多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在地基土層波速測試中的應(yīng)用

李鳳之 遲永坤 齊霞

(沈陽地球物理勘察院 遼寧沈陽 110121)

1 前言

近年來,隨著面波勘探中軟件和硬件的發(fā)展及面波勘探技術(shù)理論的進(jìn)一步完善,瞬態(tài)瑞雷波法越來越引起人們的重視,由于面波勘探與常規(guī)的地震勘探相比具有現(xiàn)場場地要求不高、快速經(jīng)濟(jì)、易于激發(fā)和識別、有效信號能量強(qiáng)、不受各地層速度的影響、淺部地層分辨率高等特點(diǎn),使得面波勘探技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于地基場地土類型和建筑場地類別的劃分、建筑場地土層的劃分、地基加固效果評價、災(zāi)害地質(zhì)體調(diào)查等方面。

2 基本原理

瞬態(tài)瑞雷波法是通過錘擊、落重乃至炸藥震源,一般來說產(chǎn)生三種類型的波,即縱波、橫波和瑞雷波,可用如下波動方程來描述它們:

式中:φ、Ψ分別為質(zhì)點(diǎn)位移場的標(biāo)量位和向量位,Vp、Vs分別為縱波、橫波波速。

(1)式中的一個解為:

式中:

k為波數(shù),vr為瑞雷波波速,A、B為常數(shù),(2)式代表一個以速度 vr在介質(zhì)表層傳播的簡諧波列,就是瑞雷波。其特征如下:

(1)瑞雷波在層狀介質(zhì)中傳播的頻散特征

在層狀介質(zhì)條件下,瑞雷波在介質(zhì)中的傳播速度是頻率的函數(shù),即瑞雷波速度隨激發(fā)頻率的變化而變化。該特性是瑞雷波勘探的理論基礎(chǔ),由于瑞雷波法不僅利用了波的運(yùn)動學(xué)特征,更重要的是利用了波的動力學(xué)特征,而常規(guī)地震折射波法和反射波法主要利用波的運(yùn)動學(xué)特征,且要求各層的波速或波阻抗有較大差異,因此瑞雷波對介質(zhì)反映更細(xì)微。

(2)瑞雷波的穿透深度與波長的關(guān)系

瑞雷波水平振幅和垂直振幅從彈性介質(zhì)的表面向內(nèi)部呈指數(shù)衰減,主要能量集中在一個波長范圍內(nèi)。因此,可以認(rèn)為瑞雷波的穿透深度為1個波長。根據(jù)瑞雷波理論,當(dāng)深度 Z為λr的1/2時,瑞雷波某一波長的波速主要與深度小于λr/2的地層物性有關(guān),該特性為利用瑞雷波進(jìn)行淺層勘探提供了理論依據(jù)。

(3)瑞雷波振幅的特性

在同一激振條件下,瑞雷波的振幅與1/r成正比,體波的振幅與1/r成正比,即瑞雷波比體波衰減慢得多,離開振源一段距離,面波的能量將強(qiáng)于體波,這為我們在數(shù)據(jù)處理中提取面波的;有用信息提供了方便。

(4)瑞雷波速度與橫波速度的相關(guān)性

瑞雷波波速和橫波波速的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

式中:σ為泊松比。

由(3)式可知,當(dāng)σ從0增大到0.5,vR/vS的變化范圍大致在0.87～0.95之間,第四系地層泊松比為0.4～0.47,可以認(rèn)為對土體而言,vR、vS基本相等,其誤差只有5%左右。

根據(jù)波速可測算出土層的各種力學(xué)參數(shù),同時可方便對場地在水平方向的均勻性做出評價。

3 野外工作方法

瞬態(tài)多道瑞雷波勘探的現(xiàn)場工作布置如圖1所示。

圖1 野外工作布置圖

其M處為測點(diǎn),相鄰檢波器的距離為Δx,激振點(diǎn)位于檢波器排列的一側(cè),和鄰近檢波器之間的距離也為Δx。Δx選擇應(yīng)和勘探深度相對應(yīng),隨著勘探深度的變化,Δx的距離也應(yīng)相應(yīng)改變。

瞬態(tài)法勘探的結(jié)果,主要受激發(fā)的瑞雷波的頻率影響,應(yīng)保證激發(fā)的瑞雷波的頻率范圍與勘探深度匹配,且應(yīng)保持足夠的連續(xù)性。

震源一般采用落重法,即以一定的質(zhì)量重塊,提升一定的高度,自由下落撞擊地面,從而產(chǎn)生瑞雷波。當(dāng)進(jìn)行淺部測試時,可采用小鐵錘。這種震源產(chǎn)生的地震波的主頻 f0可用下式表示:

