林孝城 劉宏岳 陳宗剛

(1.福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西西安 710065)

0 引言

地球表面每時(shí)每刻都存在著一種微弱的振動(dòng)，稱為微動(dòng)。微動(dòng)信號(hào)來(lái)源于自然界與人類活動(dòng)，前者包括風(fēng)、潮汐、氣壓變化、火山活動(dòng)等產(chǎn)生的振動(dòng)，后者包括交通、工廠機(jī)械運(yùn)行，甚至人的行走等產(chǎn)生的振動(dòng)。所有這些振動(dòng)的能量都以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，其中含有體波(P波和S波)和面波。在傳播過(guò)程中，微動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)大地的濾波和吸收后，能量傳播以面波為主(約占信號(hào)總能量的70%以上)。

微動(dòng)探測(cè)方法，也稱為天然源或被動(dòng)源面波法，它通過(guò)觀測(cè)微動(dòng)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理，獲得面波速度與H/V譜比等信息后利用這些信息，結(jié)合鉆探資料，可用于探測(cè)基巖凸起、孤石、巖溶等不良地質(zhì)體。該方法有效利用環(huán)境噪聲，小半徑臺(tái)陣能很好滿足淺層不良地質(zhì)體的探測(cè)深度要求，且不受場(chǎng)地條件限制，可在交通繁忙、建筑物密集、鉆探難于實(shí)施的鬧市區(qū)或地質(zhì)信息盲區(qū)進(jìn)行有效探測(cè)，是一種無(wú)損、經(jīng)濟(jì)、高效的地球物理探測(cè)手段[1]。在美洲、歐洲和日本等地區(qū)和國(guó)家，微動(dòng)探測(cè)方法在無(wú)損檢測(cè)和場(chǎng)地地震評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛[2]。近年來(lái)，該方法在孤石、空洞等不良地質(zhì)體探測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛應(yīng)用[1,3-4]。

福建某擬建廠房項(xiàng)目建設(shè)時(shí)采用預(yù)制樁作為廠房基礎(chǔ)，在埋置預(yù)制樁時(shí)，部分樁位出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象(樁體斷裂或破碎)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)較大滾石。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，發(fā)現(xiàn)滾石的位置附近均無(wú)勘察鉆孔分布。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)場(chǎng)地地質(zhì)情況出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)施工勘察。為查明樁位滾石平面分布與埋深情況，并為設(shè)計(jì)處理提供依據(jù)，該工程勘測(cè)選用微動(dòng)探測(cè)方法作為探測(cè)的主要方法和手段，并輔以少量的鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

基此，本文擬在論述微動(dòng)探測(cè)方法基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合該工程實(shí)例，介紹該方法在樁基工程不良地質(zhì)體(滾石)探測(cè)中的應(yīng)用。

1 基本原理

如上所述，微動(dòng)探測(cè)方法是一種基于微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)的地球物理探測(cè)方法[1]，可獲得面波頻散曲線、H/V譜比、功率譜等信息；綜合獲得的參數(shù)信息，結(jié)合鉆孔資料，可對(duì)孤石等不良地質(zhì)體進(jìn)行推斷解釋。

獲取面波速度信息的工作原理如圖1所示。其勘察步驟，采用圓形或其他臺(tái)陣(三角形、L型等) 布置方式進(jìn)行信號(hào)采集，采用空間自相關(guān)(SPAC)算法或頻率波數(shù)域(FK)算法從微動(dòng)臺(tái)陣記錄中提取面波頻散曲線，經(jīng)插值光滑計(jì)算獲得二維面波速度剖面。該剖面能直觀反映地層巖性變化，是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。

圖1 面波速度剖面獲取流程圖

圖2 H/V曲線獲取流程圖

H/V譜比法可獲得H/V曲線。該方法首先由Nogoshi和Igarashi提出[5]。獲取H/V曲線的工作原理流程如圖2所示。H/V曲線是振動(dòng)三分量數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜，經(jīng)水平分量和垂直分量的頻譜比值得到。它反映的是地層的波阻抗界面，也是尋找土石分界面的依據(jù)之一；且H/V曲線峰值頻率與松散沉積層的共振頻率相吻合。這與很多應(yīng)用結(jié)果相符，可用于估算覆蓋層厚度。

