微動勘測技術在土木工程領域的應用分析

孟愛青

(太原理工大學，山西太原　030024)

微動勘測技術在土木工程領域的應用分析

孟愛青

(太原理工大學，山西太原030024)

摘要:介紹了微動勘探技術的形成和發(fā)展歷程，根據(jù)微動勘探的原理，從陳列設計與觀測、F—K法、自相關法等方面，闡述了微動勘測技術在土木工程中的應用，指出微動勘探方法具有勘測精度高、所需設備簡單、造價低等優(yōu)點。

關鍵詞:微動勘探技術，土木工程，觀測點，地震儀

近年來，城市建設的進程日益加快，通常需要結合地表地下結構數(shù)據(jù)，比如大型建筑場所在勘探地質過程中需要了解土層構成，需要勘探場地上有沒有軟土層;在城市活動斷層分析過程中，需要對斷層斷點處的地理方位進行識別等，要完成這些任務往往要在場地擺置非常多的鉆井，同時抽取巖芯進行研究;而鉆孔存在著資金成本高、時間長等弊端。而微動勘探方法就非常好地解決了這些問題，微動勘探方法利用提取所測場的土層變化曲線，通過這些曲線反演來計算出土層速度和土層結構。因為該方法主要是通過地下橫波速度構成來分析場地構成的，所以在測試場地中有低速土層等，在識別這些土層的詳細方位時非常精確。

1　微動勘探技術的形成和發(fā)展

在土木工程領域，因為利用P—S波來測井這種方式存在著成本高、周期長等缺點，除此之外，利用反射法勘查地質構成這一方法還存在著其技術要求比較嚴格，對環(huán)境破壞性大等問題。在這種形勢下，一種新型的勘探方式出現(xiàn)了——微動勘探技術，該方法通過指定的檢波器，指定的觀測臺陣獲得這種來自地球的微動信號，接下來通過數(shù)據(jù)提取來分析面波信號，然后利用反演獲得地下橫波組織結構。

2　微動勘探原理

2.1微動勘探原理

地球表面每時每刻都存在著人類不易覺察的震動，我們稱之為微動。微動信號并非人為，其源自于大自然和人類活動，比如天氣變化或者潮漲潮汐等。而人類活動主要包括機車、生產活動等，其頻率往往超出了1 Hz。微動并沒有既定的震源，震動波主要是取決于測試點的周圍，從而勘探出跟地球相關的有用資訊。

微動勘探方法通過指定的儀器，指定的觀測臺陣來獲取來自地球的微動波，接下來通過計算方法來得出面波信號，利用反演方式得出橫波速度，從而實現(xiàn)對地質構成的勘探。

2.2微動勘探技術方法

微動是通過體波( P波與S波)與面波(瑞利波與拉夫波)構成的復雜震動，同時面波的能量占整個信號能量的60%以上。即使微動信號的震動幅度和震動頻率并不遵循一定的規(guī)律，可是通過指定的地理范圍能計算出其平穩(wěn)特征，利用時間與地理上的平穩(wěn)隨機環(huán)節(jié)來證明。微動勘探方法利用平穩(wěn)隨機環(huán)節(jié)作為數(shù)據(jù)參考，通過微動信號來提取頻散曲線，然后利用頻散曲線的反演方式，來計算出地下成分的橫波速度，從而達到勘察目的。

3　微動勘探技術在土木工程領域的使用詳情

3.1陣列設計與觀測

微動勘探是基于陣列設計和陣列形狀的。目前，地質結構信息比較豐富，在一定程度上可以事先估算出地下結構，按照感度分析法完成定量策劃。假如地質信息不足，不能事先估算出地質構成，可以通過跟勘探長短相同的陣列長度。在通常情況下會通過二重正三角形，即同一個圓心位置放置地震儀，同時在兩個同心圓里面分別擺放三個地震儀。

微動勘探利用地震儀的寬頻帶特點，因此需要地震儀有著非常高的統(tǒng)一性，一般情況下，地震儀的統(tǒng)一性需要高出0.9。微動勘探過程中每個機器都是獨自運行的。為了使每個觀測點同步進行，日本國家普遍會通過衛(wèi)星標準信號來對儀器的精確度進行驗證和調校。

