机械振动影响下微动勘探技术在黄土填方地基勘察中的应用

丁保艳，张国华，朱鋆川，赵忠忠，何天淼

(甘肃地质灾害防治工程勘查设计院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

随着全国经济的快速发展，西北地区填沟造地工程越来越多[1]。黄土填方地基沉降问题屡见不鲜，如：空军山西某机场高填方差异沉降事故[2]，山西吕梁机场填方沉降变形问题[3]，延安新区高填方地基变形[4]等。

为对黄土填方地基沉降变形进行治理，首先需要进行地基勘察。钻探是目前应用最广，最精准的勘探手段，但是其存在成本高、损坏环境和无钻探地段存在信息盲区的缺点[5]。微动是地球表面时时刻刻存在的天然微弱震动，微动台阵探测技术指通过采集微动数据，进行数据处理提取瑞雷波频散曲线，最后反演获得S波速度结构的浅层地球物理勘探方法[6]。微动探测技术作为地球物理探测的一种，相较钻探具有，简便、快捷、成本低、对周围环境无特殊要求的特点[7]，在一定程度上克服了钻孔探测的缺点。近年来，专家学者对微动探测技术在轨道交通、地质灾害勘察、地热调查、城市地质调查、冻土路基和大坝隐患探测等众多领域的应用进行了大量研究。乔高乾等[8]以广州地铁十号线为例研究了微动剖面探测法在城市轨道交通勘察中的应用及效果；周鑫等[9]采用SPAC法对试验区进行微动探测工作，研究了微动探测技术应用到地质灾害勘察中的可能性；董耀等[7]选择豫北某县城作为实验研究区，结合以往物探、地质成果将微动勘查技术应用到地热勘探中；张若晗等[10]以济南中心城区为例进行了微动H/V谱比法的土石分界面探测研究；金聪等[11]以哈尔滨某高速铁路为例，采用微动探测方法对厚覆盖层及冻土地区进行勘探，结合钻探资料进行了地层分层及地质解译；程建设等[12]以江西九江高泉水库为例，运用微动勘探技术对缺陷进行探测；徐浩等[13]采用微动勘探技术，以合肥市谢岗小学为研究场地，探究微动方法在地面沉降原因 探测方面的适用性和有效性；马国松[14]研究分析了采用微动技术对富水采空区进行勘探的可行性。然而，背景噪声对微动探测存在一定影响[15]，但关于背景噪音影响的研究较少，同时采用微动探测技术对西北黄土填方地基进行勘察的研究也鲜有报道。

因此，本文以西北黄土填方场地上的某金属冶炼厂为例，在厂区机械正常运转产生的背景噪音影响下，使用多次覆盖线性微动台阵剖面法对该黄土填方场地进行了探测，同时在微动台阵剖面探测前及探测后对关键点位进行钻探取样，结合两次钻探岩样对黄土填方地基微动台阵探测结果进行地质解译和推断结果验证。该研究成果可为今后使用微动台阵，在机械振动影响下，进行黄土填方地基勘察提供参考。

1 微动剖面探测法

地球表层时刻存在的微弱振动被称为微动(microtremors)，在天然地震学研究中将其称为背景噪声。这些微弱震动的来源主要有两种：人类活动产生的频率高于1 Hz的震动信号(如交通工具、工厂机器运转等)和自然因素产生的频率低于1 Hz的震动信号(如自然界的风、潮汐及火山活动等)。这些震动波在地层中传播，携带了大量地层信息，使用微动设备采集微动信号，以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取瑞雷波的频散曲线，通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构，达到勘探目的的一种地球物理探测方法[5]。

2 工程实例研究

2.1 工程概况

该金属冶炼厂位于陇西黄土高原的某黄土填方地基上，该场地呈矩形，南北长660 m、东西宽430 m，总占地面积约28.38 hm2，总体地势北高南低，形成四级台地，场地内机械运转产生了大量背景噪音。根据历史资料知：场地于2012年经削山造地平成，在2015年场地主要厂房建造完成，生产设备安装完毕，随后投入使用。在使用过程中场地地面开始出现不均匀沉降或塌陷现象，随之愈演愈烈，沉降最严重区域超过1 m(如图1)。

图1 地面沉降图

2.2 数据采集

为对黄土填方场地进行治理，需首先查明产生沉降的原因，之后根据沉降将原因进行针对性治理。然而，测区范围内厂房、生产设备林立，道路较为狭窄，大型工程机械来往密集。使用传统钻探方法较为困难。

2.2.1 微动探测设备

为不干扰厂区正常生产，并对场地地基进行全面勘探，首次采用抗干扰能力好、场地适应性强的多次覆盖线性微动台阵剖面法对该黄土填方地基进行探测。本次微动探测工作选用深圳面元智能科技有限公司三分量高分辨率智能地震检波器设备(见图2)。

