地球物理勘查方法在四川某礦區(qū)地面液化評估中的應(yīng)用

張 旭，譚維佳

(1.中建材西南勘測設(shè)計有限公司，四川 成都 610052；2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

在地震中，由于地面液化造成的獨立房屋的沉降和傾斜等損害屢見不鮮。地面測量是預(yù)測地面液化破壞的重要手段[1]。鉆探測量或重量測深測試已被廣泛用于捕捉地面狀況，雖然這些測量技術(shù)可以直接測量地面情況且獲得的信息準(zhǔn)確性高，但開展這些調(diào)查工作周期長，人力消耗大[2-4]。因此，相關(guān)測量技術(shù)亟待完善與提高。

張廣成[5]從面波成像的基本原理出發(fā)，總結(jié)了天然源面波的在深部結(jié)構(gòu)探測以及工程勘查中的應(yīng)用，并指出其在地質(zhì)勘測中的應(yīng)用以及針對發(fā)展前景進(jìn)行分析。蔡曉光[6]對幾種常用的探測方法進(jìn)行評述，得出液化土層側(cè)向大變形的研究是多方面的，問題還需深入研究。王瑞[7]建立了地面微傾斜液化地基中土體-地下結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型，分析了地基液化的分布特征，但數(shù)值模擬方法往往針對震后的破壞進(jìn)行分析，并不具備一定的預(yù)測功能。王先龍[8]通過面波探測法和鉆孔探測兩種方法的對比試驗，得出面波探測結(jié)果與鉆探結(jié)果相一致，面波探測可以被廣泛應(yīng)用。石科[9]敘述了用微動勘探進(jìn)行地下空間探測的勘探效果及其優(yōu)缺點，為今后進(jìn)行城市地下空間探測、開展地質(zhì)調(diào)查工作提供了參考。而綜合各類研究發(fā)現(xiàn)，物理探測調(diào)查具有良好的預(yù)見性，且準(zhǔn)確性高，可有效降低事故發(fā)生的風(fēng)險，因此當(dāng)前不斷得到推廣。

在針對液化的評價分析與前期的研究中，李程程[10]利用獲取的空間參數(shù)給出區(qū)域土壤液化的評估方法，可預(yù)估震前各地區(qū)土壤液化可能性；周新權(quán)[11]通過對大連海底隧道的研究分析，確定了各因素的風(fēng)險等級，并提出相應(yīng)的風(fēng)險控制措施；吳凡[12]對美國地震風(fēng)險災(zāi)害模型進(jìn)行了綜合研究，可以通過數(shù)據(jù)庫對風(fēng)險進(jìn)行量化分析。而當(dāng)前的研究中，針對砂土液化風(fēng)險評估中最常見的便是利用液化安全系數(shù)系數(shù)FL及液化風(fēng)險值PL進(jìn)行評估[13]。

本研究重點介紹了常規(guī)地球物理測量方法中的面波測量和微震陣列測量。面波測量可以在很大范圍內(nèi)提供剪切波速(地面剛度)，微震陣列測量可以提供從地面到相當(dāng)深度處波在陣列中的傳播速度。這些測量技術(shù)可以比傳統(tǒng)的測量技術(shù)更廣泛、更快速地為液化風(fēng)險評估提供重要信息。根據(jù)獲得的地面信息，地面液化的風(fēng)險可以很容易地進(jìn)行量化分析。本次選擇某露天礦山+155 m開采平臺邊坡為研究對象，當(dāng)?shù)V山邊坡地基土發(fā)生地震液化，地基土層抗剪強度急劇喪失，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

1 研究方法與目標(biāo)區(qū)域

1.1 面波CMP和被動線陣探測CMP-SPAC

主動面波以木錘為震源進(jìn)行探測，被動線陣以微震和車輛振動為震源進(jìn)行探測。在本次主動面波測量研究中，開發(fā)了一種能在數(shù)據(jù)采集后立即計算出橫波速度分布的新系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。在微震陣列測量中，地震儀一般成圓形、等邊三角形或“L”形布置。研究中，采用了Kita等[12]最近提出的地震儀直線排列方法。由于震后該測量點周邊屬于正常區(qū)域，周圍地區(qū)一般沒有振動。因此，通過駕駛測量車隨著測量線的布置一直進(jìn)行快速來回移動。主動面波采用固定頻率為4.5 Hz的速度地震儀進(jìn)行測量。在3個調(diào)查區(qū)，速度地震儀間隔2 m安裝一個，測量面波。被動線陣采用速度型地震檢波器進(jìn)行勘探，每隔5 m安裝一個，頻率為2 Hz。

