微動(dòng)勘探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用概述

龔亞龍

（中建材西南勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610059 ）

0 引言

所謂的微動(dòng)勘探技術(shù)實(shí)際上指的是對(duì)微動(dòng)信息及地表介質(zhì)波面信息進(jìn)行分析的一項(xiàng)技術(shù)，能夠感知到地球表面結(jié)構(gòu)發(fā)生的微弱隨機(jī)震動(dòng)，進(jìn)而確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息，從實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)看來，它具有比較突出的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效地實(shí)現(xiàn)巖土工程勘察工作的目標(biāo)。但這并不意味著我國的巖土工程勘察工作已經(jīng)完全成熟，時(shí)至今日其仍然存在許多不足之處，只有對(duì)微動(dòng)勘探的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行深入分析，通過確定建筑場(chǎng)地類別、巖土地層分層、風(fēng)化殘留體探測(cè)等方式獲取勘察信息，才能從根本上提升巖土工程勘察工作的質(zhì)量。

1 巖土工程勘察技術(shù)發(fā)展

1.1 巖土工程勘察技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段來看，中國的巖土工程勘察技術(shù)已經(jīng)初步進(jìn)入了高速發(fā)展期，其應(yīng)用效果比較可觀、各種先進(jìn)技術(shù)層出不窮，從根本上為建筑工程的設(shè)計(jì)及施工提供了支持。但是與此同時(shí)，在一些較為復(fù)雜的地質(zhì)條件下，巖土勘察工作的現(xiàn)有技術(shù)仍然顯得捉襟見肘，給巖土工程勘察技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。目前我國的巖土工程勘察技術(shù)中還存在一定的不足之處：首先，勘察工作的工作人員整體素質(zhì)比較低，且沒有標(biāo)準(zhǔn)化的勘察規(guī)范。工作人員的理論水平、綜合素質(zhì)都比較有限，難以理解統(tǒng)一勘察標(biāo)準(zhǔn)的重要性，因此不愿意遵守勘察規(guī)范，這使得巖土工程勘察工作無法發(fā)揮應(yīng)有的作用，獲取到的數(shù)據(jù)也存在失真等問題。其次，巖土工程勘察工作中使用的各項(xiàng)設(shè)備往往過于陳舊，無法對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，及時(shí)勉強(qiáng)進(jìn)行勘察，最終得出的數(shù)據(jù)也不具有太高的參考價(jià)值，設(shè)備上的問題如果不能妥善解決，那么巖土工程勘察工作的效率和質(zhì)量都難以得到保證，很可能會(huì)給后續(xù)工程設(shè)計(jì)等帶來不必要的負(fù)面影響。最后，勘察技術(shù)水平比較低，我國的巖土工程勘察事業(yè)發(fā)展時(shí)間比較短，因此在理論知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、人員素質(zhì)、設(shè)備質(zhì)量等方面都存在一定的不足之處，和西方發(fā)達(dá)國家比較起來仍有很長(zhǎng)一段路要走。同時(shí)，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系也不夠完善，行業(yè)專業(yè)機(jī)構(gòu)管理標(biāo)準(zhǔn)仍不清晰，這也可能給巖土工程勘察事業(yè)的發(fā)展帶來不利影響。

