧姐@孔中均未揭露滾石。

該廠房項目建設(shè)時采用預(yù)制樁(直徑0.5m)作為廠房基礎(chǔ)。根據(jù)施工單位現(xiàn)場反映，在對1234#樁施打至4m深度時出現(xiàn)爆樁(樁體斷裂或破碎)，現(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)存在大滾石，預(yù)測滾石長度約9m，寬度約7m。

經(jīng)現(xiàn)場核實，出現(xiàn)滾石的位置位于工區(qū)南側(cè)，該區(qū)域為相對孤立山體，自然斜坡坡度一般30°～45°，部分可達55°～60°，推測場地內(nèi)滾石為山體上巖體滾落而致，且在詳細勘察階段該區(qū)域鉆孔時未揭露滾石。為查明樁位位置滾石的平面分布與埋深情況，并為設(shè)計處理提供依據(jù)，選用微動探測方法作為探測的主要方法和手段，并輔以少量的鉆孔進行驗證。為提高滾石摸查效率和成本控制，采用微動探測方法對可疑區(qū)域的樁基位置進行探測，對微動解釋成果中存在異常的位置進行鉆探驗證。

2.2 具體工作方法

根據(jù)施工方及設(shè)計單位指定的樁位位置和滾石揭露區(qū)域，本次微動探測工作共布置了31個微動測點(圖3)，在已知爆樁位置(1234#與1449#樁)和詳勘鉆孔(ZK435)進行微動對比試驗。各測點的觀測系統(tǒng)采用正五邊形陣列，每個陣列由放置于正五邊形頂點和中心點的6個三分量地震儀組成。正五邊形頂點到中心點的距離稱為觀測半徑，本次工作采用2m半徑的臺陣進行觀測，按樁位逐點進行數(shù)據(jù)采集。圖4為樁位微動測點臺陣布置示意圖，雙樁承臺(1549#與1550#樁)在中心點位置布置測點M43，單樁樁位(1548#)在樁位中心位置布置測點M62。

圖3 測點平面布置圖(局部)

圖4 樁位測點臺陣布置示意圖

3 應(yīng)用效果分析

微動數(shù)據(jù)經(jīng)圖1與圖2的流程處理后，結(jié)合鉆孔資料分析微動特征，對疑似存在滾石的樁基位置進行排查。

3.1 速度分析

為了便于對比分析，利用圖1所獲得的面波頻散曲線，各微動測點按5m假定距離形成剖面圖，繪制如圖5所示的面波速度剖面圖。該圖洋紅色圓點為設(shè)計樁底位置。

圖5 面波速度剖面圖

由圖5可知，在0.0m～15.0m深度范圍內(nèi)，面波速度較小，無明顯異常。即使是已發(fā)現(xiàn)滾石的測點(T1)的速度亦未見明顯異常。根據(jù)鉆孔資料可知，該深度范圍土層基本為填砂、淤泥、(含碎石)粉質(zhì)粘土與殘積砂質(zhì)粘性土；在15.0m～30.0m深度范圍內(nèi)，面波速度相對較大，且分布不均。根據(jù)鉆孔資料可知，該深度范圍土層基本為全～強風化花崗巖，局部速度偏高區(qū)域，反映花崗巖的不均勻風化。

3.2 H/V譜比法分析

為了便于對比分析，利用圖2所獲得的H/V曲線，各微動測點按5m假定距離，繪制出H/V曲線剖面圖(圖6)。該圖紅色圓點為H/V曲線最大峰值頻率。由圖6可知，在H/V曲線最大峰值往高頻方向，T1、M41、M58等部分測點存在多個量值較大的次峰值，反映該測點臺陣下方存在若干個較大的巖土層阻抗界面。

圖6 H/V曲線剖面圖

圖7為詳勘鉆孔ZK435的H/V曲線，整體均呈現(xiàn)單峰形態(tài)，峰值頻率為3.91Hz，對應(yīng)基巖界面。結(jié)合巖土工程勘察資料可知，測點ZK435的H/V曲線特征反映了正常地層的層序關(guān)系，推斷存在滾石等不良地質(zhì)體的可能性很小。根據(jù)鉆孔資料可知，鉆孔ZK435未揭露滾石，這與微動探測的推斷結(jié)果吻合。

