微动勘测技术在土木工程领域的应用分析

孟爱青

(太原理工大学，山西太原　030024)

微动勘测技术在土木工程领域的应用分析

孟爱青

(太原理工大学，山西太原030024)

摘要:介绍了微动勘探技术的形成和发展历程，根据微动勘探的原理，从陈列设计与观测、F—K法、自相关法等方面，阐述了微动勘测技术在土木工程中的应用，指出微动勘探方法具有勘测精度高、所需设备简单、造价低等优点。

关键词:微动勘探技术，土木工程，观测点，地震仪

近年来，城市建设的进程日益加快，通常需要结合地表地下结构数据，比如大型建筑场所在勘探地质过程中需要了解土层构成，需要勘探场地上有没有软土层;在城市活动断层分析过程中，需要对断层断点处的地理方位进行识别等，要完成这些任务往往要在场地摆置非常多的钻井，同时抽取岩芯进行研究;而钻孔存在着资金成本高、时间长等弊端。而微动勘探方法就非常好地解决了这些问题，微动勘探方法利用提取所测场的土层变化曲线，通过这些曲线反演来计算出土层速度和土层结构。因为该方法主要是通过地下横波速度构成来分析场地构成的，所以在测试场地中有低速土层等，在识别这些土层的详细方位时非常精确。

1　微动勘探技术的形成和发展

在土木工程领域，因为利用P—S波来测井这种方式存在着成本高、周期长等缺点，除此之外，利用反射法勘查地质构成这一方法还存在着其技术要求比较严格，对环境破坏性大等问题。在这种形势下，一种新型的勘探方式出现了——微动勘探技术，该方法通过指定的检波器，指定的观测台阵获得这种来自地球的微动信号，接下来通过数据提取来分析面波信号，然后利用反演获得地下横波组织结构。

2　微动勘探原理

2.1微动勘探原理

地球表面每时每刻都存在着人类不易觉察的震动，我们称之为微动。微动信号并非人为，其源自于大自然和人类活动，比如天气变化或者潮涨潮汐等。而人类活动主要包括机车、生产活动等，其频率往往超出了1 Hz。微动并没有既定的震源，震动波主要是取决于测试点的周围，从而勘探出跟地球相关的有用资讯。

微动勘探方法通过指定的仪器，指定的观测台阵来获取来自地球的微动波，接下来通过计算方法来得出面波信号，利用反演方式得出横波速度，从而实现对地质构成的勘探。

2.2微动勘探技术方法

微动是通过体波( P波与S波)与面波(瑞利波与拉夫波)构成的复杂震动，同时面波的能量占整个信号能量的60%以上。即使微动信号的震动幅度和震动频率并不遵循一定的规律，可是通过指定的地理范围能计算出其平稳特征，利用时间与地理上的平稳随机环节来证明。微动勘探方法利用平稳随机环节作为数据参考，通过微动信号来提取频散曲线，然后利用频散曲线的反演方式，来计算出地下成分的横波速度，从而达到勘察目的。

3　微动勘探技术在土木工程领域的使用详情

3.1阵列设计与观测

微动勘探是基于阵列设计和阵列形状的。目前，地质结构信息比较丰富，在一定程度上可以事先估算出地下结构，按照感度分析法完成定量策划。假如地质信息不足，不能事先估算出地质构成，可以通过跟勘探长短相同的阵列长度。在通常情况下会通过二重正三角形，即同一个圆心位置放置地震仪，同时在两个同心圆里面分别摆放三个地震仪。

微动勘探利用地震仪的宽频带特点，因此需要地震仪有着非常高的统一性，一般情况下，地震仪的统一性需要高出0.9。微动勘探过程中每个机器都是独自运行的。为了使每个观测点同步进行，日本国家普遍会通过卫星标准信号来对仪器的精确度进行验证和调校。

