被动源面波法在高标准农田场地类别划分中的应用

曹 旭

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 研究背景

在水利水电、新能源工程建设的过程中，建筑场地类别的划分是工程勘察必不可少的任务。根据当下执行的《建筑抗震设计规范》-GB50011-2010（2016年版）的相关规定：建筑场地的类别划分，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准。土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度的确定，均以实测的剪切波速为前提。

目前，传统的剪切波测试方法主要为孔内测试方法：采用钻孔三分量的检波器，锤击震源法获取了各深度处的剪切波速值[1]。但在实际工作的过程中，局部钻孔容易出现垮孔、塌孔等现象，使孔内剪切波测试无法有效进行。另外，在表层为砂卵砾石层等地质地层时，为了防止钻孔垮塌，钻孔钻进过程中需要将钢套管下到该层位以下。此时孔内剪切波测试时需要将PVC管放入钻孔后，再将钢套管拔出，并用细砂将PVC管和孔壁之间的间隙填充密实，方可进行孔内剪切波测试。但在实际操作过程中，PVC管与孔壁直接的间隙填充很难做到完全密实，这也对剪切波测试结果产生较大的影响。

被动源面波法为地面剪切波测试方法[2]，与传统的孔内剪切波测试方法相比，其具有不需地质钻孔、不需要震源、工作效率高、仪器设备轻便、外业工作简单等优点。特别适用于无地质钻孔、钻孔成本大或钻孔易垮孔等剪切波速测试工作。

被动源面波勘探的研究工作源头可以追溯到Aki在20世纪50年代奠定的基础，该方法的发展经历了漫长的岁月[3]，他提出了用利用局部微震产生的背景噪声来研究地下结构的设想[4]；1965年，Capon提出了一种被动源的方法，成功对核实验场位置进行了定位[5]。在20世纪的80—90年代，王振东和冉伟彦把被动源面波方法第一次引入国内[6]。1992年，北京地质勘察院进行了一次目的层深达数千米的被动源面波试验，这是第一次大深度试验成功，所推断的目标体位置与地质钻孔成果吻合较好[7]。近些年以来，国内被动源面波勘察也逐渐得到广泛的推广[8]。2007年,被动源面波法第一次应用于煤矿开采区。近十年来，被动源面波勘探受到了广泛的关注，在工程勘察、无损检测、工程场地评价等领域取得了成功的应用[9-10]。

本文将被动源面波法应用到高标准农田场地类别划分中，用频散曲线反演出场地横波速度，计算场地的等效剪切波速，从而准确判定场地类别。

2 被动源面波法原理

被动源面波勘探法，即微动探测方法（The Microtremor Survey Method，简称MSM），是一种物探方法。它是以平稳随机过程理论为依据，从被动源面波信号提取瑞雷波的频散曲线，反演频散曲线，获取台阵中心点下方的地层横波速度信息[11]。

2.1 工作方法

被动源面波勘探的台阵布设主要有三角型台阵、圆型台阵、L型台阵和直线型台阵等。台阵的布设示意图如图1所示。

图1 被动源勘探主要的台阵方法

为进行二维探测，被动源面波测点需要沿测线剖面方式布设。这种方式的野外观测系统如图2所示，在完成第一点O1的单点微动观测（观测系统同图5a）后，把观测点平移到O2上进行第二点观测，依此类推。

图2 微动观测系统示意图

图5 JZ10点频散曲线反演成果图

2.2 频散分析

从微动探测数据中提取频散曲线是微动勘探尤为重要的环节。目前，从微动面波法勘探数据中提取频散曲线主要有两个方面的方法：一是基于空间相关分析的SPAC法，二是基于二维波场变换的FK法[12]。

空间自相关法（SPAC法）提取频散曲线的步骤是：首先将采集的数据集划分成若干个数据段，去掉信噪比很低的数据段，用窄带滤波方法对数据段进行处理，提取需要的频率成分；再分别计算不同频率中心点与不同圆周上各点之间的空间自相关系数，然后对方向进行平均；再对不同观测半径r的空间自相关系数拟合，从而得到频散曲线。

