微动勘探技术在建筑岩土工程勘察中应用研究

殷 勇 吴明和

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地球表层时刻存在着非地震引起的微弱随机振动，位移幅度一般为几个微米，频率变化范围在0.1～50.0Hz之间，通常周期小于0.5s的短周期微动信号主要为近距离的人为振动(交通运输、机械振动和人员活动)激发产生；周期大于0.5s的长周期微动信号主要是由像海浪、风、气候等自然现象的变化引起。

微动是一种由体波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)组成的复杂振动，其中面波的能量占信号总能量的70%以上，微动中面波信息与地表介质密切相关。微动信号的振幅和形态随时空变化而发生改变，在一定范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述，微动勘探技术就是利用微动信号中携带的地表介质密切相关的面波信息来进行地质勘探[1-8]。

1 微动勘探技术方法原理

从微动数据中提取频散曲线的方法主要有空间自相关法( SPAC 法和ESPAC法)和频率波数法( FK法和HFK法)。其中SPAC 法一般适用于圆形台阵(位于圆心的接收点为中心点，其余接收点等角度分布于圆周上)观测，而频率波数法适用于任意形状的台阵。

1.1 空间自相关法( SPAC )提取相速度频散曲线

空间自相关法( SPAC )由Aki[9]于1957年提出。首先，假定微动信号在时空上符合平稳随机过程，其次，假定微动信号所包含的各种成分的波中面波基阶模态占优势。其基本原理为：某一时段平稳随机的微动信号X(t,ε(x,y)是时间t和位移矢量ε(x,y)的函数。它的频谱表现形式为：

X(t,ε(x,y))=∭exp(iωt+iKε)dZ′ (ω,K)

(1)

式(1)中：ω=2πf为角频率；

K=(Kx，Ky)为波速矢量；

Z′为正交随机过程。

SPAC法观测系统台阵一般为圆形或嵌套圆形，圆形台阵上的某点、中心点两组信号的标准化自相关函数方位平均值可以表示为：

(2)

式(2)中：S(f,r,θ)为圆心处观测点与圆周上观测点信号的互相关谱；

S0(f,θ)和Sr(f,r)分别为圆心处和圆周上观测点信号的自相关谱；

J0为第Ⅰ类零阶贝塞尔函数；

θ为波的方位角；

c(f)为波的相速度；

ρ(f,r)为空间自相关系数。

1.2 频率波数法(F-K)提取相速度频散曲线

频率波数法(F-K)首先要求出不同频率的功率谱，其计算方法有多种，以最大似然法最为常用，功率谱可以表示如下:

(3)

(3)式中：ω=2πf为角频率；

(xi,yi)为观测点i的坐标；

K=(kx,ky)为波速矢量；

φij(ω)为各观测点之间的信号的相关性所组成的矩阵的逆矩阵的元素。

微动由体波和面波组成，如果某一信号占相对优势，则它在功率谱上会与一个最大值对应，假设该最大值的波速为k0=(kx0,ky0)，则与之对应的传播速度为：

(4)

波的传播方向为：

(5)

这样求出不同的相速度C就可以得到一条实测的相速度频散曲线。频率波数法(FK)台阵布置比空间自相关法( SPAC )自由，特别是小台阵观测时有着非常好的优势，近年来逐步在工程中得到了应用。

1.3 微动提取H/V谱

HV谱比法(HVSR)法于1989年由Nakamura提出，数据采集时仅用单个三分量拾震器实测微动信号，计算水平分量和垂直分量的频谱比值，利用面波HV曲线，采用广义最小二乘法进行反演，得出测点下地层的结构参数，在反演过程中使用了最大似然估计，较好地防止迭代过程中的发散现象。在水平层状介质中，频率为ω的微动面波HV谱比可定义为：

(6)

式(6)中：PNS(ω)和PEW(ω)为两个相互正交的水平运动傅立叶功率谱；

PUD(ω)为垂直运动的傅立叶功率谱。

而频率为ω的X向运动的傅立叶功率谱P(ω)可表示为：

(7)

