吳明和

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來微動探測方法在國內受到廣大關注，它具有較強的抗干擾性、無損性、經濟性，且能適應各種復雜的地理環(huán)境等優(yōu)點，解決了有些受地形或環(huán)境等因素影響而無法使用傳統鉆探施工的難題。微動的H/V譜比法是其中一種更為便捷、直觀的方法。

土層剪切波速VS是描述工程場地的一個重要基本參數，而瑞利面波在層狀介質中具有頻散的特性，且與VS之間關系密切，于是，人們對其專門做了大量實驗研究。Nogoshi和Igarashi[1]通過對地脈動H/V譜的研究，得出地脈動的主要成分是瑞利波的結論。Nakamura[2]的研究表明，在場地上僅用一個三分量檢波器觀察到地脈動的水平向和垂直向(H/V)譜比與場地垂直入射S波的放大因子相似。這表明地脈動的H/V譜可以反映場地的VS剖面，對于不同VS結構的地層，面波具有不同的水平分量與垂直分量的H/V譜；反之，面波地脈動的H/V譜能夠反映不同地層的VS結構剖面。

對土層松散沉積層中介質響應和H/V譜特征研究表明；介質中阻抗比差異越大，H/V譜反映越明顯。大量實驗數據和實測數據應證H/V譜頻率和土層頻率有著密切關系[3-7]。

用H/V曲線探測地下結構關鍵特征有3條：①可以通過峰值振幅指出是否存在剛性層，并且通過理論公式確定剛性層的埋深；②利用H/V曲線在空間或特殊形態(tài)上的變化，可以探測到地層中橫向異質體；③可以顯示地層速度逆轉。遺憾的是,H/V曲線探測，在中國的應用目前并不多見，雖然利用峰值頻率探測基巖面埋深在相當多研究者中已經取得了共識。而利用H/V曲線對橫向異質體的探測在國內應用并不多見。實質上，微動H/V譜比法在工程上應用范圍廣泛。

基此，本文結合福州市地鐵4號線障礙物調查項目，應用H/V譜比法對人行天橋拆除后遺留的混凝土灌注樁進行探測，實踐證明了該方法的可行性。

1 微動H/V譜比法基本原理

1.1 微動定義

微動是指地表微弱的振動，而這種振動主要由自然界運動和人類活動所產生。自然界運動，包括潮汐運動、風、氣候等，該運動具有長周期性(t>1.0s)。人類活動，包括機械施工、交通運輸人員活動等，具有短周期性(t<1.0s)。地震儀或者檢波器時刻在記錄著地球表面的微動信號(地脈動)，而微動信號中包含著地下結構的豐富信息，可以用于對地下結構進行成像分析，從而獲得地下結構的信息。

1.2 H/V譜比法

地震波通常由體波和面波組成，體波包括縱波(P)、橫波(S)等，其中面波占地震波總能量的2/3。面波按質點運動方式不同，又分為包括瑞利波和勒夫波。面波的傳播速度與介質的頻率有關(頻散現象)。通常情況下，地脈動中不存在高階瑞利波和勒夫波。當地脈動的垂直分量與水平分量在同一方向傳播時，由地脈動水平分量可得到勒夫波頻散曲線。如果已知土層VS值，則可以估計出相應土層厚度變化。所以，基階瑞利波(H/V)譜比的峰頻率及谷頻率與場地觀測到的地脈動的峰值頻率及谷頻率一致，通過對場地地脈動H/V譜反演能估計出場地VS結構。在水平層狀介質中，頻率為ω的地脈動H/V譜定義：

(1)

式中：PNS(ω)和PEW(ω)是兩個相互正交的水平運動傅里葉變換功率譜，PUD(ω)是垂直運動的傅里葉變換功率譜。而頻率為ω的X向運動的傅立葉功率譜P(ω)可表示為：

(2)

式中，L為不相重疊的數據段的總數，SXl(ω)為X向運動第l個數據段的傅立葉變換。

然而，微動H/V譜比不總是與基階瑞利波的H/V譜比相一致，這可能是以內地脈動中存在著其他面波成分，即高階瑞利波和勒夫波。考慮基階和高階面波的影響，Arai和Tokimatsu[8]等定義了頻率為ω時的瑞利波(H/V)譜比(H/V)R、面波(H/V)譜比(H/V)S及水平運動的瑞利波和勒夫波振幅比(R/L)：

(3)