1.2 研究目標(biāo)區(qū)域

調(diào)查區(qū)域見圖1，為玻璃用石英巖礦。采掘面積為15.6萬m2，開采臺階有6個，最大開采邊坡高度154.4 m，臺階坡面角65°～80°。本次選擇+155 m開采平臺邊坡為研究對象，邊坡高度125 m，邊坡角65°。本研究對其進(jìn)行了主動面波和被動線陣探測。在這些區(qū)域里，可以觀察到很多房屋在地面液化的情況下受損，發(fā)生傾斜和沉降現(xiàn)象，因此，這些區(qū)域標(biāo)記為紅色區(qū)，不讓人居住。

主動面波探測得到二維橫波速度結(jié)構(gòu)，3 h內(nèi)總延伸約400 m。同時，被動陣列測量在3 h內(nèi)給出了總深度為350 m的橫波速度分布。

2 物理勘查結(jié)果

通過地球物理勘探技術(shù)表明，利用二維面波探測可以了解大面積區(qū)域的橫波速度的二維分布。并且，被動線陣探測地表至30 m深度的橫波波速分布。

圖2為測區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ面波測量的結(jié)果，CMP為面波。由圖2可知，在3個測區(qū)內(nèi)面波均隨深度的增加而不斷增大；尤其在測區(qū)Ⅲ內(nèi)當(dāng)深度大于15 m，距離在10～70 m之間時面波出現(xiàn)最大值。測區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ被動線陣探測結(jié)果見圖3，CMP-SPAC 為被動線性陣列。從調(diào)查結(jié)果來看，可以發(fā)現(xiàn)在距離地表2～4 m范圍內(nèi)存在一個略低于上、下兩層的地面橫波波速，且速度隨深度的增加而增大。根據(jù)橫波速度分布，地層也有輕微的傾斜。

3 液化風(fēng)險評估

3.1 液化安全系數(shù)系數(shù)FL及液化風(fēng)險值PL計算

砂土液化是指飽和砂土在振動作用下表現(xiàn)出液體性質(zhì)的一種現(xiàn)象，能夠?qū)е陆ㄖ锏幕A(chǔ)失穩(wěn)，從而造成工程失事。在實際工程中，針對涉及砂土液化的判別問題，通過分析大量的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)及液化資料基礎(chǔ)上總結(jié)得出利用液化安全系數(shù)系數(shù)FL及液化風(fēng)險值PL值進(jìn)行評估的方法。液化安全系數(shù)系數(shù)及液化風(fēng)險值越小，液化風(fēng)險值越低。

評估方程見式(1)和(2)：

(1)

(2)

其中，R為液化強度比，L為循環(huán)抗剪強度比，Z為離地表深度，ΔZ為土層厚度。如果FL≥1.0，則無液化風(fēng)險；如果FL<1.0，則發(fā)生液化。式(1)中R的計算公式見式(3)和(4)：

R=CwRL

(3)

(4)

式中，Cw是根據(jù)地震運動特征計算的修正系數(shù)，由公式計算(5)和(6)。RL為反復(fù)三軸強度比，Na為考慮晶粒尺寸影響的N值。如果是俯沖帶地震，則考慮：

Cw=1.0

(5)

而如果發(fā)生內(nèi)陸地震，

(6)

然后，Na的計算公式見式(7)、(8)、(9)、(10)：

Na=C1N1+C2

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，C1、C2為基于細(xì)顆粒含量的校正系數(shù)，N為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗得到的沖擊量，N1為N值轉(zhuǎn)換為98 kPa的有效應(yīng)力，σ'v為有效應(yīng)力，F(xiàn)C為粒徑在75 μm以下的細(xì)粒含量比。L的計算公式(11)：

(11)

其中，a為最大地面加速度(gal)，g是重力加速度(gal)，σv為總應(yīng)力，γd為式(12)計算的折減系數(shù)。

γd=1.0-0.015ΔZ

(12)

在這項研究中，沒有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)穿透測試，因此，N的值應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗公式(13)計算：

Vs=80N1/3

(13)

3.2 液化安全系數(shù)系數(shù)FL及液化風(fēng)險值PL計算結(jié)果分析

為了研究地震烈度的影響，預(yù)設(shè)式(11)所示的液化強度比的最大加速度分別為220 gal和350 gal。圖4a顯示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測區(qū)在加速度為220 gal時的液化安全系數(shù)FL值。由圖4a可知，F(xiàn)L值是呈現(xiàn)隨深度的增加而不斷減小的趨勢，測區(qū)Ⅲ內(nèi)的FL值與測區(qū)Ⅰ、Ⅱ相比，在同一深度或者同一距離下都整體偏高，液化的風(fēng)險越低。