2 工程概況與具體工作方法

2.1 工程概況

福建某擬建廠房項(xiàng)目所在地屬閩東火山斷坳帶，屬河口海積、沖積環(huán)境，根據(jù)工區(qū)巖土工程報(bào)告可知，該工區(qū)場(chǎng)地地層較為豐富，沖洪積層有：①填砂；①a雜填土；②淤泥；③粉(砂)質(zhì)粘土(1)；③a淤泥質(zhì)土；④-1碎卵石(1)；④-2圓角礫(1)；④a粉質(zhì)黏土；④b淤泥質(zhì)土；⑤粉(砂)質(zhì)黏土(1)；⑥淤泥質(zhì)土(1)；⑦-1碎卵石(2)；⑦-2圓角礫(2)；⑧粉(砂)質(zhì)黏土(2)；⑨淤泥質(zhì)土(2)；⑩粉(砂)質(zhì)黏土(3)；碎卵石(3)；(含碎石)粉質(zhì)粘土等，風(fēng)化層有：殘積粘性土；全風(fēng)化花崗巖；砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等?？碧姐@孔中均未揭露滾石。

該廠房項(xiàng)目建設(shè)時(shí)采用預(yù)制樁(直徑0.5m)作為廠房基礎(chǔ)。根據(jù)施工單位現(xiàn)場(chǎng)反映，在對(duì)1234#樁施打至4m深度時(shí)出現(xiàn)爆樁(樁體斷裂或破碎)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)存在大滾石，預(yù)測(cè)滾石長(zhǎng)度約9m，寬度約7m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，出現(xiàn)滾石的位置位于工區(qū)南側(cè)，該區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)孤立山體，自然斜坡坡度一般30°～45°，部分可達(dá)55°～60°，推測(cè)場(chǎng)地內(nèi)滾石為山體上巖體滾落而致，且在詳細(xì)勘察階段該區(qū)域鉆孔時(shí)未揭露滾石。為查明樁位位置滾石的平面分布與埋深情況，并為設(shè)計(jì)處理提供依據(jù)，選用微動(dòng)探測(cè)方法作為探測(cè)的主要方法和手段，并輔以少量的鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。為提高滾石摸查效率和成本控制，采用微動(dòng)探測(cè)方法對(duì)可疑區(qū)域的樁基位置進(jìn)行探測(cè)，對(duì)微動(dòng)解釋成果中存在異常的位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

2.2 具體工作方法

根據(jù)施工方及設(shè)計(jì)單位指定的樁位位置和滾石揭露區(qū)域，本次微動(dòng)探測(cè)工作共布置了31個(gè)微動(dòng)測(cè)點(diǎn)(圖3)，在已知爆樁位置(1234#與1449#樁)和詳勘鉆孔(ZK435)進(jìn)行微動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)。各測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)系統(tǒng)采用正五邊形陣列，每個(gè)陣列由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)三分量地震儀組成。正五邊形頂點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離稱為觀測(cè)半徑，本次工作采用2m半徑的臺(tái)陣進(jìn)行觀測(cè)，按樁位逐點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖4為樁位微動(dòng)測(cè)點(diǎn)臺(tái)陣布置示意圖，雙樁承臺(tái)(1549#與1550#樁)在中心點(diǎn)位置布置測(cè)點(diǎn)M43，單樁樁位(1548#)在樁位中心位置布置測(cè)點(diǎn)M62。

圖3 測(cè)點(diǎn)平面布置圖(局部)

圖4 樁位測(cè)點(diǎn)臺(tái)陣布置示意圖

3 應(yīng)用效果分析

微動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)圖1與圖2的流程處理后，結(jié)合鉆孔資料分析微動(dòng)特征，對(duì)疑似存在滾石的樁基位置進(jìn)行排查。