式中：

PHR(ω)和PVR(ω)分別是瑞利波水平方向和垂直方向的功率譜；

PHL(ω)是勒夫波在水平方向的功率譜；

PHS(ω)和PVS(ω)為水平方向和垂直方向所有面波的功率譜。

通過場地VS剖面計算出的H/V譜與場地觀測的地脈動H/V譜能很好的匹配。所以，通過對場地地脈動H/V譜的反演，能估計出場地的VS結構。

1.3 H/V曲線特征

常見H/V曲線有個明顯的峰值頻率，單臺數據無法區(qū)分微動是由體波還是面波組成，很難判斷H/V峰值是由于體波中S波在松散沉積層的共振引起，還是瑞利面波的極化作用或勒夫波的震相引起?；?，Bonnefoy-Claudet通過模擬實驗，表明微動H/V峰值頻率與波場組成沒有太大關系，與松散沉積層的共振頻率相吻合，且H/V曲線峰值頻率f0接近或等于松散沉積層卓越頻率。H/V曲線峰值頻率f0與松散覆蓋層的平均剪切波速和覆蓋層厚度相關；Seht和Wohlenberg[9]從場地效應的傳遞函數出發(fā)，推導出式(4)：

(4)

式中：Vs為覆蓋層加權平均剪切波速(m/s)；Dov為松散覆蓋層厚度。

H/V曲線類型大致可分為：

(1)單峰型：一般表現為覆蓋層與基巖分界面形成較大波阻抗比。此形狀下地層分布相對均勻峰值頻率對應的深度是碎塊狀或基巖面。

(2)雙峰型：一般表現為在不同深度存在兩處波阻抗比較大的地層。此形狀下表明很可能基巖面上方還存在一個波阻抗比較大的層位。

(3)寬峰型：一般表現為波阻抗比大的層位較厚。此形狀下碎塊狀較厚或基巖面較陡。

(4)無峰型：這種情況一般不多見?？赡芨采w層較淺或較深，在計算時頻率取值不夠，峰值可能出現在該頻率范圍之外；也有可能數據采集異常，導致形成的曲線圖沒有出現明顯峰值。

2 應用實例

2.1 工程簡介

福州市在建地鐵4號線途經楊橋路南后街路段，障礙物調查表明，該路口先前有一座人行天橋，由于天橋拆除后樁基并未拔除；考慮到該樁基礎有可能侵入到地鐵盾構隧道洞身范圍內，對盾構施工造成一定安全隱患。該位置又正好處于美食街和南后街入口處，受周邊道路和環(huán)境因素影響，無法布置鉆孔進行勘察。為了進一步確認該樁基具體位置及埋深，在可疑區(qū)內進行微動探測。地理位置如圖1所示。

圖1 地理位置示意圖

2.2 野外數據采集

本次數據采集，用微動密集臺陣探測，共布置4條測線，其中L1、L2和L3測線采用直線型，測線間距1.5m。L1測線共布置18個檢波器，T1～T3和T15～T18間距1m，T3～T15間距0.5m。L2、L3測線布置12個檢波器，間距1m。 L4測線與L1測線重合，L4采用圓形臺陣觀測系統，每個圓形陣列由放置于正五邊形頂點和中心點的6個檢波器組成一個測點，該測線共5個測點(WT1～WT5)。由于現場位置位于行人與車輛眾多的景區(qū)門口，故，選擇夜間作業(yè)，且每個臺陣采集時間不少于20min。測線布置如圖2所示。

圖2 測線布置圖

2.3 數據分析

微動探測技術雖然有著較強的抗干擾能力，但由于客觀原因在采集過程中難免受到一些干擾，對此需要對原始數據進行預處理。每個地震儀采集的數據經過預處理后，再進行傅里葉變換后，利用公式(3)得到地震儀對應的H/V曲線，如圖3～圖4所示。

圖3 L1、L2和L3測線H/V曲線圖

從圖3～圖4中可以看出：

(1)無論地震儀是直線型布置，還是圓形臺陣布置，除了高頻段(4-45Hz)，所有測線上地震儀H/V形態(tài)基本一致；

(2)所有H/V曲線最大峰值的頻率為1.2左右，3-20Hz頻率段H/V量值在0.5左右，屬于尖單峰型。

通過分析H/V曲線的形態(tài)、諧振頻率和峰值等特征，可以推斷該測試場地地層比較均勻，基巖面平整起伏不大。

圖4 L4測線H/V曲線圖

為了更加直觀地反映出地層地質情況，獲取更多的有效信息，本研究對H/V數據進行反演，繪制成H/V等值線圖，如圖5所示。

(a) L1測線 (b) L2測線

(c) L3測線 (d) L4測線圖5 H/V等值線圖

圖5中，橫坐標為里程間距，縱坐標為頻率，低頻到高頻反映地層由深部到淺部的信息，右邊為量值大小參考色標。L1、L2、L3是單個檢波器的H/V值繪成的，L4測線的測點由6個檢波器取平均值得到。