圖4b顯示了在加速度為350 gal時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測區(qū)的FL值結(jié)果。從基于FL值的評價結(jié)果來看，不考慮預(yù)設(shè)的加速度大小，測試時當(dāng)橫波速度越低，液化安全系數(shù)系數(shù)越小，液化風(fēng)險越高。

PL值也根據(jù)式(2)計算得出，該值的計算依據(jù)文獻(xiàn)[14]，其表示液化破壞程度。當(dāng)PL值>15時，液化損傷程度較高。另一方面，當(dāng)PL值<5時，則表明其受液化損傷較低。圖5a顯示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測區(qū)以220 gal加速時PL值的結(jié)果。圖5中的紅線表示PL值=15，綠線表示PL值=5，黑線表示每個區(qū)域的PL值。由圖5a可知，當(dāng)加速度為220 gal時，測區(qū)Ⅱ的PL值相比其余兩個測區(qū)都偏大，PL值均≥15，液化損傷程度較高，且PL值的變化呈現(xiàn)隨距離的增加而先減小后增大的趨勢。測區(qū)Ⅰ的PL值在0～10 m距離內(nèi)會大于15，在10～170 m距離之間時，整體在5～15之間波動。測區(qū)Ⅲ的PL值隨距離的增加而不斷減小，在距離大于15 m以后，PL值均小于5；在距離超過70 m后，達(dá)到最小值0，其受液化損傷較低。

圖5b則顯示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測區(qū)在加速度為350 gal時的PL值的結(jié)果。測區(qū)Ⅲ在加速度為350 gal時，PL值變化的幅值最大，PL值隨距離的增大而不斷減小，在距離大于70 m后，PL值<5，其受液化損傷較低。測區(qū)Ⅱ的PL值相比其他兩個測區(qū)整體偏大，處于30～45之間，液化損傷程度較高。測區(qū)Ⅰ的PL值處于測區(qū)Ⅰ、Ⅲ之間，隨距離的增大變化趨勢較為平緩，且PL值>15，液化損傷程度較高。PL值的結(jié)果表明，隨著橫波波速的降低，液化風(fēng)險值PL偏大，液化的危險程度逐漸增大。

根據(jù)各調(diào)查區(qū)域結(jié)果的對比，圖4所示的區(qū)域Ⅲ普遍存在液化程度較低的危險區(qū)。近地表橫波速度對液化風(fēng)險有很大影響。為了以更高的精度評估液化風(fēng)險，必須在接近地面的地方進(jìn)行詳細(xì)的測量。例如，結(jié)合瑞典重量測聲等簡單測量技術(shù)進(jìn)行面波測量，小型動力錐探測試[15]或螺絲刀測聲[16]能更準(zhǔn)確地判斷液化風(fēng)險。

4 結(jié)論

提出了一種快速準(zhǔn)確的測量技術(shù)方法，并開發(fā)了一種能在數(shù)據(jù)采集后立即計算出橫波速度分布的新系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。隨后， 對四川省汶川(地震)龍門山前某礦山邊坡進(jìn)行了地球物理勘探，提出了液化風(fēng)險值的評估與計算方法，并對液化區(qū)域進(jìn)行了風(fēng)險評估。詳細(xì)結(jié)果如下：

1)通過面波CMP和被動線陣探測 CMP-SPAC 兩種地球物理方法，進(jìn)行液化安全系數(shù)系數(shù)FL及液化風(fēng)險值PL計算分析，可對液化風(fēng)險進(jìn)行量化分析。

2)液化安全系數(shù)系數(shù)FL的數(shù)值越大，液化風(fēng)險值PL值越小，液化的風(fēng)險越低。

3)調(diào)查結(jié)果顯示，距地表2～4 m范圍內(nèi)存在一個略低于上、下兩層的地面橫波波速，且速度隨深度的增加而增大，根據(jù)橫波速度分布，地層也有輕微的傾斜。

4)基于FL值的評價結(jié)果來看，不管預(yù)設(shè)的加速度大小，測試時當(dāng)橫波速度越低，液化風(fēng)險越高；根據(jù)PL值的結(jié)果表明，隨著橫波波速的降低，液化的危險程度逐漸增大。

此外，通過各調(diào)查區(qū)域結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)近地表橫波速度對液化風(fēng)險的影響較大。因此，將瑞典重量測深、小型動錐探深、螺絲刀測深等簡單測量技術(shù)與所提出的地球物理測量方法相結(jié)合，可得出更加準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。