圖7 ZK435鉆孔的土層分布與H/V曲線

圖8為試驗測點T2(1449#樁)的H/V曲線，其整體呈現(xiàn)單峰形態(tài)，峰值頻率為3.42Hz，對應(yīng)基巖界面。該測點的H/V曲線特征與ZK435類似，其H/V曲線特征也反映了正常地層的層序關(guān)系，推斷存在滾石等不良地質(zhì)體的可能性很小。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知，試驗測點T2(1449#樁)雖然在進行預(yù)制樁施打至7m深度時出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象，但在鉆孔驗證時并未揭露滾石，這與微動探測的推斷結(jié)果吻合。分析該點樁基施工時發(fā)生爆樁現(xiàn)象的原因可能是受深度5.6m～7.8m存在的圓角礫所致。

圖8 T2試驗測點(1449#樁)鉆孔的土層分布與H/V曲線

在完成的31個微動測點中，有25個測點的H/V曲線特征與上述兩個試驗測點的H/V曲線特征基本類似。

圖9為試驗測點T1(1234#樁)的H/V曲線，在3.03-4.79Hz頻率段，該測點的H/V曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，說明該頻率段存在波阻抗較大的巖土層，推斷存在滾石。結(jié)合頻散曲線的速度值按半波長深度估算，其埋深約為3.5m。根據(jù)施工方提供的資料，該測點所在的1234#樁在預(yù)制樁施打至4m深度時出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象，現(xiàn)場開挖后出現(xiàn)大滾石，無法取出。微動推斷結(jié)果與現(xiàn)場情況基本一致。在完成的31個微動測點中，有6個測點的H/V曲線特征與該測點基本類似。

圖9 T1試驗測點(1234#樁)鉆孔的土層分布與H/V曲線

3.3 推斷與鉆孔驗證結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合已知樁基礎(chǔ)施工爆樁樁位微動試驗點(T1：樁號1234#與T2：樁號1449#)與鉆孔試驗點(ZK435)的測試結(jié)果，確定本次微動探測的成果解釋以H/V譜比法分析為主，結(jié)合頻散曲線速度，對各微動測點測試結(jié)果進行推斷，解釋深度為樁長深度范圍(主要是0.0-15.0m深度范圍)。

經(jīng)綜合分析，向施工單位提供6個異常點用于樁基礎(chǔ)施工與鉆孔驗證(表1)。

表1 建議驗證測點與鉆孔驗證統(tǒng)計表

結(jié)果表明，有3個異常測點(M41、M58與M66)揭露滾石，推斷的滾石埋深與鉆孔資料基本一致；其他3個異常測點的樁基(M39、M56與M59)無滾石揭露，樁基正常施打，成樁正常。雖然這3個測點經(jīng)鉆孔驗證無滾石揭露，但不排除試驗臺陣下方存在滾石的可能，因為鉆孔的孔徑較小，相對試驗臺陣范圍(直徑4m圓)來說，尺度較小，鉆孔驗證遺漏滾石的可能性較大。其他25個無異常的微動測點在后期預(yù)制樁施工時，均正常施打，未遇滾石。

4 結(jié)論

本次工程物探工作，圍繞勘察目的，針對性地選用微動探測方法，基本查明了施工方及設(shè)計單位指定的區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體(滾石)的樁位位置；結(jié)合頻散曲線的速度值，按半波長深度估算異常測點滾石的埋深，建議施工方對異常測點進行鉆孔驗證。

經(jīng)鉆孔驗證與后期樁基施工情況可知，有3個異常測點揭露滾石，無異常測點在后期預(yù)制樁施工時，未遇滾石，均正常施打。

實踐證明，采用微動探測方法探明或排除不良地質(zhì)體(滾石)的分布情況，具有一定效果，精度基本能滿足探測要求，為今后類似工程積累經(jīng)驗和技術(shù)。

微動探測方法，由于其簡單、快捷、經(jīng)濟等優(yōu)點，勢將越來越受到人們的重視，雖然其在淺層工程勘察的研究和應(yīng)用剛起步不久，但當前利用微動探測方法探測城市地下病害體(如孤石、巖溶等)的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為時下研究熱點。

采用微動探測方法探測滾石等不良地質(zhì)體的難點，在于不知道不良地質(zhì)體的尺度有多大，但不良地質(zhì)體尺度越大反映效果越好。當不良地質(zhì)體速度異常不明顯時，單點H/V譜比分析法可能更為有效。

此外，如何進一步確定微動探測方法探測的異常體大小的3D成像，也是今后研究的重點之一。