1.2 巖土工程勘察中存在的技術(shù)問題

根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)來看，目前我國巖土工程勘察技術(shù)始終存在一定的技術(shù)問題：首先，界面劃分上存在技術(shù)問題，勘察結(jié)果中關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造和軟結(jié)構(gòu)面的區(qū)分不夠清晰、對(duì)不良地質(zhì)界面的劃分不夠清晰，這都可能導(dǎo)致后續(xù)工作問題。第二，地質(zhì)形態(tài)上存在諸多問題，在目前的巖土工程勘察技術(shù)水平下，工作人員仍無法確定地下構(gòu)造物的位置和種類。第三，巖土參數(shù)不準(zhǔn)確的問題也確實(shí)存在，工作人員難以直接獲取原本狀態(tài)的土樣，因此無法判斷粗顆粒土等特殊土壤的設(shè)計(jì)參數(shù)。最后，技術(shù)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，在面對(duì)特殊情況時(shí)往往無法妥善處理，這也是技術(shù)問題之一。巖土工程勘察工作實(shí)際上十分復(fù)雜，它涉及到材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論內(nèi)容，工作人員需要根據(jù)巖土勘察工作標(biāo)準(zhǔn)流程、以有關(guān)勘察技術(shù)為支撐，了解某區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境特征，為工程設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)參數(shù)，整個(gè)流程十分復(fù)雜且具有突出的技術(shù)性特征，上文中簡(jiǎn)單提到巖土勘察工作的技術(shù)問題，只有盡快采取措施解決這些問題，才能夠讓巖土工程勘察工作的質(zhì)量更上一層樓。在不久的將來，巖土工程勘察行業(yè)的運(yùn)行體制將會(huì)更加先進(jìn)和完善，整體專業(yè)性更加突出，其技術(shù)設(shè)備更新?lián)Q代的速度也會(huì)持續(xù)提升，一改過去設(shè)備落后技術(shù)落后的局面，從而讓巖土工程勘察工作成為工程建設(shè)事業(yè)的有力支撐。

2 微動(dòng)勘探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

2.1 充分認(rèn)可微動(dòng)勘探的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

想要讓微動(dòng)勘探技術(shù)真正發(fā)揮作用，就必須要首先認(rèn)可其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，否則工作人員將很難對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行細(xì)致鉆研，最終的應(yīng)用效果也就難以得到提升。實(shí)際上，微動(dòng)勘探技術(shù)的優(yōu)越性在于不涉及人工場(chǎng)源，屬于一種被動(dòng)源勘探技術(shù)，也就是說可以在人為提供震源的情況下進(jìn)行勘探作業(yè)，其主要的勘探動(dòng)力來自于地球一直進(jìn)行的微動(dòng)波面信號(hào)。這種微動(dòng)波面信號(hào)非常微弱，人類的感官很難感知到這種震動(dòng)，其振幅一般在0.0001mm 到0.01mm 之間，只有通過極其靈敏的設(shè)備才能記錄到這一振動(dòng)。常見的微動(dòng)信號(hào)源可以分成兩種，及低于1Hz 的微動(dòng)和高于1Hz 的微動(dòng)：其中頻率低于1Hz 的微動(dòng)往往來自于各種自然現(xiàn)象，比如大氣運(yùn)動(dòng)、海陸作用等等，這類微動(dòng)可以稱為長(zhǎng)波微動(dòng)，而頻率高于1Hz 的微動(dòng)通常情況下來自于人類活動(dòng)，比如說汽車行駛、設(shè)備運(yùn)行等等，都可能產(chǎn)生類似微動(dòng)，它們可稱為常時(shí)微動(dòng)。這兩種微動(dòng)信號(hào)都能夠通過地質(zhì)結(jié)構(gòu)不斷散射，最終到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)被設(shè)備接收到，而它們?cè)谏⑸涞倪^程中往往攜帶有大量的地下結(jié)構(gòu)信息，工作人員通過微動(dòng)信號(hào)的特征等，就能合理構(gòu)建出地下結(jié)構(gòu)。

2.2 合理應(yīng)用嵌套圓形觀測(cè)技術(shù)