通過這4條測線對比可以看出，L1測線和L4測線H/V等值線圖有明顯異常。L1測線在檢波器T8～T12位置，頻率段在3-25Hz，H/V的量值在0.5～0.8之間，明顯高于其他位置的H/V量值。依據H/V的特征解釋依據，可以推斷T8～T12檢波器位置下方異常是地層局部出現波阻抗比較大的物質所致，基本可以確定樁基礎的位置就在這個范圍。

為了進一步分析，針對L1測線的異常反映，對L1測線重新反演生成V/H(H/V的倒數)等值線圖，如圖6所示。

圖6 L1測線V/H等值線圖

V/H的量值大，一般對應測點下方相應深度位置的土層較軟；V/H的量值小，對應測點下方相應深度位置的土層較硬。從圖6可以看出，T9和T10檢波器下方V/H量值明顯偏小(方框標注)，說明其下方土層較硬，由此可以斷定T9和T10下方存在樁基礎，且從量值變化范圍看，直經約為1m～1.5m。

基于等值線圖的分析結果，該工程在T9位置附近分別取頻率為4Hz、10Hz、15Hz、20Hz做成V/H水平切片等值線圖，如圖7所示。

圖7 V/H水平切片等值線圖

由圖7可以看出，T9位置下方從淺至深的V/H量值與周邊相比明顯偏低，對應樁基礎的位置。

據《福州市軌道交通4號線一期工程(白馬北路站～東街口站區(qū)間)》詳勘報告顯示，附近鉆孔MDZ3-29-34終孔47.8m未揭示基巖面，自上而下主要土層為：雜填土、粉質粘土、淤泥、粉質粘土、淤泥、粉質粘土、砂土強風化花崗巖。如圖6所示：T9和T10檢波器下方的V/H量值到3Hz附近才恢復到和周邊相當，因此，3Hz頻率對應為該樁底埋深位置。根據周邊地層情況及半波長理論計算：H=V/2f，頻率為3Hz點相速度值約為300m/s，估算樁底埋深為50m。

探測結果表明：該樁基礎位置在T9和T10周邊，直徑為1m～1.5m，樁底埋深50m左右，已穿過盾構隧道洞身。

2.4 結果驗證

測試點因為在景區(qū)入口，環(huán)境特殊不能進行鉆孔驗證。但本次探測實驗結果與《楊橋路和南后街交叉口天橋竣工圖》基本一致，T9位置為②號橋墩放樣位置，樁基的設計長度50.3m，埋深51m，設計直徑1m。

3 結論

該案例采用微動技術探測遺留在松散沉積土層中樁基礎的位置及埋深，利用微動H/V譜比法簡單、方便、直觀的特點，分析單個地震儀H/V曲線、剖面H/V(V/H)等值線圖和水平切片等值線圖，快速定位了樁基礎具體位置。探測結果表明：

(1)微動探測方法屬于天然被動源面波探測法，野外操作簡單、抗干擾能力強、無破壞場地等特點，很適合城區(qū)及復雜的地理環(huán)境。

(2)H/V譜比法處理方法簡單、高效，能夠快速和直觀的反映出地層差異，從而達到探測的目的。

(3)從此次探測是數據來看，對于尋找局部異常采用單個檢波器的H/V等值線圖來分析，效果要比平均值更直觀、準確。所以，要根據探測目的選擇合適的臺陣布置。

(4)通過H/V譜比法的原理，可以將此方法用于孤石探測、基巖突起、巖溶探測、判斷基巖深度等領域。

雖然H/V譜比法在工程上已經廣泛應用，但其也存在著不足：

(1)對H/V峰值的出現是瑞雷波極化所致還是S波諧振頻率導致還沒有明確的認識。

(2)對場地速度的估算存在著誤差，為進一步提高探測精度還需參照鉆孔資料。

(3)對于覆蓋層中波阻抗小的異質體反映不明顯，不足以作為單一判斷的依據。