图2 微动探测设备

2.2.2 微动台阵布设

常用微动面波观测台阵有嵌套三角形，十字形、圆形等(如图3(a))；本次勘察根据场地地貌、厂区建筑物分布情况、地基探测精度、深度和范围等要求，采用多次覆盖线性观测台阵进行微动数据采集工作(台阵布置如图3(b))，台阵间距5 m，测量点距20 m；共布置DW2和DW4共2个微动台阵探测剖面，DW2和DW4分别代表厂区二级台地微动剖面和厂区四级台地微动剖面。其中WD2剖面位于厂区二台阶道路旁绿化带内，剖面全长350 m，共布设数据采集点19个；WD4剖面位于厂区四台阶道路旁绿化带内，剖面全长260 m，共布设数据采集点13个；微动台阵剖面具体位置见图4。微动台阵布设流程如下：根据施工现场情况，确认脚本参数并写入采集站，脚本主要参数为采样率、前放增益、滤波方式、低切滤波、每日开关机时间、测试指标阈值等。将写入脚本的采集站进行组装，依照现场布设测点放置采集站进行数据采集。将采集站的底部尾椎插入大地或整体埋置在响应的接收点，保证平、稳、正、直、紧；然后使用磁开关开启采集站；待设备的LED灯状态QC变为绿色，绿灯表示状态正常；记录采集站的排列顺序并将序列号填入野外生产表格中，微动台阵布设及数据采集见图5。

图3 观测台阵示意图

图4 微动台阵剖面位置图

图5 微动台阵布设及数据采集图

2.3 钻孔取样

该试验共进行了两次钻孔取样：在微动台阵探测前，对探测剖面上三个点位进行了钻孔取样，用于与微动剖面横波波速等值线图进行对比，分析地层岩性，钻孔孔号为：Z2-1-1、Z2-1-2和Z4-1-1，(具体孔位见图4)，其中孔号Z2-1-1代表二级台地上第一次钻孔时的1号孔位，其余孔号依此类推；在微动台阵探测结束后，再次对探测剖面上的三个地层异常孔位进行了钻孔取样，用于验证微动剖面探测结果，钻孔孔号为：Z2-2-1、Z2-2-2和Z4-2-1，(具体孔位见图4)。

2.4 数据处理

数据采集完成后，将采集站与笔记本电脑用数据线连接，通过DCC软件导出测量数据。DCC软件将对数据进行智能分析和调整处理，查看原始数据的QC情况，包括GPS搜星情况、时钟漂移、信噪比、电池电压、存储卡内存、温度等信息。并根据野外生产记录切割数据，对于原始数据段，进行人工截取总时窗，剔除数据段首尾由于仪器布设和收取产生的人为噪声干扰。

之后采用空间自相关法(SPAC法)结合地震勘探中的剥层反演法提取波速频散曲线，SPAC方法中，常用的频散曲线提取方法有特殊点法、逐频拟合法、最小二乘拟合法等等。特殊点法是根据空间自相关曲线中的零点和极值点的横坐标(频率)值去对应0阶第一类贝塞尔函数中的对应零极值点，利用公式(1)计算瑞雷波相速度，得到相速度和频率之间的关系，即频散曲线。

(1)

式中：X为空间自相关曲线零极值点横坐标值；f为0阶第一类贝塞尔函数中的频率值；r为相速度；c(f)为中心点和周边观测点的距离。

然后直接绘制相速度等值线图，经过插值、平滑等处理步骤获得二维视速度剖面。相速度等值线图能直观地反映地层岩性变化，是地质解释的基本依据，数据处理流程见图6。

图6 微动数据处理流程图

2.5 探测结果分析

2.5.1 微动台阵测量推断依据

根据该场地历史上的工程勘察资料，测区内的主要地层岩性为杂填土、原地基土体(粉土、淤泥质粉土)和褐红色砂质泥岩。在微动探测剖面上进行工程钻孔，然后进行微动测量来对主要地层岩性进行测定分析，通过分析反演波速结构图，结合已有工程勘察资料，总结出厂区内不同地层的地球物理参数见表1(限于篇幅，本文只给出了钻孔Z2-1-1和钻孔Z4-1-1的波速结构图，如图7和图8所示)。

图7 钻孔Z2-1-1波速结构图

图8 钻孔Z4-1-1波速结构图

由表1可知厂区内主要以表层杂填土和粉土为主，基岩以褐红色砂质泥岩为主。表层填土及粉土和基岩之间的横波速度差异明显，可以形成有效的速度界面，有利于划分地层分界线。同时，结合钻孔资料分析认为，表层杂填土和粉土在富水情况下横波速度会明显降低，粉土层与粉质黏土横波速度较为接近，在一定程度上二者的分层有一定的难度。

