微動勘探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

郭利君

（廣東邦鑫數(shù)據(jù)科技股份有限公司，廣東 廣州 510250）

微動勘探技術(shù)是對微動信息地表介質(zhì)相關(guān)的波面信息進(jìn)行勘探過程。微動是一種波體和面波組成的復(fù)雜振動現(xiàn)象，是地球表面非地震情況下發(fā)生的隨機(jī)振動，由于振動幅度小，振動周期短所以稱之為微動。而微動信號根據(jù)周期頻率分為近距離人為振動信號和自然現(xiàn)象振動信號，周期＜0.5的短周期判斷為人為振動，像風(fēng)、海浪等氣候變化引起的振動周期＞0.5可判定為自然現(xiàn)象振動。微動信號會隨著時空改變來變化自身的形態(tài)和振幅，在時間和空間上有平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)性。微動中面波信息占總能能量的一大部分，與地表介質(zhì)緊密相關(guān)，也是微動勘探技術(shù)不可替代的重要部分。

1 微動勘探技術(shù)

在微動數(shù)據(jù)中進(jìn)行頻散曲線提取主要方法有兩種，其一，SPAC 法即空間自相關(guān)法，該方法以圓心點(diǎn)為接收點(diǎn)，其他接收點(diǎn)位于圓臺周圍；其二，PK法即頻率波數(shù)法，此方法適用與任何形狀的臺陣。

2 工作方法

建筑巖土在勘測過程中，資料處理時采用單點(diǎn)觀測，對資料的解釋、分析以及處理等工作需采用剖面處理。野外工作方法也是采用單點(diǎn)觀測，唯一不同的野外工作采用單點(diǎn)觀測是需要按間距沿剖面進(jìn)行。用于微動勘探工作的儀器，每臺之間使用無線進(jìn)行連接，且有較高的一致性，每次單點(diǎn)采集觀測 時長約為12min-20min，通過衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)各儀器間的信號同步。在微動勘探技術(shù)中單點(diǎn)觀測臺陣由6臺工作儀器組成，將S1放置在圓心，S1與圓周間距大約為1.5-3.0（單位：米），該數(shù)值用R表示，而S2-S6放置在同一圓周上且均勻分散安排。為了控制微動觀測時的探測盲區(qū)，需保證R值范圍不變大，這種情況下只能采用嵌套圓形觀測系統(tǒng)，不建議使用直線型和L性觀測系統(tǒng)。

3 微動數(shù)據(jù)處理

為有效提高微動勘探的精確度，在勘察過程中需充分利用各項(xiàng)微動數(shù)據(jù)，并對其參數(shù)屬性進(jìn)行處理。詳細(xì)步驟如圖1所示。

圖1 微動勘探數(shù)據(jù)處理步驟

4 微型勘探技術(shù)在建筑巖土勘察中的應(yīng)用

4.1 建筑場地的判定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以地層橫波速度為基礎(chǔ)對建筑場地進(jìn)行判定。在實(shí)際勘察過程中，為獲得準(zhǔn)確的橫波結(jié)構(gòu)，可將微動資料進(jìn)行反演。全文根據(jù)微動資料對波速測試的方法主要分為以下幾種：①利用微動相速度曲線進(jìn)行反演；②利用H/V曲線進(jìn)行反演;③利用微動曲線和H/V進(jìn)行聯(lián)合反演[1]。其中①是最普遍的反演算法，②③還處于試驗(yàn)階段[2]。對波速測試的算法一般采用最小二乘法，也可采用模擬退火法和遺傳算法[3]。在勘察工程方面過程中，利用微動信號對某建筑工地進(jìn)行處理所得到的分布圖，如圖2所示，藍(lán)色線為相速度頻散曲線。

圖2 頻率－ 慢度密度分布圖及頻率－ 慢度曲線

圖3 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(yīng)最優(yōu)反演模型[4]。當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)確定情況下，在鉆探孔位置布置波速測點(diǎn)，較大范圍德 對地層結(jié)構(gòu)的橫波速度采用遺傳算法或模擬退火法進(jìn)行曲線反演，不會因?yàn)槌跏寄Ｐ蛦栴}導(dǎo)致最優(yōu)模型漏掉。

圖3 孔面波反演成果圖( 模擬退火法)

4.2 巖土地層分層

巖土地層的不同，參照輔助圖件的側(cè)重點(diǎn)也不同，微動勘探技術(shù)是以深度Vx等值線圖作為基礎(chǔ)對地層進(jìn)行劃分的。地質(zhì)測繪、鉆探、井探等相關(guān)資料都是以能量譜、頻率H/V、頻率相速度等值線圖進(jìn)行綜合解釋。為了能夠提高微動資料的解釋的準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度，可對場地各土層特征進(jìn)行分析，通過對這些土層曲線特征的分析證實(shí)勘察中鉆孔與微動對比點(diǎn)是需要有一定的比例的。在微動勘察過沖中，某些地質(zhì)條件下，波面的傳播會發(fā)生異常，這是可以直接在Vx剖面圖中看到的。對于這種高階面波成分的發(fā)生，主要原因是由于層位中不均勻引起的，容易發(fā)生這種面波情況的地質(zhì)可分為以下3種：①黏土中含有碎石；②巖石中有較厚的砂土被風(fēng)化；③土中有較厚的淤泥，鑒于這種情況的存在，在對地層進(jìn)行分層是應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，識別。

4.3 風(fēng)化殘留體探測

巖漿地區(qū)球狀風(fēng)化一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，由于該地質(zhì)現(xiàn)象在勘探過程中不易被發(fā)現(xiàn)，所以在工程施工中很容易因?yàn)槲醇皶r發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差、施工困難、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題，情況嚴(yán)重時還會誤導(dǎo)勘察結(jié)果，這樣會對工程及建筑物造成嚴(yán)重威脅，主要由以下體現(xiàn)在斷樁、鉆孔條件難判定以及建筑物發(fā)生裂縫等。所以在利用微動勘探技術(shù)對巖土分層進(jìn)行勘察時，還需對風(fēng)化殘留物進(jìn)行探測，側(cè)重分析。在微動屬性參數(shù)中，風(fēng)化殘留物對相速度、自相關(guān)系樹以及H/V值都是有直接關(guān)系的，如果風(fēng)化殘留物為高速異常則在頻率相速度等值圖中；在H/V比值線圖中，該殘留物表現(xiàn)為多峰異常且凸起；在頻率自相關(guān)系數(shù)等值圖中，該殘留物表現(xiàn)為高值異常。

5 結(jié)語

近幾年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微動勘探技術(shù)被熟練的運(yùn)用至建筑工程勘察中，對建筑場地的進(jìn)行勘測，由于建筑場地可能存在場地小，要求精度高等特點(diǎn)，對野外觀測方式和對勘測資料的處理提供了完美的解決方案。為了更有效的提高勘測資料的解釋精度和準(zhǔn)確度，可采用微動多參數(shù)屬性對地層劃分進(jìn)行綜合分析。文章敘述了建筑場地的風(fēng)化殘留物、地層劃分和類別區(qū)分等。隨著微動勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，對塌陷區(qū)、采空區(qū)和巖溶探測都可以利用微動多參數(shù)屬性解釋，微動勘探技術(shù)也充分發(fā)揮了自身優(yōu)勢，證明該技術(shù)在勘察中的重要作用，是勘察中必不可少的有效勘探手段。