微动H/V谱比法在既有混凝土灌注桩探测中应用

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

近年来微动探测方法在国内受到广大关注，它具有较强的抗干扰性、无损性、经济性，且能适应各种复杂的地理环境等优点，解决了有些受地形或环境等因素影响而无法使用传统钻探施工的难题。微动的H/V谱比法是其中一种更为便捷、直观的方法。

土层剪切波速VS是描述工程场地的一个重要基本参数，而瑞利面波在层状介质中具有频散的特性，且与VS之间关系密切，于是，人们对其专门做了大量实验研究。Nogoshi和Igarashi[1]通过对地脉动H/V谱的研究，得出地脉动的主要成分是瑞利波的结论。Nakamura[2]的研究表明，在场地上仅用一个三分量检波器观察到地脉动的水平向和垂直向(H/V)谱比与场地垂直入射S波的放大因子相似。这表明地脉动的H/V谱可以反映场地的VS剖面，对于不同VS结构的地层，面波具有不同的水平分量与垂直分量的H/V谱；反之，面波地脉动的H/V谱能够反映不同地层的VS结构剖面。

对土层松散沉积层中介质响应和H/V谱特征研究表明；介质中阻抗比差异越大，H/V谱反映越明显。大量实验数据和实测数据应证H/V谱频率和土层频率有着密切关系[3-7]。

用H/V曲线探测地下结构关键特征有3条：①可以通过峰值振幅指出是否存在刚性层，并且通过理论公式确定刚性层的埋深；②利用H/V曲线在空间或特殊形态上的变化，可以探测到地层中横向异质体；③可以显示地层速度逆转。遗憾的是,H/V曲线探测，在中国的应用目前并不多见，虽然利用峰值频率探测基岩面埋深在相当多研究者中已经取得了共识。而利用H/V曲线对横向异质体的探测在国内应用并不多见。实质上，微动H/V谱比法在工程上应用范围广泛。

基此，本文结合福州市地铁4号线障碍物调查项目，应用H/V谱比法对人行天桥拆除后遗留的混凝土灌注桩进行探测，实践证明了该方法的可行性。

1 微动H/V谱比法基本原理

1.1 微动定义

微动是指地表微弱的振动，而这种振动主要由自然界运动和人类活动所产生。自然界运动，包括潮汐运动、风、气候等，该运动具有长周期性(t>1.0s)。人类活动，包括机械施工、交通运输人员活动等，具有短周期性(t<1.0s)。地震仪或者检波器时刻在记录着地球表面的微动信号(地脉动)，而微动信号中包含着地下结构的丰富信息，可以用于对地下结构进行成像分析，从而获得地下结构的信息。

1.2 H/V谱比法

地震波通常由体波和面波组成，体波包括纵波(P)、横波(S)等，其中面波占地震波总能量的2/3。面波按质点运动方式不同，又分为包括瑞利波和勒夫波。面波的传播速度与介质的频率有关(频散现象)。通常情况下，地脉动中不存在高阶瑞利波和勒夫波。当地脉动的垂直分量与水平分量在同一方向传播时，由地脉动水平分量可得到勒夫波频散曲线。如果已知土层VS值，则可以估计出相应土层厚度变化。所以，基阶瑞利波(H/V)谱比的峰频率及谷频率与场地观测到的地脉动的峰值频率及谷频率一致，通过对场地地脉动H/V谱反演能估计出场地VS结构。在水平层状介质中，频率为ω的地脉动H/V谱定义：

(1)

式中：PNS(ω)和PEW(ω)是两个相互正交的水平运动傅里叶变换功率谱，PUD(ω)是垂直运动的傅里叶变换功率谱。而频率为ω的X向运动的傅立叶功率谱P(ω)可表示为：

(2)

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。

然而，微动H/V谱比不总是与基阶瑞利波的H/V谱比相一致，这可能是以内地脉动中存在着其他面波成分，即高阶瑞利波和勒夫波。考虑基阶和高阶面波的影响，Arai和Tokimatsu[8]等定义了频率为ω时的瑞利波(H/V)谱比(H/V)R、面波(H/V)谱比(H/V)S及水平运动的瑞利波和勒夫波振幅比(R/L)：