式中，L为不相重叠的数据段的总数；

SXl(ω)为X向运动第l个数据段的傅立叶变换。

2 探野外工作方法

根据勘探目的，微动勘探法野外工作可分为单点观测和剖面观测。野外方法基本一致，只是剖面观测需按一定间距沿剖面进行单点观测。在建筑岩土工程勘察中，一般采用单点观测，资料处理时可将单点观测资料连成剖面进行处理、分析和解释。观测时可采用圆形、嵌套圆形、L型或直线型观测系统，但微动单点勘探大多采用图1所示观测台阵，由6台仪器所组成，除圆心放置1台(S1)外，其余5台(S2～S6)均匀放置在同一圆周上。台阵中心点到圆周的距离称为观测半径R，建筑场地勘察一般R取值1.5m～3.0m。采用嵌套圆形观测系统时会加大台阵布置难度，R取值增大时会增大浅层探测的盲区。L型和直线型在圆形台阵确实无法布置时采用。

微动勘探应使用宽频带地震仪，对各台仪器间的一致性要求较高。各台阵最好为无线连接方式，通过GPS授时功能实现各台地震仪的信号同步，单点采集每次观测时长约为12min～20min。

图1 微动野外观测台阵示意图

3 微动数据处理

在建筑工程勘察中，为了充分利用微动各种有用信息，在处理时会多增加一些属性参数的处理，利用不同的属性参数可有效地提高解释精度。处理流程大致如下：

①数据解编，将不同测点信号从总信号中提取出来并进行GPS时钟校正。

②建立测点观测系统。

③将实测信号分成若干个数据段，剔除干扰明显的数据段。

④利用频率波数法(F-K)和空间自相关法(SPAC)提取面波相速度频散曲线及自相关系数曲线。

⑤利用HV谱比法(HVSR)计算测点各台阵H/V曲线。

⑥利用傅立叶变换计算测点各台阵功率谱曲线，同时求取各台阵能量谱占比曲线。

⑦建立频率-深度模型，确定频散曲线频率与深度的转换关系。在传统面波勘探中，大多直接采用半波长进行频率-深度转换，以往工作经验表明，当频散曲线中存在明显高阶面波成分时，高阶面波所影响的频段深度解释时明显偏深，因此，需要将频率与半波长深度两组数据进行拟合来确定频散曲线频率与深度的转换关系，工程应用表明此方案对资料解释有较好的改善。

⑧绘制剖面等值线图和测点曲线图。主要包括深度Vx等值线图、频率相速度等值线图、频率H/V比值等值线图、归一化功率谱等值线图、能量谱占比等值线图、频率自相关系数等值线图、频率相速度及深度曲线、H/V比值曲线、功率谱曲线、能量谱占比曲线及频率自相关系数等。

⑨利用上述各种图件，结合钻孔、地质测绘、坑探、井探等资料对剖面进行综合分析解译，形成岩土地质解释成果。

4 建筑岩土勘察中的应用

4.1 确定建筑场地类别

图2 频率-慢度密度分布图及频率-慢度曲线

建筑场地类别的判定是利用地下地层横波速度为基础资料，采用某一深度范围内土层等效剪切波速结合覆盖层厚度综合判定建筑场地类别，具体判别依据可见国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)。对微动资料进行反演，获得地下介质的横波速度结构，在实际应用中也越来越普遍，并于2018年3月写入行业标准《城市工程地球物理探测规范》(CJJ/T 7-2017)。利用微动资料进行波速测试主要有以下几种方法：①利用微动相速度曲线进行反演；②利用H/V曲线进行反演；③利用微动相速度曲线和H/V曲线联合反演。其中②③处于研究和试验阶段，最为普遍的还是采用①进行反演。利用面波相速度曲线进行反演也可采用不同算法，传统的有最小二乘法，波速测试时大多采用此方法。另外，也可采用模拟退火法和遗传算法。在工程应用方面，图2为某建筑场地58#孔利用微动信号处理得到的频率-慢度密度分布图，图中蓝色线为相速度频散曲线。

