土木工程微動(dòng)勘測(cè)技術(shù)的運(yùn)用

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摘要:介紹了微動(dòng)勘探技術(shù)的形成和發(fā)展歷程，根據(jù)微動(dòng)勘探的原理，從陳列設(shè)計(jì)與觀測(cè)、F—K法、自相關(guān)法等方面，闡述了微動(dòng)勘測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，指出微動(dòng)勘探方法具有勘測(cè)精度高、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:微動(dòng)勘探技術(shù)，土木工程，觀測(cè)點(diǎn)，地震儀

近年來，城市建設(shè)的進(jìn)程日益加快，通常需要結(jié)合地表地下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，比如大型建筑場(chǎng)所在勘探地質(zhì)過程中需要了解土層構(gòu)成，需要勘探場(chǎng)地上有沒有軟土層;在城市活動(dòng)斷層分析過程中，需要對(duì)斷層斷點(diǎn)處的地理方位進(jìn)行識(shí)別等，要完成這些任務(wù)往往要在場(chǎng)地?cái)[置非常多的鉆井，同時(shí)抽取巖芯進(jìn)行研究;而鉆孔存在著資金成本高、時(shí)間長(zhǎng)等弊端。而微動(dòng)勘探方法就非常好地解決了這些問題，微動(dòng)勘探方法利用提取所測(cè)場(chǎng)的土層變化曲線，通過這些曲線反演來計(jì)算出土層速度和土層結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵摲椒ㄖ饕峭ㄟ^地下橫波速度構(gòu)成來分析場(chǎng)地構(gòu)成的，所以在測(cè)試場(chǎng)地中有低速土層等，在識(shí)別這些土層的詳細(xì)方位時(shí)非常精確。

1微動(dòng)勘探技術(shù)的形成和發(fā)展

在土木工程領(lǐng)域，因?yàn)槔肞—S波來測(cè)井這種方式存在著成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，除此之外，利用反射法勘查地質(zhì)構(gòu)成這一方法還存在著其技術(shù)要求比較嚴(yán)格，對(duì)環(huán)境破壞性大等問題。在這種形勢(shì)下，一種新型的勘探方式出現(xiàn)了———微動(dòng)勘探技術(shù)，該方法通過指定的檢波器，指定的觀測(cè)臺(tái)陣獲得這種來自地球的微動(dòng)信號(hào)，接下來通過數(shù)據(jù)提取來分析面波信號(hào)，然后利用反演獲得地下橫波組織結(jié)構(gòu)。

2微動(dòng)勘探原理

2．1微動(dòng)勘探原理

地球表面每時(shí)每刻都存在著人類不易覺察的震動(dòng)，我們稱之為微動(dòng)。微動(dòng)信號(hào)并非人為，其源自于大自然和人類活動(dòng)，比如天氣變化或者潮漲潮汐等。而人類活動(dòng)主要包括機(jī)車、生產(chǎn)活動(dòng)等，其頻率往往超出了1Hz。微動(dòng)并沒有既定的震源，震動(dòng)波主要是取決于測(cè)試點(diǎn)的周圍，從而勘探出跟地球相關(guān)的有用資訊。微動(dòng)勘探方法通過指定的儀器，指定的觀測(cè)臺(tái)陣來獲取來自地球的微動(dòng)波，接下來通過計(jì)算方法來得出面波信號(hào)，利用反演方式得出橫波速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)構(gòu)成的勘探。

2．2微動(dòng)勘探技術(shù)方法

微動(dòng)是通過體波(P波與S波)與面波(瑞利波與拉夫波)構(gòu)成的復(fù)雜震動(dòng)，同時(shí)面波的能量占整個(gè)信號(hào)能量的60%以上。即使微動(dòng)信號(hào)的震動(dòng)幅度和震動(dòng)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(jì)算出其平穩(wěn)特征，利用時(shí)間與地理上的平穩(wěn)隨機(jī)環(huán)節(jié)來證明。微動(dòng)勘探方法利用平穩(wěn)隨機(jī)環(huán)節(jié)作為數(shù)據(jù)參考，通過微動(dòng)信號(hào)來提取頻散曲線，然后利用頻散曲線的反演方式，來計(jì)算出地下成分的橫波速度，從而達(dá)到勘察目的。

3微動(dòng)勘探技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的使用詳情

3．1陣列設(shè)計(jì)與觀測(cè)