3.1 速度分析

為了便于對(duì)比分析，利用圖1所獲得的面波頻散曲線，各微動(dòng)測(cè)點(diǎn)按5m假定距離形成剖面圖，繪制如圖5所示的面波速度剖面圖。該圖洋紅色圓點(diǎn)為設(shè)計(jì)樁底位置。

圖5 面波速度剖面圖

由圖5可知，在0.0m～15.0m深度范圍內(nèi)，面波速度較小，無(wú)明顯異常。即使是已發(fā)現(xiàn)滾石的測(cè)點(diǎn)(T1)的速度亦未見(jiàn)明顯異常。根據(jù)鉆孔資料可知，該深度范圍土層基本為填砂、淤泥、(含碎石)粉質(zhì)粘土與殘積砂質(zhì)粘性土；在15.0m～30.0m深度范圍內(nèi)，面波速度相對(duì)較大，且分布不均。根據(jù)鉆孔資料可知，該深度范圍土層基本為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部速度偏高區(qū)域，反映花崗巖的不均勻風(fēng)化。

3.2 H/V譜比法分析

為了便于對(duì)比分析，利用圖2所獲得的H/V曲線，各微動(dòng)測(cè)點(diǎn)按5m假定距離，繪制出H/V曲線剖面圖(圖6)。該圖紅色圓點(diǎn)為H/V曲線最大峰值頻率。由圖6可知，在H/V曲線最大峰值往高頻方向，T1、M41、M58等部分測(cè)點(diǎn)存在多個(gè)量值較大的次峰值，反映該測(cè)點(diǎn)臺(tái)陣下方存在若干個(gè)較大的巖土層阻抗界面。

圖6 H/V曲線剖面圖

圖7為詳勘鉆孔ZK435的H/V曲線，整體均呈現(xiàn)單峰形態(tài)，峰值頻率為3.91Hz，對(duì)應(yīng)基巖界面。結(jié)合巖土工程勘察資料可知，測(cè)點(diǎn)ZK435的H/V曲線特征反映了正常地層的層序關(guān)系，推斷存在滾石等不良地質(zhì)體的可能性很小。根據(jù)鉆孔資料可知，鉆孔ZK435未揭露滾石，這與微動(dòng)探測(cè)的推斷結(jié)果吻合。

圖7 ZK435鉆孔的土層分布與H/V曲線

圖8為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)T2(1449#樁)的H/V曲線，其整體呈現(xiàn)單峰形態(tài)，峰值頻率為3.42Hz，對(duì)應(yīng)基巖界面。該測(cè)點(diǎn)的H/V曲線特征與ZK435類似，其H/V曲線特征也反映了正常地層的層序關(guān)系，推斷存在滾石等不良地質(zhì)體的可能性很小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果可知，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)T2(1449#樁)雖然在進(jìn)行預(yù)制樁施打至7m深度時(shí)出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象，但在鉆孔驗(yàn)證時(shí)并未揭露滾石，這與微動(dòng)探測(cè)的推斷結(jié)果吻合。分析該點(diǎn)樁基施工時(shí)發(fā)生爆樁現(xiàn)象的原因可能是受深度5.6m～7.8m存在的圓角礫所致。

圖8 T2試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)(1449#樁)鉆孔的土層分布與H/V曲線

在完成的31個(gè)微動(dòng)測(cè)點(diǎn)中，有25個(gè)測(cè)點(diǎn)的H/V曲線特征與上述兩個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的H/V曲線特征基本類似。