频散曲线需进行可靠性分析，剔除不可信频点、高阶频点，方可进行反演解释。图3即为采用最小二乘法进行反演得到的成果图。

图3 85#孔面波反演成果图(最小二乘法)

图4左边图为采用模拟退火法反演得到横、纵波模型，右边图为各模型误差分布，红线对应最优反演模型。

图4 85#孔面波反演成果图(模拟退火法)

最终反演成果如表1所示。

表1 85#孔波数测试成果表

建筑场地波速测点一般布置在钻探孔位上，地下地层结构已经确定，用模拟退火法或遗传算法由面波频散曲线反演地下地层结构的横波速度可以在较大范围进行搜索，不致于因初始模型不当而漏掉最优模型。

4.2 岩土地层分层

微动勘探对地层进行划分以深度Vx等值线图为基础，结合地质钻探、地质测绘、井探等资料，辅以频率相速度等值线图、频率H/V比值等值线图、能量谱占比等值线图、归一化功率谱等值线图、频率自相关系数等值线图综合进行解释。针对不同的层位，参照辅助图件有不同的侧重点。①风化岩面、基岩面以频率相速度等值线图、频率H/V比值等值线图为重点；②冲洪积层与残坡积层分界面可参照频率相速度等值线图和频率自相关系数等值线图；③软弱性透镜体可参照频率H/V比值等值线图、能量谱占比等值线图。勘察中钻孔与微动对比点需有一定比例，通过分析这些标定点的曲线属性特征，可掌握整个场地各土层分布特征，能较好地提高微动资料解释精度和准确性。

福州市仓山区盖山镇某工程主体由9座15层中高层商住综合楼、6座14层中高层住宅楼、4座13层中高层住宅楼、16座11层中高层住宅楼、4座9层中高层住宅楼、2座5层小高层住宅楼及1座3层幼儿园组成，设1层整体大地下室。在岩土工程勘察中，采用了地质钻探结合微动勘探法进行联合勘察，共完成微动勘探测线14条，微动勘探点126个，微动参考点32个。图5、图6为L12测线面波深度Vx剖面图和成果解释图，解释中对10个不同地层进行了综合划分，针对不同层位参考了不同微动测试属性。碎块状强风化花岗岩顶界面最先被确定，主要参考了面波Vx速度、钻孔资料，此层位变化平缓。中等风化花岗岩顶界面主要参考面波Vx速度、HV峰值和钻孔资料，HV等值线图(图7中d处)ZK53、ZK54、ZK57明显低于ZK35、ZK36、ZK146，同时，结合钻孔ZK53揭示碎块状强风化花岗岩明显变厚，推断ZK54、ZK57中等风化花岗岩埋深较深，大于55m。钻孔ZK35揭示覆盖层中存在有淤泥(质土)、粉质粘土、淤泥质土等冲洪积层，划分层位时，如何确定这些冲洪积层和残坡积层分界线非常重要，如果仅仅采用面波Vx速度结合钻孔资料进行划分，往往会出现较大偏差，利用微动其它属性可有效提高解释准确度。在该剖面中，首先从频率相速度等值线图中(图8中c处)可以看到Vr速度明显存在一凸起，在ZK49测点处达到顶峰，可推断凸起与下部的基岩相连，为残坡积、风化岩层。因此，必定在ZK35和ZK49之间存在着冲洪积的尖灭点，同时从能量谱占比等值线图中可以看出ZK35、ZK36存在一延伸至高频段的高值异常区(图9中f处)，ZK146却没有，可断定冲洪积层仅在ZK35、ZK36孔位存在，在以上判断基础上，结合Vx速度和钻孔资料可有效的对冲洪积层进行分层。对残坡积层、风化岩层中地层尖灭也可以采用以上方法进行，利用的微动属性参数不尽相同，如剖面中残积砂质粘性土的确定就利用了H/V比值和Vx速度(图7中e处)。