表1 不同岩层横波速度表

2.5.2 微动台阵探测结果解释

由表1可知厂区内主要以表层杂填土和原地基粉土为主，基岩以褐红色砂质泥岩为主。表层填土、原地基粉土和基岩之间的横波速度差异明显，可以形成有效的速度界面，有利于划分地层分界线。结合钻孔资料分析认为，原地基粉土在富水情况下横波速度会明显降低。各剖面横波波速等值线图如图9所示。

观察两个微动台阵剖面横波波速等值线图，横波速度等值线整体呈水平层状分布，上部和中部速度等值线呈水平层状分布，下部等值线表现为横向上团块状、条带状高低波速分布浅地表0～-5 m范围为检波器频带范围有限产生的“勘探盲区”,整体表现为低波速，随着深度增加介质横波速度逐渐增大，低速层与高速层过渡连续。

由表1中不同岩层横波速度值及微动台阵剖面横波波速等值线图可直观的看出黄土填方场地地层分布情况：① 杂填土：场地地基表层是以Q3黄土为主要填料的松散杂填土，横波速度小于200 m/s，厚度0 m～14 m不等；② 原地基土体：杂填土下为原地基土体，根据钻孔岩样可分为粉土、富水粉土和淤泥质粉土3种。富水粉土的横波速度在200 m/s～250 m/s之间，深度为7.0 m～13.0 m，分层界面起伏较小；粉土的横波速度在250 m/s～300 m/s之间，层底深度为5 m～11 m；淤泥质粉土，横波速度为300 m/s～350 m/s，层底深度为8 m～30 m；③ 褐红色砂质泥岩：横波速度大于350 m/s，深度在5 m～30 m不等，深度变化较大，图9中红色实线即为砂质泥岩与原地基土体分界线。

从微动台阵剖面横波波速等值线图中可以看出：在剖面WD2-5测点-30 m处出现横波波速等值线图形向下弯曲，推断认为与地表雨水向深部推断地下水通道渗流有关；在WD2剖面上的WD2-4和WD2-12测点处，深度为1 910 m(-50 m深度)处，存在椭圆状圈闭低速异常区，对照不同岩层横波速度值推断认为两处横波波速异常是由地下水引起的。后在WD2-4和WD2-12测点处进行钻孔，在40 m～50 m深度处发现了地下水，与通过微动台阵剖面横波波速等值线图推断结果一致。

根据横波波速等值线图及不同岩层横波速度表推测在WD2剖面WD2-2～WD2-14测点深度1 955 m(-5 m深度)处及WD4剖面WD4-1～WD4-11测点深度1 965 m(-5 m深度)处出现富水区，富水区厚度2 m～10 m不等，整体呈水平层状，富水区域如图8中红色虚线所示范围。在二次钻孔时，WD4-6、WD2-12和WD2-15三个测点处的Z4-2-1、Z2-2-1和Z2-2-2三个钻孔均发现了地下富水层。如图10(a)可明显看出0～5 m深度处钻孔岩样松散含水率低，6 m～10 m处岩样呈现塑性状态，含水率高，说明自6 m开始含水率变大，进入富水区域，这与多次覆盖线性微动台阵剖面法探测结果完全一致；同样，图10(b)可明显看出0～5 m深度处钻孔岩样松散含水率低，6 m～13 m处岩样呈现塑性状态，含水率高，说明自6 m开始含水率变大，进入富水区域，这与多次覆盖线性微动台阵剖面法探测结果完全一致。结果表明该多次覆盖线性微动台阵剖面法可对黄土填方场地中的富水区域进行有效探测。

图9 微动台阵剖面横波波速等值线图

3 结 论

(1) 在机械振动的背景噪音下，采用多次覆盖线性微动台阵剖面法对黄土填方地基进行数据采集，之后使用空间自相关法(SPAC法)结合地震勘探中的剥层反演法对数据进行处理，可减小工厂机械震动产生的背景噪音影响。该方法适用于机械振动背景噪音影响下的黄土填方地基勘察。

图10 钻孔岩样图

(2) 微动探测结果表明原地基粉土在富水情况下横波波速会明显降低；原地基粉土含水率较高，位于塑限附近时，横波波速介于200 m/s～250 m/s之间；原地基粉土含水率较低时，横波波速介于250 m/s～300 m/s之间。因此，多次覆盖线性微动台阵剖面法适用于对黄土填方场地中的富水区域进行探测。

(3) 根据微动探测结果，不同岩层横波波速为：以Q3黄土作为填料的杂填土横波波速小于200 m/s；原地基粉土横波波速介于200 m/s～300 m/s之间；原地基淤泥质粉土的横波波速在300 m/s～350 m/s之间；褐红色砂质泥岩的横波波速大于350 m/s。