應(yīng)用瞬態(tài)瑞利面波法勘探黃土陷穴的實(shí)例研究

田 明（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng)110166）

1 引言

近10 多年來(lái)，我國(guó)交通建設(shè)迅猛發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、路網(wǎng)骨架不斷加強(qiáng)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。與之同時(shí)，我國(guó)公路及鐵路部門運(yùn)輸任務(wù)日趨繁重，加之修建年代不同、地形地質(zhì)條件復(fù)雜及受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)施工等因素的影響，許多線路路基存在著不同程度的病害隱患（如巖溶溶洞、黃土洞穴、橋頭跳車、不均勻沉降及塌陷等），嚴(yán)重影響車輛的正常運(yùn)營(yíng)。當(dāng)這種隱患發(fā)展到一定程度，可能誘發(fā)突然性的路基破壞，甚至造成災(zāi)害性的事故。因此，如何在不影響行車運(yùn)營(yíng)的情況下，高效快捷地查明這些隱患是人們非常關(guān)心的課題。

目前，路基病害探測(cè)技術(shù)主要有輕便靜力觸探，輕型動(dòng)力觸探，小型貫入試驗(yàn)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，電阻率法（簡(jiǎn)稱電法）和瞬態(tài)瑞利面波法（簡(jiǎn)稱面波法）勘探[1]。其中，電法勘探相對(duì)精度較高但工作量大、效率低；而面波法勘探具有無(wú)損、輕便和高效等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，本文結(jié)合工程實(shí)例探討瞬態(tài)瑞利面波法在路基病害探測(cè)中的應(yīng)用。

2 面波法的勘探原理及資料處理

面波法是利用瑞利波在不均勻土層中的頻散特性來(lái)劃分土層結(jié)構(gòu)的巖土工程原位測(cè)試方法，它可用于解決諸如工程地質(zhì)勘察、地下空洞及掩埋物探測(cè)、地基加固處理效果評(píng)價(jià)、巖土的物理參數(shù)原位測(cè)試、公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)、飽和砂土的液化判別等巖土工程問(wèn)題。

2.1 面波法的勘探原理

面波法是通過(guò)在地表施加一瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)包含豐富的頻率成分，然后用傅氏變換分析來(lái)獲取不同波長(zhǎng)的瑞利波在地層表層的傳播速度。面波的傳播速度是由瞬態(tài)激振所產(chǎn)生的一定頻帶寬度的不同頻率成分的面波所合成的群速度，為了獲取相速度的頻散曲線，就必須對(duì)時(shí)間域的面波作必要的數(shù)學(xué)處理。

1)將時(shí)間域轉(zhuǎn)換為頻率域

設(shè)在地面上沿測(cè)線方向布置n 道檢波器，且相鄰道間距為△x，瞬時(shí)激勵(lì)后，地震儀記錄此信號(hào)，若信號(hào)為x1(t)，x2(t)… xn(t)，利用傅氏變換得到其頻譜為

2)求互功率譜和相位譜

取任意兩相鄰道x(j-1)(t)，xj（t），其自功率譜為

其互功率譜為

式中Xj*(f)，X*(j-1)(f)為Xj(f)，X(j-1)(f)的復(fù)共軛譜。

由（4）式可以看出互功率譜的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的相位差。

3)面波的質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)

在互功率譜函數(shù)中并非對(duì)各頻率f都有效的，關(guān)鍵是看所計(jì)算的頻段內(nèi)面波在兩相鄰檢波器傳播過(guò)程中是否具有良好的相關(guān)性。為此定義相干函數(shù)

上式中C (f )的模應(yīng)恒為1，可通過(guò)C (f )的實(shí)部進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。但實(shí)際傳播中因干擾和系統(tǒng)的非線性使信號(hào)的質(zhì)量降低。在面波質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，一般選取其值大于0.8 的頻段計(jì)算面波速度[2～3]。

4）求瑞利波的相速度

瑞利波從j-1 點(diǎn)至j 點(diǎn)所需時(shí)間t 為

由于瑞利波沿直線傳播，因此其波速為

VR(f )是頻率為f 的面波平均相速度。由上面的式子可計(jì)算記錄的功率譜，互功率譜的相位譜數(shù)據(jù)和相干函數(shù)值。在所需頻段內(nèi)選擇相干函數(shù)大于規(guī)定值（如0.8）的頻率f 的相位譜數(shù)據(jù)，以此作為該頻率面波在兩檢波器間傳播的相位差。再利用（7）式計(jì)算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟就得到了勘探點(diǎn)的一條VR-f 曲線，即所謂的頻散曲線。VR-f 曲線可轉(zhuǎn)換為VR-λR曲線，該曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系，可以反演地下分層厚度和速度結(jié)構(gòu)。