式中:r0為重塊或鐵錘的底面的半徑,M為震源質(zhì)量。檢波器采用垂直檢波器,應(yīng)垂直放置,使其與地面接觸良好。

與反射法地震勘探方法相同,瞬態(tài)多道瑞雷波勘探也存在一個最佳窗口問題。由圖2可見彈性波在時間空間域內(nèi)傳播時,其各種波型(直達(dá)波、折射波、反射波、聲波和面波)均遵循各自的傳播規(guī)律。

圖2 各種波旅行時距曲線

瞬態(tài)多道瑞雷波法強(qiáng)調(diào):(1)各道采樣必須設(shè)計排列在面波域內(nèi),且采集到足夠長的記錄;(2)盡量使采集到的波型單一,即:不使直達(dá)波的后續(xù)或反射、折射波干擾面波,同時避免周圍的干擾振動;(3)采集的波形不能失真。

有效信號和干擾信號在記錄上難以區(qū)別時,應(yīng)在同一激發(fā)點(diǎn)重復(fù)接收3～5次,使信號疊加,取其平均值,以加強(qiáng)有效信號,壓制干擾。在測點(diǎn)的一側(cè)激振和接收完成后,可把震源移至測點(diǎn)的另一側(cè)重復(fù)上述步驟,把兩側(cè)的測量結(jié)果平均,做為該點(diǎn)的最終結(jié)果。

4 原始資料的整理與解釋

(1)對原始資料進(jìn)行整理、檢查、核對和編錄;

(2)確定面波時間域—空間域窗口;

(3)在頻率—波數(shù)域內(nèi)提取面波;

(4)進(jìn)行頻散分析并形成頻散曲線圖;

(5)根據(jù)頻散曲線的變化,對各測點(diǎn)土層速度的變化范圍作出解釋;

(6)對資料做出地質(zhì)解釋,對各層的巖土工程性質(zhì)做出評價。

5 應(yīng)用實(shí)例

鐵嶺某輸油站擬在回填土上建儲油罐,回填厚度7m左右,用強(qiáng)夯法對回填地基進(jìn)行加固。擬用多道瑞雷波勘探法測試回填土波速,對強(qiáng)夯效果做出評價。我們承擔(dān)了該次勘察任務(wù),分兩次在該場地共測試了15個點(diǎn)。為了進(jìn)行對比,其中2個是在未夯土上進(jìn)行,另外13個是在夯土上進(jìn)行測試的。本次工作采用儀器為美國 ES-2401淺層地震儀,儀器主要技術(shù)指標(biāo)如下:

采樣道數(shù):24道;

記錄長度:2048m s;

采樣間隔:0.05～2m s;

儀器主機(jī)由微機(jī)控制工作,能對場地進(jìn)行噪聲監(jiān)控,增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本次測試采用12道接收,道間距為1m,震源移距1m,震源用18磅大錘敲擊地面激振,采樣間隔0.5m s,采樣點(diǎn)數(shù)1024點(diǎn),在排列兩端多次進(jìn)行激振,使信號疊加,以壓制干擾,經(jīng)計算處理后的頻散曲線如圖3所示。

測試結(jié)果表明,夯后土的平均面波波速有了明顯提高,從未夯土的90m/s提高到250m/s以上,最高達(dá)到293m/s,波速提高了160m/s以上,說明了夯后土的密實(shí)度有了明顯的提高。

圖4是根據(jù)13個在強(qiáng)夯土區(qū)測試的面波波速繪出的平面等值線圖。

圖3 頻散曲線

由圖4可知,整個場地從左到右,面波波速由252m/s到280m/s以上,說明整個場地在水平方向上密實(shí)程度不均勻。

6 結(jié)束語

(1)面波勘探最關(guān)鍵的一點(diǎn)是如何獲得良好的面波記錄以保證其頻散曲線的正確性。這就要求野外實(shí)際觀測方法須進(jìn)一步的改進(jìn)、提高,合理地選擇激發(fā)和接收,做好現(xiàn)場試驗工作,選準(zhǔn)儀器參數(shù)、道間距、偏移距,方能取得質(zhì)量較高的面波原始資料。同時對新震源的研究也是相當(dāng)重要的。

圖4 場地回填土層面波波速平面等值線圖

(2)瞬態(tài)面波法檢測技術(shù)應(yīng)用于回填土層和第四系巖土層,其分層精度和分辨率及所提供的巖土物理力學(xué)指標(biāo),是其它物探方法難以達(dá)到的。它還具有成本低、周期短、儀器輕便、對檢測場地要求低等優(yōu)點(diǎn)。