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土建水利:微动勘探技术及其在土木工程中的应用
微动勘探技术及其在土木工程中的应用
| 文章出自:论文下载 | 编辑:免费论文 | 点击: | 2013-04-02 23:32:23 |

  介绍阵列微动勘探这一新的勘探方法,并结合现场试验数据探讨该方法在土木工程地质调查领域中的应用。
  在土木工程、地震防灾等领域,地下的横波速度分布是一个重要物性参数,通常是通过钻孔,利用P-S波测井取得。这一方法虽然能获得较精确的速度值,但由于需要钻孔,成本高,费时长,而且对环境有一定的破坏作用。
  近年来在日本开发了一种新的勘探方法-阵列微动勘探(aITaymicrotremorsurvey),口该方法通过布置于一定范围内的数台地震仪同步地记录微动信号,然后以平稳随机过程为理论依据,从微动信号中提取瑞雷面波的频散特性,最后通过对频散曲线反演来推测地下的横波速度分布。通过现场试验数据分析,探讨该方法在土木工程领域的应用可能性。
  试验结果表明,由微动勘探获得的地下横波速度模型与传统的P-S波测井结果整体上具有很好的一致性,虽然阵列微动勘探的分辨率差一些,但对于较厚的地层,求得的横波速度及界面深度有较高的精度。该方法与传统的利用钻孔的P-S波测井方法相比,施工简单、成本低、费时短、对环境无任何影响,特别适用于人口密集、交通繁忙的市区。如果该方法与钻孔相结合,可以通过少量钻孔快速、准确地把握地下的三维横波速度模型。
  现任日本中央开发株式会社主任研究员,主要从事城市地震防灾、工程物探、河流堤坝安全检测方面的研究和技术开发工作。1030岩石力学与工程学报2003年1引言法,还没有被广泛知晓,在介绍试验内容之前,对该方法做一粗略介绍。
  在土木工程、地震防灾等领域,地下的弹性波速度分布,尤其是横波速度(以下简称为Vs)分布是一个非常重要的物性参数。目前这一物性值主要是利用钻孔,通过P-S波测井手段取得。这一方法虽然可取得较高精度的P波及S波速度,但费用高、费时长,对周围环境有一定的破坏作用。当钻孔的深度较深时,成本会急剧上升。由于钻孔取得的是井孔周围数十厘米范围的情况,当对某一区域作一粗略的综合性评价时,就需要布置很多钻孔,花费庞大的投资。
  另一方面,地下的地质构造也可以由反射法地震勘探取得。但是,反射法地震勘探需要强大的人工震源,有时会对周围环境或建筑物造成损坏。同时,反射法地震勘探对噪音环境要求很高,在人口密集、交通繁忙的市区很难取得高质量的数据。反射法的数据采集和处理需要高度的技术和设备,成本高、费时长,这些缺点都限制了反射法在市区的应用。
  近年来随着经济的发展和生活水平的提高,公共设施越来越多,人们对各种设施的安全性要求也越来越高。在设施的设计、施工及管理中,需要了解设施正下方及周围一定范围内的地下构造。目前在日本,对于像核电站等重要设施,一般要求把握深达地震基底(K勺3km/S)的Vs分布情况,即使一般的高层建筑或免震(seismi山solation)建筑,做防震分析时,也需要掌握深度数十至数百米以上的代分布数据。
  作为城市地震防灾重要一环的强震分析,更需要建立城市及周边地区地震基底以上部分的三维K模型。所有这一切,都要求开发一种简便、快速、低成本、对环境无特殊要求,同时又对环境不产生影响的勘探手段。阵列微动勘探被认为是能满足这一要求的重要方法,近年来在技术开发及应用上得到了很大发展。
  到目前为止,这一方法的应用主要集中在大深度(数百米深)地下构造的勘探,但在土木工程领域,多数需求集中在数十至数百米之间的相对浅层。这一区间的特点是地层横向变化大,而工程上对勘探结果的要求却相对较高。为了探讨阵列微动勘探在这一深度范围的可应用性,作者作了大量现场试验及理论分析。
  本文将介绍其中的一部分试验,并结合试验结果探讨该方法的可行性。同时,鉴于阵列微动勘探是一种正在走向实用阶段的新的勘探方2阵列微动勘探地表即使在无地震之时,也在以很小的振幅(位移约为10-,10cm)不停地振动,这种振动称为微动。微动存在于任何时间和地表的任何地方。正因为如此,微动对自然地震观测,反射法地震勘探等微小振动信号的拾取是一种噪音。为了克服这种噪音对地震观测等的影响,在20世纪五、六十年代,人们对微动的产生、性质进行了大量的研究,并取得了如下认识:
  阵列微动勘探就是基于上述研究成果,它首先以平稳随机过程理论为依据,从微动信号中提取面波的频散曲线,由于面波的频散与地下构造有关,通过对频散曲线反演,就可以得到地下的Vs分布模型。
  阵列微动勘探的步骤如图l所示,分阵列观测、面波频散分析和反演3部分。以下对3部分技术作一概述。
  阵列设计与观测阵列设计(阵列大小、形状的确定)是保证勘探成功的第1步。在现有资料较多,并在某种程度上可估计出地下构造情况时,可采用感度分析法进行定量设计。而在资料少,完全无法估计地下构造时,一般采取与勘探深度等长的阵列半径。阵列的形状,目前多采用图2所示的二重同心正三角形阵列。即在圆心处布置1台地震仪,在2个同心圆上各均匀地布置3台地震仪。

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