2.2 瑞利波的頻散特性

均勻介質(zhì)條件下，瑞利波速度VR與振動(dòng)頻率f（或與波長(zhǎng)λR）無(wú)關(guān)，即在均勻介質(zhì)中，瑞利波傳播速度無(wú)頻散性。在非均勻介質(zhì)中，瑞利波傳播速度VR隨其振動(dòng)頻率f（或與波長(zhǎng)λR）變化而變化，即在非均勻介質(zhì)中瑞利波有頻散性。這一特性，是利用頻散曲線反演地下介質(zhì)層速度結(jié)構(gòu)和進(jìn)行土層劃分的重要前提。

均勻半空間介質(zhì)是一種理想化模型，也是最早證明了瑞利波存在的一種假設(shè)，為研究瑞利波的某些特性提供了簡(jiǎn)便的方法和依據(jù)。但研究瑞利波的最終目的是用于解決工程實(shí)際問(wèn)題，所遇到的實(shí)際問(wèn)題幾乎都是分層結(jié)構(gòu)。研究瑞利波在土木工程中的應(yīng)用，主要是瑞利波在層狀介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性，因此下面以3 層介質(zhì)模型討論層狀介質(zhì)中瑞利波的頻散性。

如表1 所示為3 層介質(zhì)地層模型，其中第2層厚1m，且保持不變，第3 層為無(wú)限厚，第1層厚分別為1，2，5，10m 4 種情況，其它地層參數(shù)如表1 所示，得出如圖1 所示的瑞利波頻散曲線。由圖1 可知，瑞利波在層狀地層中傳播時(shí)，波速在不同介質(zhì)參數(shù)的地層界面會(huì)產(chǎn)生突變，而地層的厚度可由頻率得出，因此，根據(jù)瑞利波的這一頻散特性，結(jié)合地層參數(shù)實(shí)驗(yàn)可對(duì)地層進(jìn)行地質(zhì)解釋。

表1 3 層地層參數(shù)表

圖1 3 層介質(zhì)中瑞利波頻散曲線

2.3 面波法的資料處理

1）資料的整理與計(jì)算

面波資料的處理采用FKSWS-Ⅲ版處理系統(tǒng)。資料處理程序見(jiàn)圖2 所示，首先對(duì)野外采集的記錄進(jìn)行頻率-速度分析，選取面波記錄時(shí)間窗口，計(jì)算出f-k 變換色譜圖，再利用光標(biāo)在f-k 變換色譜圖上選取最大能量譜的頻率-速度點(diǎn)，計(jì)算出測(cè)試點(diǎn)的頻散曲線，再對(duì)頻散曲線進(jìn)行曲線擬合，反演出各層速度、厚度，繪制出頻散曲線成果圖。

2）解釋剖面成果圖的繪制

將單點(diǎn)頻散曲線成果圖的層厚、速度按照記錄點(diǎn)對(duì)應(yīng)在測(cè)線上的相應(yīng)位置標(biāo)到剖面圖上，并把相鄰測(cè)點(diǎn)同一速度層用平滑曲線連接起來(lái)，然后把綜合解釋的物性層添上地質(zhì)圖例，就繪制出了解釋剖面成果圖。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

測(cè)試路段屬低山斜坡地區(qū)，路基多為兩側(cè)不對(duì)稱路堤和半塹半堤，在填土和天然土層的接觸帶，由于施工質(zhì)量差，夯填土達(dá)不到最佳密度，因此，夯填土比較松散，雨水易于滲入，而路塹的原狀土一般比較密實(shí)，雨水不易滲入，所以雨水常沿兩者的接觸面滲流，常引發(fā)路床不均勻下沉、外擠的病害發(fā)生。為了不影響行車，路基兩側(cè)多已幫填了片石，在行車動(dòng)載和流水作用下，路床下沉和產(chǎn)生不均勻變形，個(gè)別路段甚至產(chǎn)生塌陷。