F—K法有多种可操作的实施方案，现以一种相似性谱方法为例进行说明。该方法用窄带滤波器（中心频率异同）提取各频率成分，对功率谱进行计算，得出各频率对应的相速度Vr，从而绘制出相速度频散曲线。

经过相关实践证明，SPAC法对被动源面波选择的台阵具有更好的适应性，其得到的频散曲线频带范围更宽，且与理论频散曲线的一致性更好。FK法仅在接收点较多时，得到的频散曲线才能更接近于理论频散曲线，否则，FK法得到的频散曲线不准确。

3 应用实例

步凤镇高标准农田建设项目位于盐城市经济开发区东南部，项目建设工作重点围绕新建机耕桥、新建灌溉站、新建渡槽等3种主要建筑物进行。场地地层主要为砂质粉土、杂填土、粉砂、素填土、粉质粘土等。建筑场地类别的划分对于场地的动峰值加速度和地震的影响特征周期的确定有重要作用，准确的划分场地类别对于工程勘察具有重要意义。使用美国Geometrics公司的ATOM被动源无线系统进行被动源面波勘探，利用频散曲线反演得出的剪切波速对场地类别进行划分。

3.1 野外工作方法

1）根据场地条件，本次物探的布设方法为11道2Hz低频检波器直线型台阵。单点测试时间不小于20分钟。

2）野外工作之前对被动源采集系统进行一致性检测。一致性检测结果如图3所示，各检波器一致性非常好。

图3 一致性测试结果

3.2 数据分析

采用空间自相关法（SPAC）对被动源面波勘探数据提取频散曲线，对频散曲线反演，得到剪切波地层结构。

本次探测所提取频散曲线的频带范围为4—20Hz，使用最小二乘法对频散曲线进行反演，MZ5、JZ10、LZ2探测点频散曲线反演成果见图4—6。根据频散曲线进行速度层分层，将其作为反演程序的初值输入，经过反演建立测试点地层剪切波速度分层参数。图中散点为实测频散曲线，折线为反演得到的一维剪切波速度模型，曲线为反演所得一维剪切波速度模型对应的频散曲线。实测频散曲线与反演所得模型对应的频散曲线拟合情况良好，数据质量较高，反演所得速度模型可靠。

图4 MZ5点频散曲线反演成果图

依据频散曲线反演的各土层的剪切波速，根据如下公式，可计算得到场地等效剪切波速：

式中：vse为土层的等效剪切波速（m/s）；d0为计算深度（m），取覆盖层厚度和20m二者的较小值；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；di计算深度范围内第i土层的厚度（m）；vsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；n为计算深度范围内土层的分层数。

图6 LZ2点频散曲线反演成果图

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版），建筑场地类别的划分是依据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度综合划分的，共划分为四个大类，其中Ⅰ类分为Ⅰ0、Ⅰ1两个亚类，如下表1所示。

表1 各类建筑场地覆盖层厚度（m）

场地各个岩土层剪切波速测试结果见表2，表中各层波速值较为接近，结合本工区的工程地质资料和规范进行分析，数据质量高，成果可靠。

表2 场地各岩土层剪切波波速值测试结果（m/s）

3个测试点等效剪切波速及场地类别划分成果见表3。测试点处20米深度范围内等效剪切波速度在167—173m/s，根据场区内的地质钻孔，场地覆盖层厚度大于50m，场地类别判定为Ⅲ类。

表3 剪切波测试成果表

4 结论

本次工作成功利用被动源面波法反演了场地20.0m深度范围内岩土层的剪切波速，并有效进行了场地等效剪切波速计算和场地类别划分。

针对MZ5、JZ10、LZ2三个钻孔测试点的被动源面波法反演结果，不同钻孔同一地层的剪切波波速值相差不大（见表2），反演结果与地质地层情况吻合较好。计算出的等效剪切波速结合钻孔资料、相关规范对场地类别进行判定，成果可靠度高。

被动源面波法在场地类别划分中的成功应用，在没有地质钻孔的场地或者钻孔塌孔无法进行孔内测试的情况下，可有效的测试场地剪切波速。经地质钻孔对比结果表明，被动源面波法在场地类别判定中具有良好的适用性。□