图5 L12测线深度Vx剖面图

图6 L12测线成果解释图

图7 L12测线频率H/V比值等值线图

图8 L12测线频率相速度等值线图

图9 L12测线能量谱占比等值线图

在某些地质条件下，面波传播过程中往往会发育一些高阶面波成分，在微动勘察中也可以观测到。从Vx剖面图中可以看出，在图5中a,b两处存在明显的高速异常，它位于全风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩中，推断是由这些层位中不均匀性引起。以往经验表明，在以下地质条件下较易发育高阶面波：①较厚的淤泥、淤泥质土中；②含碎石粉质粘土中；③较厚的砂土状强风化岩中。总体看冲洪积层比残坡积层更易发育高阶面波。地层分层时，应对这种现象进行重点关注，做到查证识别。

4.3 风化残留体探测

球状风化是岩浆岩地区一种比较常见的地质现象。在建筑岩土工程勘察中，球状风化体的存在，勘察过程中不易发现，往往容易误导工程设计及施工，导致施工困难(如断桩)、上部结构失稳(如不均匀沉降)等问题，甚至会被勘察误判为基岩，从而对球状风化区建筑物或构筑物基础工程构成潜在威胁，也增加基础工程施工难度。主要表现在以下几个方面：

(1)基础形式采用预应力管桩时，施工中可能压桩已达到设计要求，但桩尖仅进入孤石，未进入持力层，此时若错判终压，将留下严重安全隐患。若继续增大压力，则易导致断桩，增加施工成本。

(2)基础形式采用冲(钻)孔灌注桩时，因球状风化体的存在，钻孔桩施工存在钻进速度慢，易偏孔、卡钻，钻头损耗大，嵌岩桩终孔条件难判定的情况。

(3)基础形式采用浅基础时，因球状风化体与周边风化层压缩性差异较大，易产生基础不均匀沉降，使建筑物产生裂缝等，严重时导致建筑物无法使用。因此，在工程地质勘察阶段，应该对球状风化体进行全面具体的调查与研究。

利用微动技术对风化残留体进行探测与对岩土地层分层比较类似，对残留体进行探测主要侧重对异常体的分析。微动属性参数中，需重点关注相速度、自相关系数和H/V比值。在频率相速度等值线图中，风化残留体表现为Vr高速异常；在频率自相关系数等值线图中，风化残留体表现为自相关系数高值异常；在频率H/V比值等值线图中，风化残留体表现为凸起、多峰异常。图10～图11为某工程L3测线面波频率相速度等值线图和成果解释剖面图，在图10中的g处，可明显看到两个高速异常区，并且与深部低频高速区明显分离开来，因此推断此高速异常为砂土状强风化花岗岩中发育的中风化核。后经钻孔验证14孔在5.1m～6.3m、6.8m～8.2m处发育有两处中风化核，与推断的5.3m～8.6m为中风化核较为吻合。

图10 L3测线面波频率相速度等值线图

图11 L3测线面波成果解释剖面图

5 结语

本文把微动勘探技术应用于建筑岩土工程勘察中，针对建筑场地地球物理勘探条件复杂，场地狭小，要求精度高等特点，从野外观测方式到室内资料处理整个过程，均提供了较好的解决方案。利用微动多参数属性，综合分析对地层进行划分，可提高资料的解释精度和准确度。文中仅阐述了建筑场地类别的确定、地层划分和对风化残留体探测。其实，微动多参数属性解释还可应用于岩溶探测、采空区、塌陷区探测等方面，随着微动技术在建筑工程勘察中的进一步应用，在勘察中会发挥越来越重要的作用，也会成为岩土工程勘察中的一种有效勘探手段。