曹 旭

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

1 研究背景

在水利水電、新能源工程建設(shè)的過程中，建筑場地類別的劃分是工程勘察必不可少的任務(wù)。根據(jù)當(dāng)下執(zhí)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》-GB50011-2010（2016年版）的相關(guān)規(guī)定：建筑場地的類別劃分，應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為準(zhǔn)。土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度的確定，均以實(shí)測的剪切波速為前提。

目前，傳統(tǒng)的剪切波測試方法主要為孔內(nèi)測試方法：采用鉆孔三分量的檢波器，錘擊震源法獲取了各深度處的剪切波速值[1]。但在實(shí)際工作的過程中，局部鉆孔容易出現(xiàn)垮孔、塌孔等現(xiàn)象，使孔內(nèi)剪切波測試無法有效進(jìn)行。另外，在表層為砂卵礫石層等地質(zhì)地層時(shí)，為了防止鉆孔垮塌，鉆孔鉆進(jìn)過程中需要將鋼套管下到該層位以下。此時(shí)孔內(nèi)剪切波測試時(shí)需要將PVC管放入鉆孔后，再將鋼套管拔出，并用細(xì)砂將PVC管和孔壁之間的間隙填充密實(shí)，方可進(jìn)行孔內(nèi)剪切波測試。但在實(shí)際操作過程中，PVC管與孔壁直接的間隙填充很難做到完全密實(shí)，這也對(duì)剪切波測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

被動(dòng)源面波法為地面剪切波測試方法[2]，與傳統(tǒng)的孔內(nèi)剪切波測試方法相比，其具有不需地質(zhì)鉆孔、不需要震源、工作效率高、儀器設(shè)備輕便、外業(yè)工作簡單等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于無地質(zhì)鉆孔、鉆孔成本大或鉆孔易垮孔等剪切波速測試工作。

被動(dòng)源面波勘探的研究工作源頭可以追溯到Aki在20世紀(jì)50年代奠定的基礎(chǔ)，該方法的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歲月[3]，他提出了用利用局部微震產(chǎn)生的背景噪聲來研究地下結(jié)構(gòu)的設(shè)想[4]；1965年，Capon提出了一種被動(dòng)源的方法，成功對(duì)核實(shí)驗(yàn)場位置進(jìn)行了定位[5]。在20世紀(jì)的80—90年代，王振東和冉偉彥把被動(dòng)源面波方法第一次引入國內(nèi)[6]。1992年，北京地質(zhì)勘察院進(jìn)行了一次目的層深達(dá)數(shù)千米的被動(dòng)源面波試驗(yàn)，這是第一次大深度試驗(yàn)成功，所推斷的目標(biāo)體位置與地質(zhì)鉆孔成果吻合較好[7]。近些年以來，國內(nèi)被動(dòng)源面波勘察也逐漸得到廣泛的推廣[8]。2007年,被動(dòng)源面波法第一次應(yīng)用于煤礦開采區(qū)。近十年來，被動(dòng)源面波勘探受到了廣泛的關(guān)注，在工程勘察、無損檢測、工程場地評(píng)價(jià)等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用[9-10]。

本文將被動(dòng)源面波法應(yīng)用到高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田場地類別劃分中，用頻散曲線反演出場地橫波速度，計(jì)算場地的等效剪切波速，從而準(zhǔn)確判定場地類別。

2 被動(dòng)源面波法原理

被動(dòng)源面波勘探法，即微動(dòng)探測方法（The Microtremor Survey Method，簡稱MSM），是一種物探方法。它是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從被動(dòng)源面波信號(hào)提取瑞雷波的頻散曲線，反演頻散曲線，獲取臺(tái)陣中心點(diǎn)下方的地層橫波速度信息[11]。

2.1 工作方法

被動(dòng)源面波勘探的臺(tái)陣布設(shè)主要有三角型臺(tái)陣、圓型臺(tái)陣、L型臺(tái)陣和直線型臺(tái)陣等。臺(tái)陣的布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 被動(dòng)源勘探主要的臺(tái)陣方法

為進(jìn)行二維探測，被動(dòng)源面波測點(diǎn)需要沿測線剖面方式布設(shè)。這種方式的野外觀測系統(tǒng)如圖2所示，在完成第一點(diǎn)O1的單點(diǎn)微動(dòng)觀測（觀測系統(tǒng)同圖5a）后，把觀測點(diǎn)平移到O2上進(jìn)行第二點(diǎn)觀測，依此類推。

圖2 微動(dòng)觀測系統(tǒng)示意圖

圖5 JZ10點(diǎn)頻散曲線反演成果圖

2.2 頻散分析

從微動(dòng)探測數(shù)據(jù)中提取頻散曲線是微動(dòng)勘探尤為重要的環(huán)節(jié)。目前，從微動(dòng)面波法勘探數(shù)據(jù)中提取頻散曲線主要有兩個(gè)方面的方法：一是基于空間相關(guān)分析的SPAC法，二是基于二維波場變換的FK法[12]。

空間自相關(guān)法（SPAC法）提取頻散曲線的步驟是：首先將采集的數(shù)據(jù)集劃分成若干個(gè)數(shù)據(jù)段，去掉信噪比很低的數(shù)據(jù)段，用窄帶濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行處理，提取需要的頻率成分；再分別計(jì)算不同頻率中心點(diǎn)與不同圓周上各點(diǎn)之間的空間自相關(guān)系數(shù)，然后對(duì)方向進(jìn)行平均；再對(duì)不同觀測半徑r的空間自相關(guān)系數(shù)擬合，從而得到頻散曲線。