圖9為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)T1(1234#樁)的H/V曲線，在3.03-4.79Hz頻率段，該測(cè)點(diǎn)的H/V曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，說(shuō)明該頻率段存在波阻抗較大的巖土層，推斷存在滾石。結(jié)合頻散曲線的速度值按半波長(zhǎng)深度估算，其埋深約為3.5m。根據(jù)施工方提供的資料，該測(cè)點(diǎn)所在的1234#樁在預(yù)制樁施打至4m深度時(shí)出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后出現(xiàn)大滾石，無(wú)法取出。微動(dòng)推斷結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致。在完成的31個(gè)微動(dòng)測(cè)點(diǎn)中，有6個(gè)測(cè)點(diǎn)的H/V曲線特征與該測(cè)點(diǎn)基本類似。

圖9 T1試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)(1234#樁)鉆孔的土層分布與H/V曲線

3.3 推斷與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合已知樁基礎(chǔ)施工爆樁樁位微動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)(T1：樁號(hào)1234#與T2：樁號(hào)1449#)與鉆孔試驗(yàn)點(diǎn)(ZK435)的測(cè)試結(jié)果，確定本次微動(dòng)探測(cè)的成果解釋以H/V譜比法分析為主，結(jié)合頻散曲線速度，對(duì)各微動(dòng)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行推斷，解釋深度為樁長(zhǎng)深度范圍(主要是0.0-15.0m深度范圍)。

經(jīng)綜合分析，向施工單位提供6個(gè)異常點(diǎn)用于樁基礎(chǔ)施工與鉆孔驗(yàn)證(表1)。

表1 建議驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)與鉆孔驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明，有3個(gè)異常測(cè)點(diǎn)(M41、M58與M66)揭露滾石，推斷的滾石埋深與鉆孔資料基本一致；其他3個(gè)異常測(cè)點(diǎn)的樁基(M39、M56與M59)無(wú)滾石揭露，樁基正常施打，成樁正常。雖然這3個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)鉆孔驗(yàn)證無(wú)滾石揭露，但不排除試驗(yàn)臺(tái)陣下方存在滾石的可能，因?yàn)殂@孔的孔徑較小，相對(duì)試驗(yàn)臺(tái)陣范圍(直徑4m圓)來(lái)說(shuō)，尺度較小，鉆孔驗(yàn)證遺漏滾石的可能性較大。其他25個(gè)無(wú)異常的微動(dòng)測(cè)點(diǎn)在后期預(yù)制樁施工時(shí)，均正常施打，未遇滾石。

4 結(jié)論

本次工程物探工作，圍繞勘察目的，針對(duì)性地選用微動(dòng)探測(cè)方法，基本查明了施工方及設(shè)計(jì)單位指定的區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體(滾石)的樁位位置；結(jié)合頻散曲線的速度值，按半波長(zhǎng)深度估算異常測(cè)點(diǎn)滾石的埋深，建議施工方對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

經(jīng)鉆孔驗(yàn)證與后期樁基施工情況可知，有3個(gè)異常測(cè)點(diǎn)揭露滾石，無(wú)異常測(cè)點(diǎn)在后期預(yù)制樁施工時(shí)，未遇滾石，均正常施打。

實(shí)踐證明，采用微動(dòng)探測(cè)方法探明或排除不良地質(zhì)體(滾石)的分布情況，具有一定效果，精度基本能滿足探測(cè)要求，為今后類似工程積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

微動(dòng)探測(cè)方法，由于其簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，勢(shì)將越來(lái)越受到人們的重視，雖然其在淺層工程勘察的研究和應(yīng)用剛起步不久，但當(dāng)前利用微動(dòng)探測(cè)方法探測(cè)城市地下病害體(如孤石、巖溶等)的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為時(shí)下研究熱點(diǎn)。

采用微動(dòng)探測(cè)方法探測(cè)滾石等不良地質(zhì)體的難點(diǎn)，在于不知道不良地質(zhì)體的尺度有多大，但不良地質(zhì)體尺度越大反映效果越好。當(dāng)不良地質(zhì)體速度異常不明顯時(shí)，單點(diǎn)H/V譜比分析法可能更為有效。

此外，如何進(jìn)一步確定微動(dòng)探測(cè)方法探測(cè)的異常體大小的3D成像，也是今后研究的重點(diǎn)之一。