3.2 F—K法

现如今，F—K法与相关法在微动勘探技术中比较常用。

F—K法在20世纪60年代的时候形成。在20世纪60年代，美国为了实现对其他国家核武器的监督和控制，其地震观测网的直径超出了400 km。为了获得核武器基地所发出的信号，美国研发了F—K，从此该方法就形成了，并且在土木工程领域得到了广泛的应用。

体波和面波等各种信号构成了微动的主要成分。比较突出的一种信号会跟信号图中的最高值相对照。如果用f0代表该信号，那么信号图中的波数就可以用k0= ( kx0，ky0)来表示，因此这个波的传播速度就可以计算出来，其表达式为:

波的传递方向为:

在F—K法中，其法谱表达式为:

其中，点( xi，xj)为观测点的位置;φij( f)为信号点矩阵中的逆阵元素。

3.3自相关法

自相关法利用定义而得出。假如在空间领域微动信号符合随机过程，除此之外微动中所有占优波形成一个面波震动。假如满足以上条件，那么圆形观测矩阵中的全部点和与中心点信号相关的函数平均值就可以计算出来。

不论在上述哪种方法中，务必得出任意两点所观测到的定义交叉谱与功率谱。采取的测试办法不同，利用频散曲线得出的结果值也会存在一定差距，可是总体上跟最终测试结果出入不大。

3.4基于反演方式得出的地下横波速度

由于地质结构较为复杂，一般情况下会通过地下模型来分析和研究地下构成，利用该模型可以算出频散曲线值，然后通过反演方法计算出地下横波速度。不论工程大小，其频散曲线反演方法是一样的，往往利用最小二乘法。可是这种方式是依托初始模型才能得出稳定实用的解，这在土木工程中完成地下构成的勘测并不容易。目前，相关领域的专家和学者基于遗传算法发明了一种新的计算方法，这种方法对最初模型的精确度要求并不高，推演环节也比较可靠，作为目前计算地下横波速度值的主要方法。

4　微动勘探方法在土木工程领域中的特征

1)土木工程领域中，所需要的勘探设备比较简单，往往需要勘探仪器实用性强。微动勘探方法往往需要超出3个以上的地震仪器就可以进行现场勘测。假如利用7个地震仪器，可以摆放成同心正三角形，那么仅仅需要3 d左右的时间就可以实现对地下横波速度的测试。

2)对周围施工环境没有任何要求，特别是车流量比较大的繁华街区，微动勘探技术跟之前的反射法有着本质的区分。微动勘探法利用信号源就可以实现勘测。如果在繁华的市中心进行勘测，不会影响勘测结果，而且来自机动车辆的噪声还为勘测提供了大量的勘测信号。

3)微动勘测方法并不是主动勘测，因此对四周的生态环境不会造成任何破坏作用，特别是对国家生态保护区进行勘探，该方法非常适用。

4)微动勘探方法得出的勘测结果准确性和分辨率都比较高，基于微动勘探方法和钻孔方法，可以制作出地下二维和三维组织模型。

5)基于微动勘探方法得出的地下结构和P—S方法所获得值非常接近，因此该方法的精确度非常高。

5　结语

微动勘探方法在土木工程领域中，所需要的测量设施并不复杂，而且资金成本也不高，有着测试周期短，对施工环境没有任何要求，对生态环境不会造成破坏等特征。因此微动勘探技术在土木工程领域凭借着其他技术无法媲美的特性，必将在土木工程领域成为主流勘探方法。

参考文献:

［1］王磊.建筑工程的发展趋势分析［J］.江西建材，2015( 2) : 111-112.

Application analysis of micro-tremor technology in civil engineering field

Meng Aiqing
( Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:The thesis introduces the forming and development history of micro-tremor technology.According to micro-tremor survey principle，starting from aspects of display design and observation，F-K method and auto-correlation method，it describes the application of micro-tremor survey technology in civil engineering，and points out its advantages，such as high survey accuracy，simple equipment and low cost and so on.

Key words:micro-tremor survey technology，civil engineering，observation point，seismograph

作者简介:孟爱青(1958-)，女，高级工程师

收稿日期:2015-11-21

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0048-02

中图分类号:P631

文献标识码:A