(3)

式中：

PHR(ω)和PVR(ω)分别是瑞利波水平方向和垂直方向的功率谱；

PHL(ω)是勒夫波在水平方向的功率谱；

PHS(ω)和PVS(ω)为水平方向和垂直方向所有面波的功率谱。

通过场地VS剖面计算出的H/V谱与场地观测的地脉动H/V谱能很好的匹配。所以，通过对场地地脉动H/V谱的反演，能估计出场地的VS结构。

1.3 H/V曲线特征

常见H/V曲线有个明显的峰值频率，单台数据无法区分微动是由体波还是面波组成，很难判断H/V峰值是由于体波中S波在松散沉积层的共振引起，还是瑞利面波的极化作用或勒夫波的震相引起。基此，Bonnefoy-Claudet通过模拟实验，表明微动H/V峰值频率与波场组成没有太大关系，与松散沉积层的共振频率相吻合，且H/V曲线峰值频率f0接近或等于松散沉积层卓越频率。H/V曲线峰值频率f0与松散覆盖层的平均剪切波速和覆盖层厚度相关；Seht和Wohlenberg[9]从场地效应的传递函数出发，推导出式(4)：

(4)

式中：Vs为覆盖层加权平均剪切波速(m/s)；Dov为松散覆盖层厚度。

H/V曲线类型大致可分为：

(1)单峰型：一般表现为覆盖层与基岩分界面形成较大波阻抗比。此形状下地层分布相对均匀峰值频率对应的深度是碎块状或基岩面。

(2)双峰型：一般表现为在不同深度存在两处波阻抗比较大的地层。此形状下表明很可能基岩面上方还存在一个波阻抗比较大的层位。

(3)宽峰型：一般表现为波阻抗比大的层位较厚。此形状下碎块状较厚或基岩面较陡。

(4)无峰型：这种情况一般不多见。可能覆盖层较浅或较深，在计算时频率取值不够，峰值可能出现在该频率范围之外；也有可能数据采集异常，导致形成的曲线图没有出现明显峰值。

2 应用实例

2.1 工程简介

福州市在建地铁4号线途经杨桥路南后街路段，障碍物调查表明，该路口先前有一座人行天桥，由于天桥拆除后桩基并未拔除；考虑到该桩基础有可能侵入到地铁盾构隧道洞身范围内，对盾构施工造成一定安全隐患。该位置又正好处于美食街和南后街入口处，受周边道路和环境因素影响，无法布置钻孔进行勘察。为了进一步确认该桩基具体位置及埋深，在可疑区内进行微动探测。地理位置如图1所示。

图1 地理位置示意图

2.2 野外数据采集

本次数据采集，用微动密集台阵探测，共布置4条测线，其中L1、L2和L3测线采用直线型，测线间距1.5m。L1测线共布置18个检波器，T1～T3和T15～T18间距1m，T3～T15间距0.5m。L2、L3测线布置12个检波器，间距1m。 L4测线与L1测线重合，L4采用圆形台阵观测系统，每个圆形阵列由放置于正五边形顶点和中心点的6个检波器组成一个测点，该测线共5个测点(WT1～WT5)。由于现场位置位于行人与车辆众多的景区门口，故，选择夜间作业，且每个台阵采集时间不少于20min。测线布置如图2所示。

图2 测线布置图

2.3 数据分析

微动探测技术虽然有着较强的抗干扰能力，但由于客观原因在采集过程中难免受到一些干扰，对此需要对原始数据进行预处理。每个地震仪采集的数据经过预处理后，再进行傅里叶变换后，利用公式(3)得到地震仪对应的H/V曲线，如图3～图4所示。

图3 L1、L2和L3测线H/V曲线图

从图3～图4中可以看出：

(1)无论地震仪是直线型布置，还是圆形台阵布置，除了高频段(4-45Hz)，所有测线上地震仪H/V形态基本一致；

(2)所有H/V曲线最大峰值的频率为1.2左右，3-20Hz频率段H/V量值在0.5左右，属于尖单峰型。

通过分析H/V曲线的形态、谐振频率和峰值等特征，可以推断该测试场地地层比较均匀，基岩面平整起伏不大。

图4 L4测线H/V曲线图

为了更加直观地反映出地层地质情况，获取更多的有效信息，本研究对H/V数据进行反演，绘制成H/V等值线图，如图5所示。

(a) L1测线 (b) L2测线

(c) L3测线 (d) L4测线图5 H/V等值线图

图5中，横坐标为里程间距，纵坐标为频率，低频到高频反映地层由深部到浅部的信息，右边为量值大小参考色标。L1、L2、L3是单个检波器的H/V值绘成的，L4测线的测点由6个检波器取平均值得到。