F—K法有多種可操作的實(shí)施方案，現(xiàn)以一種相似性譜方法為例進(jìn)行說明。該方法用窄帶濾波器（中心頻率異同）提取各頻率成分，對(duì)功率譜進(jìn)行計(jì)算，得出各頻率對(duì)應(yīng)的相速度Vr，從而繪制出相速度頻散曲線。

經(jīng)過相關(guān)實(shí)踐證明，SPAC法對(duì)被動(dòng)源面波選擇的臺(tái)陣具有更好的適應(yīng)性，其得到的頻散曲線頻帶范圍更寬，且與理論頻散曲線的一致性更好。FK法僅在接收點(diǎn)較多時(shí)，得到的頻散曲線才能更接近于理論頻散曲線，否則，F(xiàn)K法得到的頻散曲線不準(zhǔn)確。

3 應(yīng)用實(shí)例

步鳳鎮(zhèn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目位于鹽城市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)東南部，項(xiàng)目建設(shè)工作重點(diǎn)圍繞新建機(jī)耕橋、新建灌溉站、新建渡槽等3種主要建筑物進(jìn)行。場地地層主要為砂質(zhì)粉土、雜填土、粉砂、素填土、粉質(zhì)粘土等。建筑場地類別的劃分對(duì)于場地的動(dòng)峰值加速度和地震的影響特征周期的確定有重要作用，準(zhǔn)確的劃分場地類別對(duì)于工程勘察具有重要意義。使用美國Geometrics公司的ATOM被動(dòng)源無線系統(tǒng)進(jìn)行被動(dòng)源面波勘探，利用頻散曲線反演得出的剪切波速對(duì)場地類別進(jìn)行劃分。

3.1 野外工作方法

1）根據(jù)場地條件，本次物探的布設(shè)方法為11道2Hz低頻檢波器直線型臺(tái)陣。單點(diǎn)測試時(shí)間不小于20分鐘。

2）野外工作之前對(duì)被動(dòng)源采集系統(tǒng)進(jìn)行一致性檢測。一致性檢測結(jié)果如圖3所示，各檢波器一致性非常好。

圖3 一致性測試結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用空間自相關(guān)法（SPAC）對(duì)被動(dòng)源面波勘探數(shù)據(jù)提取頻散曲線，對(duì)頻散曲線反演，得到剪切波地層結(jié)構(gòu)。

本次探測所提取頻散曲線的頻帶范圍為4—20Hz，使用最小二乘法對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演，MZ5、JZ10、LZ2探測點(diǎn)頻散曲線反演成果見圖4—6。根據(jù)頻散曲線進(jìn)行速度層分層，將其作為反演程序的初值輸入，經(jīng)過反演建立測試點(diǎn)地層剪切波速度分層參數(shù)。圖中散點(diǎn)為實(shí)測頻散曲線，折線為反演得到的一維剪切波速度模型，曲線為反演所得一維剪切波速度模型對(duì)應(yīng)的頻散曲線。實(shí)測頻散曲線與反演所得模型對(duì)應(yīng)的頻散曲線擬合情況良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，反演所得速度模型可靠。

圖4 MZ5點(diǎn)頻散曲線反演成果圖

依據(jù)頻散曲線反演的各土層的剪切波速，根據(jù)如下公式，可計(jì)算得到場地等效剪切波速：

式中：vse為土層的等效剪切波速（m/s）；d0為計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；di計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；vsi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；n為計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

圖6 LZ2點(diǎn)頻散曲線反演成果圖

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版），建筑場地類別的劃分是依據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度綜合劃分的，共劃分為四個(gè)大類，其中Ⅰ類分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個(gè)亞類，如下表1所示。

表1 各類建筑場地覆蓋層厚度（m）

場地各個(gè)巖土層剪切波速測試結(jié)果見表2，表中各層波速值較為接近，結(jié)合本工區(qū)的工程地質(zhì)資料和規(guī)范進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，成果可靠。

表2 場地各巖土層剪切波波速值測試結(jié)果（m/s）

3個(gè)測試點(diǎn)等效剪切波速及場地類別劃分成果見表3。測試點(diǎn)處20米深度范圍內(nèi)等效剪切波速度在167—173m/s，根據(jù)場區(qū)內(nèi)的地質(zhì)鉆孔，場地覆蓋層厚度大于50m，場地類別判定為Ⅲ類。

表3 剪切波測試成果表

4 結(jié)論

本次工作成功利用被動(dòng)源面波法反演了場地20.0m深度范圍內(nèi)巖土層的剪切波速，并有效進(jìn)行了場地等效剪切波速計(jì)算和場地類別劃分。

針對(duì)MZ5、JZ10、LZ2三個(gè)鉆孔測試點(diǎn)的被動(dòng)源面波法反演結(jié)果，不同鉆孔同一地層的剪切波波速值相差不大（見表2），反演結(jié)果與地質(zhì)地層情況吻合較好。計(jì)算出的等效剪切波速結(jié)合鉆孔資料、相關(guān)規(guī)范對(duì)場地類別進(jìn)行判定，成果可靠度高。

被動(dòng)源面波法在場地類別劃分中的成功應(yīng)用，在沒有地質(zhì)鉆孔的場地或者鉆孔塌孔無法進(jìn)行孔內(nèi)測試的情況下，可有效的測試場地剪切波速。經(jīng)地質(zhì)鉆孔對(duì)比結(jié)果表明，被動(dòng)源面波法在場地類別判定中具有良好的適用性?！?/p>