被動源面波法在高標準農(nóng)田場地類別劃分中的應用

曹 旭

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434）

1 研究背景

在水利水電、新能源工程建設的過程中，建筑場地類別的劃分是工程勘察必不可少的任務。根據(jù)當下執(zhí)行的《建筑抗震設計規(guī)范》-GB50011-2010（2016年版）的相關(guān)規(guī)定：建筑場地的類別劃分，應根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為準。土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度的確定，均以實測的剪切波速為前提。

目前，傳統(tǒng)的剪切波測試方法主要為孔內(nèi)測試方法：采用鉆孔三分量的檢波器，錘擊震源法獲取了各深度處的剪切波速值[1]。但在實際工作的過程中，局部鉆孔容易出現(xiàn)垮孔、塌孔等現(xiàn)象，使孔內(nèi)剪切波測試無法有效進行。另外，在表層為砂卵礫石層等地質(zhì)地層時，為了防止鉆孔垮塌，鉆孔鉆進過程中需要將鋼套管下到該層位以下。此時孔內(nèi)剪切波測試時需要將PVC管放入鉆孔后，再將鋼套管拔出，并用細砂將PVC管和孔壁之間的間隙填充密實，方可進行孔內(nèi)剪切波測試。但在實際操作過程中，PVC管與孔壁直接的間隙填充很難做到完全密實，這也對剪切波測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

被動源面波法為地面剪切波測試方法[2]，與傳統(tǒng)的孔內(nèi)剪切波測試方法相比，其具有不需地質(zhì)鉆孔、不需要震源、工作效率高、儀器設備輕便、外業(yè)工作簡單等優(yōu)點。特別適用于無地質(zhì)鉆孔、鉆孔成本大或鉆孔易垮孔等剪切波速測試工作。

被動源面波勘探的研究工作源頭可以追溯到Aki在20世紀50年代奠定的基礎，該方法的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歲月[3]，他提出了用利用局部微震產(chǎn)生的背景噪聲來研究地下結(jié)構(gòu)的設想[4]；1965年，Capon提出了一種被動源的方法，成功對核實驗場位置進行了定位[5]。在20世紀的80—90年代，王振東和冉偉彥把被動源面波方法第一次引入國內(nèi)[6]。1992年，北京地質(zhì)勘察院進行了一次目的層深達數(shù)千米的被動源面波試驗，這是第一次大深度試驗成功，所推斷的目標體位置與地質(zhì)鉆孔成果吻合較好[7]。近些年以來，國內(nèi)被動源面波勘察也逐漸得到廣泛的推廣[8]。2007年,被動源面波法第一次應用于煤礦開采區(qū)。近十年來，被動源面波勘探受到了廣泛的關(guān)注，在工程勘察、無損檢測、工程場地評價等領(lǐng)域取得了成功的應用[9-10]。

本文將被動源面波法應用到高標準農(nóng)田場地類別劃分中，用頻散曲線反演出場地橫波速度，計算場地的等效剪切波速，從而準確判定場地類別。

2 被動源面波法原理

被動源面波勘探法，即微動探測方法（The Microtremor Survey Method，簡稱MSM），是一種物探方法。它是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從被動源面波信號提取瑞雷波的頻散曲線，反演頻散曲線，獲取臺陣中心點下方的地層橫波速度信息[11]。

2.1 工作方法

被動源面波勘探的臺陣布設主要有三角型臺陣、圓型臺陣、L型臺陣和直線型臺陣等。臺陣的布設示意圖如圖1所示。

圖1 被動源勘探主要的臺陣方法

為進行二維探測，被動源面波測點需要沿測線剖面方式布設。這種方式的野外觀測系統(tǒng)如圖2所示，在完成第一點O1的單點微動觀測（觀測系統(tǒng)同圖5a）后，把觀測點平移到O2上進行第二點觀測，依此類推。

圖2 微動觀測系統(tǒng)示意圖

圖5 JZ10點頻散曲線反演成果圖

2.2 頻散分析

從微動探測數(shù)據(jù)中提取頻散曲線是微動勘探尤為重要的環(huán)節(jié)。目前，從微動面波法勘探數(shù)據(jù)中提取頻散曲線主要有兩個方面的方法：一是基于空間相關(guān)分析的SPAC法，二是基于二維波場變換的FK法[12]。

空間自相關(guān)法（SPAC法）提取頻散曲線的步驟是：首先將采集的數(shù)據(jù)集劃分成若干個數(shù)據(jù)段，去掉信噪比很低的數(shù)據(jù)段，用窄帶濾波方法對數(shù)據(jù)段進行處理，提取需要的頻率成分；再分別計算不同頻率中心點與不同圓周上各點之間的空間自相關(guān)系數(shù)，然后對方向進行平均；再對不同觀測半徑r的空間自相關(guān)系數(shù)擬合，從而得到頻散曲線。