通过这4条测线对比可以看出，L1测线和L4测线H/V等值线图有明显异常。L1测线在检波器T8～T12位置，频率段在3-25Hz，H/V的量值在0.5～0.8之间，明显高于其他位置的H/V量值。依据H/V的特征解释依据，可以推断T8～T12检波器位置下方异常是地层局部出现波阻抗比较大的物质所致，基本可以确定桩基础的位置就在这个范围。

为了进一步分析，针对L1测线的异常反映，对L1测线重新反演生成V/H(H/V的倒数)等值线图，如图6所示。

图6 L1测线V/H等值线图

V/H的量值大，一般对应测点下方相应深度位置的土层较软；V/H的量值小，对应测点下方相应深度位置的土层较硬。从图6可以看出，T9和T10检波器下方V/H量值明显偏小(方框标注)，说明其下方土层较硬，由此可以断定T9和T10下方存在桩基础，且从量值变化范围看，直经约为1m～1.5m。

基于等值线图的分析结果，该工程在T9位置附近分别取频率为4Hz、10Hz、15Hz、20Hz做成V/H水平切片等值线图，如图7所示。

图7 V/H水平切片等值线图

由图7可以看出，T9位置下方从浅至深的V/H量值与周边相比明显偏低，对应桩基础的位置。

据《福州市轨道交通4号线一期工程(白马北路站～东街口站区间)》详勘报告显示，附近钻孔MDZ3-29-34终孔47.8m未揭示基岩面，自上而下主要土层为：杂填土、粉质粘土、淤泥、粉质粘土、淤泥、粉质粘土、砂土强风化花岗岩。如图6所示：T9和T10检波器下方的V/H量值到3Hz附近才恢复到和周边相当，因此，3Hz频率对应为该桩底埋深位置。根据周边地层情况及半波长理论计算：H=V/2f，频率为3Hz点相速度值约为300m/s，估算桩底埋深为50m。

探测结果表明：该桩基础位置在T9和T10周边，直径为1m～1.5m，桩底埋深50m左右，已穿过盾构隧道洞身。

2.4 结果验证

测试点因为在景区入口，环境特殊不能进行钻孔验证。但本次探测实验结果与《杨桥路和南后街交叉口天桥竣工图》基本一致，T9位置为②号桥墩放样位置，桩基的设计长度50.3m，埋深51m，设计直径1m。

3 结论

该案例采用微动技术探测遗留在松散沉积土层中桩基础的位置及埋深，利用微动H/V谱比法简单、方便、直观的特点，分析单个地震仪H/V曲线、剖面H/V(V/H)等值线图和水平切片等值线图，快速定位了桩基础具体位置。探测结果表明：

(1)微动探测方法属于天然被动源面波探测法，野外操作简单、抗干扰能力强、无破坏场地等特点，很适合城区及复杂的地理环境。

(2)H/V谱比法处理方法简单、高效，能够快速和直观的反映出地层差异，从而达到探测的目的。

(3)从此次探测是数据来看，对于寻找局部异常采用单个检波器的H/V等值线图来分析，效果要比平均值更直观、准确。所以，要根据探测目的选择合适的台阵布置。

(4)通过H/V谱比法的原理，可以将此方法用于孤石探测、基岩突起、岩溶探测、判断基岩深度等领域。

虽然H/V谱比法在工程上已经广泛应用，但其也存在着不足：

(1)对H/V峰值的出现是瑞雷波极化所致还是S波谐振频率导致还没有明确的认识。

(2)对场地速度的估算存在着误差，为进一步提高探测精度还需参照钻孔资料。

(3)对于覆盖层中波阻抗小的异质体反映不明显，不足以作为单一判断的依据。