微動(dòng)勘探是基于陣列設(shè)計(jì)和陣列形狀的。目前，地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息比較豐富，在一定程度上可以事先估算出地下結(jié)構(gòu)，按照感度分析法完成定量策劃。假如地質(zhì)信息不足，不能事先估算出地質(zhì)構(gòu)成，可以通過跟勘探長(zhǎng)短相同的陣列長(zhǎng)度。在通常情況下會(huì)通過二重正三角形，即同一個(gè)圓心位置放置地震儀，同時(shí)在兩個(gè)同心圓里面分別擺放三個(gè)地震儀。微動(dòng)勘探利用地震儀的寬頻帶特點(diǎn)，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(dòng)勘探過程中每個(gè)機(jī)器都是獨(dú)自運(yùn)行的。為了使每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同步進(jìn)行，日本國(guó)家普遍會(huì)通過衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來對(duì)儀器的精確度進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)校。

3．2F—K法

現(xiàn)如今，F(xiàn)—K法與相關(guān)法在微動(dòng)勘探技術(shù)中比較常用。F—K法在20世紀(jì)60年代的時(shí)候形成。在20世紀(jì)60年代，美國(guó)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其他國(guó)家核武器的監(jiān)督和控制，其地震觀測(cè)網(wǎng)的直徑超出了400km。為了獲得核武器基地所發(fā)出的信號(hào)，美國(guó)研發(fā)了F—K，從此該方法就形成了，并且在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3．3自相關(guān)法

自相關(guān)法利用定義而得出。假如在空間領(lǐng)域微動(dòng)信號(hào)符合隨機(jī)過程，除此之外微動(dòng)中所有占優(yōu)波形成一個(gè)面波震動(dòng)。假如滿足以上條件，那么圓形觀測(cè)矩陣中的全部點(diǎn)和與中心點(diǎn)信號(hào)相關(guān)的函數(shù)平均值就可以計(jì)算出來。不論在上述哪種方法中，務(wù)必得出任意兩點(diǎn)所觀測(cè)到的定義交叉譜與功率譜。采取的測(cè)試辦法不同，利用頻散曲線得出的結(jié)果值也會(huì)存在一定差距，可是總體上跟最終測(cè)試結(jié)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(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般情況下會(huì)通過地下模型來分析和研究地下構(gòu)成，利用該模型可以算出頻散曲線值，然后通過反演方法計(jì)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(shí)用的解，這在土木工程中完成地下構(gòu)成的勘測(cè)并不容易。目前，相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者基于遺傳算法發(fā)明了一種新的計(jì)算方法，這種方法對(duì)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(jì)算地下橫波速度值的主要方法。

4微動(dòng)勘探方法在土木工程領(lǐng)域中的特征

1)土木工程領(lǐng)域中，所需要的勘探設(shè)備比較簡(jiǎn)單，往往需要勘探儀器實(shí)用性強(qiáng)。微動(dòng)勘探方法往往需要超出3個(gè)以上的地震儀器就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。假如利用7個(gè)地震儀器，可以擺放成同心正三角形，那么僅僅需要3d左右的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下橫波速度的測(cè)試。2)對(duì)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(dòng)勘探技術(shù)跟之前的反射法有著本質(zhì)的區(qū)分。微動(dòng)勘探法利用信號(hào)源就可以實(shí)現(xiàn)勘測(cè)。如果在繁華的市中心進(jìn)行勘測(cè)，不會(huì)影響勘測(cè)結(jié)果，而且來自機(jī)動(dòng)車輛的噪聲還為勘測(cè)提供了大量的勘測(cè)信號(hào)。3)微動(dòng)勘測(cè)方法并不是主動(dòng)勘測(cè)，因此對(duì)四周的生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成任何破壞作用，特別是對(duì)國(guó)家生態(tài)保護(hù)區(qū)進(jìn)行勘探，該方法非常適用。4)微動(dòng)勘探方法得出的勘測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和分辨率都比較高，基于微動(dòng)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(dòng)勘探方法得出的地下結(jié)構(gòu)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(jié)語(yǔ)

微動(dòng)勘探方法在土木工程領(lǐng)域中，所需要的測(cè)量設(shè)施并不復(fù)雜，而且資金成本也不高，有著測(cè)試周期短，對(duì)施工環(huán)境沒有任何要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成破壞等特征。因此微動(dòng)勘探技術(shù)在土木工程領(lǐng)域憑借著其他技術(shù)無法媲美的特性，必將在土木工程領(lǐng)域成為主流勘探方法。

參考文獻(xiàn):

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

作者：孟愛青 單位：太原理工大學(xué)