建筑工程巖土勘察工作的復(fù)雜性不言而喻，工作人員可利用單點(diǎn)觀測(cè)、剖面處理等措施，保證土壤資料的分析準(zhǔn)確性、提升土壤數(shù)據(jù)的處理合理性。而微動(dòng)勘探技術(shù)的相關(guān)設(shè)備則具有更高的應(yīng)用價(jià)值，不同設(shè)備之間往往利用無線通信技術(shù)進(jìn)行交互，單點(diǎn)采集觀測(cè)所需要的時(shí)間大概在12 分鐘到20 分鐘之間，而后以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，微動(dòng)勘探技術(shù)的單點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)陣包括六臺(tái)工作設(shè)備，其中一臺(tái)工作設(shè)備為圓心，其余五臺(tái)工作設(shè)備則呈圓形均勻地分布在圓心周圍，圓心和其他五臺(tái)設(shè)備之間的距離都保持在1.5m 到3m 之間，才能取得最佳的勘察效果。為了避免微動(dòng)勘探技術(shù)中出現(xiàn)勘探盲區(qū)，工作人員應(yīng)確保圓形的半徑不變，利用嵌套圓形觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提升勘探的有效性。

2.3 確定建筑場(chǎng)地類別

除了上述兩種應(yīng)用策略之外，工作人員還可以利用微動(dòng)勘探技術(shù)確定建筑場(chǎng)地類別，判斷建筑場(chǎng)地類別的時(shí)候，工作人員需對(duì)地層信息中的橫波速度進(jìn)行分析，確定某個(gè)深度土層的等效剪切波速，再根據(jù)該土層的深度進(jìn)行計(jì)算，即可判斷建筑場(chǎng)地的類型，在巖土工程勘察工作越來越完善的今天，有關(guān)部門已經(jīng)出臺(tái)了建筑場(chǎng)地類別判斷標(biāo)準(zhǔn)，即《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)。除了正向應(yīng)用之外，根據(jù)微動(dòng)資料進(jìn)行反向推導(dǎo)從而明確地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)的做法，正在逐漸成熟并受到認(rèn)可，在2018年被收錄到《城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范》(CJJ/T 7-2017)當(dāng)中。常見的波速測(cè)試方法大致可以分成三種，它們的區(qū)別主要就在于參考數(shù)據(jù)不同，工作人員可通過微動(dòng)相速度曲線、H/V 曲線、微動(dòng)相速度曲線和H/V 曲線等進(jìn)行反向推導(dǎo)，而這其中以微動(dòng)相速度曲線推導(dǎo)技術(shù)最為常用。除此之外，在已經(jīng)確定了地層結(jié)構(gòu)的時(shí)候，工作人員可在鉆探點(diǎn)位置設(shè)置測(cè)定波速的設(shè)備，從而獲取地層結(jié)構(gòu)中的橫波速度，進(jìn)而保證反向推導(dǎo)的準(zhǔn)確度。

2.4 巖土地層分層

不同的巖土地層有著截然不同的特征，工作人員在處理的時(shí)候所應(yīng)用的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)也就不同，微動(dòng)勘探技術(shù)的地層劃分標(biāo)準(zhǔn)為深度Vx 等值線圖，而后根據(jù)量譜、頻率相速度等對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解釋。想要提升微動(dòng)資料解釋準(zhǔn)確度，可以采取土層特征分析比對(duì)的方法，確定微動(dòng)勘察過程中鉆孔位置和比對(duì)點(diǎn)的合理性，在此基礎(chǔ)上確定這些點(diǎn)的曲線特征，并根據(jù)場(chǎng)地土層的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行屬性分析，保證微動(dòng)資料的有效性。另外，層位不同、參照輔助圖件的重點(diǎn)也有所差異，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來看，針對(duì)風(fēng)化巖面或者基巖面，主要應(yīng)側(cè)重觀測(cè)其頻率H/V 比值等值線圖，而針對(duì)軟弱性透鏡體則應(yīng)以能量譜占比等值線圖作為分析重點(diǎn)，只有牢牢把握住了分析的重點(diǎn)對(duì)象，才有可能保證分析的準(zhǔn)確度，才能更好地理解層位特征。同時(shí)，在微動(dòng)勘察工作中可能會(huì)遇到一些比較特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成波面?zhèn)鞑ギ惓５那闆r，工作人員只需要對(duì)Vx 剖面圖進(jìn)行分析即可判斷出成因。一般情況下，波面異常問題的出現(xiàn)與層位不均勻有關(guān)，比如說，地層結(jié)構(gòu)當(dāng)中含有大量的淤泥或淤泥質(zhì)土，就可能導(dǎo)致波面的不正常傳播，在厚度比較大的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖中也可能存在波面的不正常傳播，工作人員應(yīng)有意識(shí)地關(guān)注類似特殊情況，并逐一做好識(shí)別分析，提升巖土地層分層的準(zhǔn)確性。