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

1）地層巖性

該路段沿斜坡地表多為Q3黃土質(zhì)砂粘土，淺黃色，厚10～20m；其下為Q2老黃土，棕黃色，厚8～12m，主要出露在沖溝底；在沖溝中局部還有Q4黃土質(zhì)砂粘土夾碎石堆積。在山坡上有基巖出露，基巖是中奧陶系（O2）的厚層石灰?guī)r和泥灰?guī)r。路基主要填筑在Q3黃土質(zhì)砂粘土層之上，填料為當(dāng)?shù)氐腝3黃土質(zhì)砂粘土或開(kāi)挖路塹的棄土或棄石，由于Q3黃土是濕陷性黃土，其崩解速度快。因此，該段路基黃土陷穴發(fā)育，黃土陷穴可能引發(fā)路基下沉、甚至塌陷。

2）參數(shù)試驗(yàn)

勘探工作之前，為檢查該區(qū)段是否具備瑞利波法勘探的前提與基礎(chǔ)和確定瑞利波勘探的排列布置及參數(shù)設(shè)置，先在該區(qū)段廣泛測(cè)定路基填土和原狀黃土的橫波速度及視電阻率。測(cè)區(qū)路基通過(guò)不對(duì)稱路堤、半塹半堤和深大黃土沖溝所填筑的高路堤，路堤高度在15m～25m 之間。由于路堤填土較高，夯填不實(shí)，路床較松軟。本測(cè)區(qū)地層的物理力學(xué)特性可分為2 層，上層是填筑黃土（Q3），下面是天然黃土。因?yàn)槁返梯^高，且黃土陷穴主要發(fā)育在Q3黃土中，故道黃土陷穴僅發(fā)生在填筑黃土（Q3）之內(nèi)。通過(guò)大量實(shí)測(cè)試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)參數(shù)如表2。

圖2 資料處理流程圖

表2 實(shí)則參數(shù)表

測(cè)區(qū)內(nèi)各巖土層間存在著較明顯的物性差異，再加黃土陷穴由于充填物不同而形成的交點(diǎn)性質(zhì)和封閉圈與周圍巖土介質(zhì)間存在著明顯差異。綜上所述，該測(cè)區(qū)具備了該法勘探的基本前提和物理?xiàng)l件。

3）測(cè)線布置與工作方法

面波地震映像采集時(shí)采用4HZ的低頻檢波器，偏移距為3m、道間距為2m，3 道接收，點(diǎn)距1m。采樣點(diǎn)數(shù)1024，采樣間隔0.25ms。震源的激發(fā)采用錘擊方式，為了更可靠地采集到每一測(cè)點(diǎn)的面波數(shù)據(jù)，選屏幕顯示道能量強(qiáng)、干擾小、信噪比高、顯示波阻抗界面明顯的記錄存盤，供數(shù)據(jù)處理及資料解釋用。

3.3 資料分析與判釋

面波數(shù)據(jù)處理采用專門軟件進(jìn)行，得到彩色剖面映像。對(duì)剖面圖做定性解釋，確定病害地質(zhì)體部位，然后分析剖面圖上哪些波組構(gòu)劃地下形態(tài)明顯，把明顯的波組確定為有效波，這樣即可利用旅行時(shí)間和速度計(jì)算出深度，做出定量解釋。

依據(jù)面波勘探獲得的該段路基橫波速度變化規(guī)律，高密度地震映像顯示路基的剖面形態(tài)及電測(cè)深ρS斷面圖的曲線變化特征，綜合分析，該路基段存在有黃土洞穴，且線路兩側(cè)貫通，斜穿路基。三種物探方法相互驗(yàn)證，結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

瞬態(tài)面波勘探是近年來(lái)新興的巖土工程原位測(cè)試技術(shù)，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)的相關(guān)性可以解決諸多工程地質(zhì)問(wèn)題，隨著其技術(shù)的不斷完善，將在土木工程及其他領(lǐng)域中有著更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間。

實(shí)踐表明，面波法在黃土陷穴探測(cè)中是可行的，精度一般能滿足工程要求，其最顯著的優(yōu)勢(shì)是勘探效率高，對(duì)行車干擾小，因此尤其適用于時(shí)間要求緊的情況。與其它勘探技術(shù)一樣，其效果一般取決于要解決的工程地質(zhì)問(wèn)題、測(cè)區(qū)的地球物理?xiàng)l件和場(chǎng)地條件，由于沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范，也與探測(cè)者經(jīng)驗(yàn)水平有很大關(guān)系。結(jié)合工程實(shí)踐，本文認(rèn)為應(yīng)針對(duì)病害類型合理選用勘探方法，并結(jié)合工程結(jié)構(gòu)的重要性，綜合運(yùn)用多種勘探手段，以提高勘探效率和可信度。

[1]楊成林. 瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1993

[2]趙鴻儒、郭鐵栓等. 工程多波地震勘探[M].北京：地震出版社，1996