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SmartSolo®背景噪声成像在古建筑地基稳定性评估中的应用

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古建筑作为地域文化的代表和城市意象的主体标志,在天文科技和建筑方面拥有的价值。千来,古建筑地基一直遭受着降水、地震等自然因素的破坏,导致古建筑倾斜或坍塌。因此,全面了解古建筑地基是否存在发生不均匀沉降或存在不良地质体是保护古建筑的关键环节之一。

近日中国地质大学(北京)的研究人员使用SmartSolo IGU-16HR 5Hz 单分量节点式地震仪,对河南登封观星台地基的稳定性进行了探测(观星台是批全国文物保护单位,被列为世界文化遗产)。


观星台全貌

背景噪声指来自具有未知位置、未知源信号和未知时间源分布的随机噪声。将高密度布设的台站记录到的噪声记录进行两两互相关,可以得到以其中一个台站作为震源,其他台站接收的虚拟源地震记录,利用虚拟地震单炮记录中的面波信号提取相应的频散信息,可以反演探测区域内的地下横波速度,即可了解探测区域的地质构造以及有关性质和相应地层的动力学特征参数,达到岩土工程勘探之目的。

背景噪声技术无需使用夯击、炸药等人工源,适应各种复杂工区,可针对文物进行无损探测,达到文物保护的初衷。

本次项目中使用相移法选择20道面波数据提取频散曲线,设置10m,10层初始模型,对提取的频散曲线进行反演。从频率-相速度可以看出面波能量团比较集中可以准确提取面波频散曲线。

频率-相速度

成像结果清楚地显示了横向均匀性和纵向成层性,结合探测数据,速度结构与地层具有明显的相关性。浅层主要为人工填土为主,速度值较低,深部受卵石影响速度值较大。S波速度剖面是均匀变化、层状分布不存在低速异常体、局部突然变化等现象,因此判断在观星台周围地基中不存在不良地质体。

根据探测目标、观星台体位置,综合场地房屋布局等情况,在观星台台体四周共布置基础背景噪声探测测线6条(如下图所示)。L4、L1 距离台体底部东西两侧各10m,L3、L2 距离台体底部东西两侧各 3m,L6、L5 离台体底部南北两侧 2.5、3.5m。其 中L1~L4道数均为99道,L5道数为51道,L6道数为48道,各测线道间距均为1m,采样率为1ms,采集时长均为24h。

测线布设示意图

将24h数据切割成40s的小段,相邻段10s重叠,每道分成2880段,相同时间段做互相关计算并叠加,分别以每一道为虚拟炮点生成虚拟单炮记录。东西向与南北向测线均可以提取到高信噪比的面波信号,其面波能量强、同相轴连续、清晰可见。

S波速度剖面

密度背景噪声成像方法由于不依赖人工震源和无线采集的特性,地降低了勘探的繁琐性和成本,在文物地基探测还具有不损害文物的优势。SmartSolo IGU-16HR 5Hz设备很好地完成了本次观星台背景噪声的采集任务,为技术人员提供了高可靠、高保真的原始数据,为决策者提供了强有力的数据支撑。


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