2.5 風(fēng)化殘留體探測(cè)

巖漿地區(qū)球狀風(fēng)化并不少見，是巖土勘察工作中十分常見的現(xiàn)象，但是由于這類地質(zhì)現(xiàn)象往往比較隱蔽，因此一些工作人員可能未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)它，進(jìn)而給后續(xù)的建筑工程設(shè)計(jì)施工帶來不必要的麻煩，出現(xiàn)設(shè)計(jì)失準(zhǔn)、數(shù)據(jù)誤差、施工停滯等一系列問題，甚至可能導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重質(zhì)量問題，比較常見的質(zhì)量問題有鉆孔施工難以進(jìn)行、灌注樁斷裂、建筑物主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降、工程結(jié)構(gòu)開裂等，一旦出現(xiàn)類似問題其后果將難以挽回。具體的質(zhì)量問題可以分成以下三個(gè)方面來理解：第一，在工程施工涉及到預(yù)應(yīng)力管樁的時(shí)候，壓樁動(dòng)力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)，但是樁基礎(chǔ)往往無法進(jìn)入持力層，這樣一來在停止施加壓力的情況下，樁基礎(chǔ)底部將停留在孤石當(dāng)中無法寸進(jìn)，給后續(xù)施工帶來巨大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。第二，在灌注樁施工當(dāng)中，球狀風(fēng)化體將會(huì)導(dǎo)致鉆孔施工難以進(jìn)行，出現(xiàn)鉆頭損耗、卡鉆問題的幾率比常規(guī)施工更大，這顯然不利于建筑工程的施工。第三，在建筑工程采取淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，球狀風(fēng)化體本身的壓縮性與其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)有較大差異，因此位于其上的建筑物必然會(huì)發(fā)生開裂及不均勻沉降問題，可能會(huì)使建筑物失去應(yīng)有的使用價(jià)值。所以，工作人員務(wù)必要利用好微動(dòng)勘探技術(shù)，對(duì)球狀風(fēng)化體進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，根據(jù)球狀風(fēng)化體和周邊正常巖土結(jié)構(gòu)性質(zhì)上的差異進(jìn)行分析比對(duì)，找出異常體位置并查證確認(rèn)。在分析微動(dòng)勘探參數(shù)的時(shí)候，著重關(guān)注相速度、自相關(guān)系數(shù)和H/V 比值等，并對(duì)相關(guān)的圖像進(jìn)行綜合分析，明確球狀風(fēng)化體和常規(guī)巖土結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，在發(fā)現(xiàn)等值線圖當(dāng)中的異常凸起線型時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理和分析，確認(rèn)地下結(jié)構(gòu)中是否存在球狀風(fēng)化體，如不存在類似的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，方可進(jìn)入下一步工作。

3 結(jié)語

中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平在世界范圍內(nèi)都首屈一指，即使是在起步較晚、發(fā)展時(shí)間比較短的情況下，我國的各項(xiàng)技術(shù)仍然在短時(shí)間內(nèi)與發(fā)達(dá)國家基本持平，而在巖土勘察領(lǐng)域同樣如此，經(jīng)過幾十年的努力探索，各種各樣的高新技術(shù)逐漸成型，并從根本上提升了巖土勘察的質(zhì)量。微動(dòng)勘探技術(shù)正是其中最具有代表性的勘探技術(shù)之一，它能夠不依靠人工場(chǎng)源、借助地球微動(dòng)能量進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定，在確定建筑場(chǎng)地類別、巖土地層分層、風(fēng)化殘留體探測(cè)等方面具有突出的應(yīng)用價(jià)值。