F—K法有多種可操作的實施方案，現(xiàn)以一種相似性譜方法為例進行說明。該方法用窄帶濾波器（中心頻率異同）提取各頻率成分，對功率譜進行計算，得出各頻率對應的相速度Vr，從而繪制出相速度頻散曲線。

經(jīng)過相關(guān)實踐證明，SPAC法對被動源面波選擇的臺陣具有更好的適應性，其得到的頻散曲線頻帶范圍更寬，且與理論頻散曲線的一致性更好。FK法僅在接收點較多時，得到的頻散曲線才能更接近于理論頻散曲線，否則，F(xiàn)K法得到的頻散曲線不準確。

3 應用實例

步鳳鎮(zhèn)高標準農(nóng)田建設項目位于鹽城市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東南部，項目建設工作重點圍繞新建機耕橋、新建灌溉站、新建渡槽等3種主要建筑物進行。場地地層主要為砂質(zhì)粉土、雜填土、粉砂、素填土、粉質(zhì)粘土等。建筑場地類別的劃分對于場地的動峰值加速度和地震的影響特征周期的確定有重要作用，準確的劃分場地類別對于工程勘察具有重要意義。使用美國Geometrics公司的ATOM被動源無線系統(tǒng)進行被動源面波勘探，利用頻散曲線反演得出的剪切波速對場地類別進行劃分。

3.1 野外工作方法

1）根據(jù)場地條件，本次物探的布設方法為11道2Hz低頻檢波器直線型臺陣。單點測試時間不小于20分鐘。

2）野外工作之前對被動源采集系統(tǒng)進行一致性檢測。一致性檢測結(jié)果如圖3所示，各檢波器一致性非常好。

圖3 一致性測試結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用空間自相關(guān)法（SPAC）對被動源面波勘探數(shù)據(jù)提取頻散曲線，對頻散曲線反演，得到剪切波地層結(jié)構(gòu)。

本次探測所提取頻散曲線的頻帶范圍為4—20Hz，使用最小二乘法對頻散曲線進行反演，MZ5、JZ10、LZ2探測點頻散曲線反演成果見圖4—6。根據(jù)頻散曲線進行速度層分層，將其作為反演程序的初值輸入，經(jīng)過反演建立測試點地層剪切波速度分層參數(shù)。圖中散點為實測頻散曲線，折線為反演得到的一維剪切波速度模型，曲線為反演所得一維剪切波速度模型對應的頻散曲線。實測頻散曲線與反演所得模型對應的頻散曲線擬合情況良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，反演所得速度模型可靠。

圖4 MZ5點頻散曲線反演成果圖

依據(jù)頻散曲線反演的各土層的剪切波速，根據(jù)如下公式，可計算得到場地等效剪切波速：

式中：vse為土層的等效剪切波速（m/s）；d0為計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；t為剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間；di計算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；vsi為計算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；n為計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

圖6 LZ2點頻散曲線反演成果圖

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版），建筑場地類別的劃分是依據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度綜合劃分的，共劃分為四個大類，其中Ⅰ類分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個亞類，如下表1所示。

表1 各類建筑場地覆蓋層厚度（m）

場地各個巖土層剪切波速測試結(jié)果見表2，表中各層波速值較為接近，結(jié)合本工區(qū)的工程地質(zhì)資料和規(guī)范進行分析，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，成果可靠。

表2 場地各巖土層剪切波波速值測試結(jié)果（m/s）

3個測試點等效剪切波速及場地類別劃分成果見表3。測試點處20米深度范圍內(nèi)等效剪切波速度在167—173m/s，根據(jù)場區(qū)內(nèi)的地質(zhì)鉆孔，場地覆蓋層厚度大于50m，場地類別判定為Ⅲ類。

表3 剪切波測試成果表

4 結(jié)論

本次工作成功利用被動源面波法反演了場地20.0m深度范圍內(nèi)巖土層的剪切波速，并有效進行了場地等效剪切波速計算和場地類別劃分。

針對MZ5、JZ10、LZ2三個鉆孔測試點的被動源面波法反演結(jié)果，不同鉆孔同一地層的剪切波波速值相差不大（見表2），反演結(jié)果與地質(zhì)地層情況吻合較好。計算出的等效剪切波速結(jié)合鉆孔資料、相關(guān)規(guī)范對場地類別進行判定，成果可靠度高。

被動源面波法在場地類別劃分中的成功應用，在沒有地質(zhì)鉆孔的場地或者鉆孔塌孔無法進行孔內(nèi)測試的情況下，可有效的測試場地剪切波速。經(jīng)地質(zhì)鉆孔對比結(jié)果表明，被動源面波法在場地類別判定中具有良好的適用性。□