3.2 F—K法

現(xiàn)如今，F(xiàn)—K法與相關法在微動勘探技術中比較常用。

F—K法在20世紀60年代的時候形成。在20世紀60年代，美國為了實現(xiàn)對其他國家核武器的監(jiān)督和控制，其地震觀測網的直徑超出了400 km。為了獲得核武器基地所發(fā)出的信號，美國研發(fā)了F—K，從此該方法就形成了，并且在土木工程領域得到了廣泛的應用。

體波和面波等各種信號構成了微動的主要成分。比較突出的一種信號會跟信號圖中的最高值相對照。如果用f0代表該信號，那么信號圖中的波數(shù)就可以用k0= ( kx0，ky0)來表示，因此這個波的傳播速度就可以計算出來，其表達式為:

波的傳遞方向為:

在F—K法中，其法譜表達式為:

其中，點( xi，xj)為觀測點的位置;φij( f)為信號點矩陣中的逆陣元素。

3.3自相關法

自相關法利用定義而得出。假如在空間領域微動信號符合隨機過程，除此之外微動中所有占優(yōu)波形成一個面波震動。假如滿足以上條件，那么圓形觀測矩陣中的全部點和與中心點信號相關的函數(shù)平均值就可以計算出來。

不論在上述哪種方法中，務必得出任意兩點所觀測到的定義交叉譜與功率譜。采取的測試辦法不同，利用頻散曲線得出的結果值也會存在一定差距，可是總體上跟最終測試結果出入不大。

3.4基于反演方式得出的地下橫波速度

由于地質結構較為復雜，一般情況下會通過地下模型來分析和研究地下構成，利用該模型可以算出頻散曲線值，然后通過反演方法計算出地下橫波速度。不論工程大小，其頻散曲線反演方法是一樣的，往往利用最小二乘法?？墒沁@種方式是依托初始模型才能得出穩(wěn)定實用的解，這在土木工程中完成地下構成的勘測并不容易。目前，相關領域的專家和學者基于遺傳算法發(fā)明了一種新的計算方法，這種方法對最初模型的精確度要求并不高，推演環(huán)節(jié)也比較可靠，作為目前計算地下橫波速度值的主要方法。

4　微動勘探方法在土木工程領域中的特征

1)土木工程領域中，所需要的勘探設備比較簡單，往往需要勘探儀器實用性強。微動勘探方法往往需要超出3個以上的地震儀器就可以進行現(xiàn)場勘測。假如利用7個地震儀器，可以擺放成同心正三角形，那么僅僅需要3 d左右的時間就可以實現(xiàn)對地下橫波速度的測試。

2)對周圍施工環(huán)境沒有任何要求，特別是車流量比較大的繁華街區(qū)，微動勘探技術跟之前的反射法有著本質的區(qū)分。微動勘探法利用信號源就可以實現(xiàn)勘測。如果在繁華的市中心進行勘測，不會影響勘測結果，而且來自機動車輛的噪聲還為勘測提供了大量的勘測信號。

3)微動勘測方法并不是主動勘測，因此對四周的生態(tài)環(huán)境不會造成任何破壞作用，特別是對國家生態(tài)保護區(qū)進行勘探，該方法非常適用。

4)微動勘探方法得出的勘測結果準確性和分辨率都比較高，基于微動勘探方法和鉆孔方法，可以制作出地下二維和三維組織模型。

5)基于微動勘探方法得出的地下結構和P—S方法所獲得值非常接近，因此該方法的精確度非常高。

5　結語

微動勘探方法在土木工程領域中，所需要的測量設施并不復雜，而且資金成本也不高，有著測試周期短，對施工環(huán)境沒有任何要求，對生態(tài)環(huán)境不會造成破壞等特征。因此微動勘探技術在土木工程領域憑借著其他技術無法媲美的特性，必將在土木工程領域成為主流勘探方法。

參考文獻:

［1］王磊.建筑工程的發(fā)展趨勢分析［J］.江西建材，2015( 2) : 111-112.

Application analysis of micro-tremor technology in civil engineering field

Meng Aiqing
( Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:The thesis introduces the forming and development history of micro-tremor technology.According to micro-tremor survey principle，starting from aspects of display design and observation，F(xiàn)-K method and auto-correlation method，it describes the application of micro-tremor survey technology in civil engineering，and points out its advantages，such as high survey accuracy，simple equipment and low cost and so on.

Key words:micro-tremor survey technology，civil engineering，observation point，seismograph

作者簡介:孟愛青(1958-)，女，高級工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0048-02

中圖分類號:P631

文獻標識碼:A