多道瞬態(tài)瑞雷波法在地基強(qiáng)夯質(zhì)量檢測中的應(yīng)用探討

苑永健，李昌存

(河北理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北唐山 063009)

多道瞬態(tài)瑞雷波法在地基強(qiáng)夯質(zhì)量檢測中的應(yīng)用探討

苑永健，李昌存

(河北理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北唐山 063009)

為了提高地基承載力，減少填土的不均勻沉降，對軟土地基進(jìn)行強(qiáng)夯加固是一種十分經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法。在沿海地區(qū)，填海工程和低丘整平地基處理中，大量使用強(qiáng)夯法。因此，強(qiáng)夯地基效果的檢測十分重要。本文通過對多道瑞雷波法理論以及在強(qiáng)夯地基檢測應(yīng)用效果的探討，采用加權(quán)平均值法統(tǒng)計各測試點地基土的承載力特征值，對整個測區(qū)的強(qiáng)夯效果進(jìn)行全面評價。

瑞雷波；強(qiáng)夯地基；檢測效果

1 瞬態(tài)瑞雷波勘探

瑞雷波勘探是近年來發(fā)展起來的淺層地震勘探新方法。由于瑞雷波速度、剪切波速度和巖、土力學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系，在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。瑞雷波勘探有頻率域觀測的穩(wěn)態(tài)法和時間域觀測的瞬態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用時間較長，方法技術(shù)也較為成熟，缺點是設(shè)備笨重，不利于提高效率；瞬態(tài)法具有輕便、快捷效率高的特點。所用的采集系統(tǒng)是地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（1）瞬態(tài)瑞雷波勘探原理

瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊，使地面產(chǎn)生一個包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵。假設(shè)離震源一定距離處有一觀測點A，記錄到的瑞雷波是f(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為：

在波的前進(jìn)方向上與A點相距為Δx的觀測點B同樣也記錄到時間信號f2(t)，其頻譜是：

若波從A點傳播到B點，它們之間的變化完全是由頻散引起的，則應(yīng)有下列的關(guān)系式：

vR(ω)是圓頻率為w的瑞雷波的相速度。上式也可寫成：

式中φ是F2(ω)和F1(ω)之間的相位差。比較式 (3)和 (4)可知：

根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離Δx和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度VR(ω)。

為得到勘探點的頻散曲線，需要對兩觀測點的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。作相干函數(shù)的目的是對記錄信號各個頻率成分的質(zhì)量作出估計，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。

作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這兩個觀察點在各個不同頻率時的相位差，再利用(5)式求出相速度。當(dāng)我們已知頻率為f的瑞雷波速度vR后，其相應(yīng)的波長λR為：

瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在一個波長深度范圍內(nèi)。由半波長理論，所測量的瑞雷波平均波速VR可以認(rèn)為是1/2波長深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度是：

由(7)可知，頻率越高，波長λR越短，勘探深度越小;反之，頻率越低，波長λR越長，勘探深度越大。因此兩個觀測點之間的距離也要隨著波長的改變而改變。對于勘探較深的低頻而言，Δx要大，才能測到較為正確的相位。對于勘探較淺的高頻來說，Δx要小。根據(jù)實際經(jīng)驗，Δx取1/3λR-2λR間較為合適，即在一個波長內(nèi)的采樣點數(shù)要小于在間距Δx內(nèi)采樣點數(shù)的三倍，大于在Δx內(nèi)采樣點數(shù)的0.5倍。

根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波傳播特性反映了不同深度地質(zhì)體的變化情況。實際工作中，為了提高效率，瑞雷波勘探時，在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距Δx設(shè)置N+l個檢波器，我們就可以檢測到NΔx長度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。

對頻率為fi的頻率分量，進(jìn)行互譜分析時，計算相鄰檢波器記錄的相移φi，相鄰道Δx長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度，在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍NΔx內(nèi)的平均波速為：

在同一測點對一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一條vR―f曲線，即頻散曲線。

根據(jù) (6)式，可將VR―f曲線轉(zhuǎn)換為VR―λR曲線，VR―λR曲線反映出該測點介質(zhì)深上的變化規(guī)律。沿測線不同點的VR―λR曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征。

（2）瞬態(tài)瑞雷波法資料處理

其資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價，提高信號質(zhì)量的處理，面波速度的計算和結(jié)果的輸出。

頻率濾波是數(shù)據(jù)處理中最常見的處理手段，它可以消除各種干擾。在面波勘探中，我們希望濾波處理不改變數(shù)據(jù)的相位特性，即在理想情況下用零相位濾波器，并通過選取合適的通頻帶，盡可能保留所需的頻率成分。

對淺層勘探，保留高頻成分；對較深目的層勘探保留低頻成分；對中等深度勘探，要合理選擇通頻帶，以降低干擾，使資料質(zhì)量得到改善，并最終減小對頻散曲線的影響。

切除處理可以把直達(dá)波和折射波等部分地消除，從而保留下來較純的面波，切除以后可以大大改善頻散曲線的計算結(jié)果。

能量衰減 (增益處理)也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內(nèi)的地震波進(jìn)行能量衰減控制。由于地震記錄中面波能量最強(qiáng)，因此在增益處理以后，可以使相對較弱的反射波、直達(dá)波等幅值減小，使其在計算頻散曲線時相關(guān)系數(shù)變小，從而達(dá)到減少干擾的目的。

一般而言，增益處理后計算的頻散曲線更加平滑，且對深層目標(biāo)反映更清楚；其不利之處是這種平滑可能會使面波勘探的分辨率降低，并產(chǎn)生低頻段的低速假象。

經(jīng)以上之原始記錄整理和處理后，需要確定面波速度VR。由式 (5)，首先確定兩接收點間的相位差φ，對兩觀測點的記錄作互功率譜的分析。

如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜F1(ω)和F2(ω)的自功率譜可分別表示為：

其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f)的復(fù)共扼譜。F1(t)和f2(t)的互功率譜為：

可見互功率譜中的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波之相位差在互功率譜函數(shù)中，并非對所有頻率成分都有效。衡量某頻率成分是否有效的方法是用相干函數(shù)，即檢測面波由測點A向測點B傳播時是否有良好的相干性。定義相干函數(shù)：

上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實部進(jìn)行相干性評價。如果在傳播過程中系統(tǒng)是理想的，則該頻段內(nèi) G(f)的實部絕對值應(yīng)接近1；若由于干擾和系統(tǒng)的非線性使信號的質(zhì)量下降，G(f)實部的絕對值將下降。一般選擇其值大于0.8的頻段計算互功率譜。

求取面波在二接收點間傳播的相位差，并利用公式計算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟計算，得VR~f或VR~λ曲線，即頻散曲線。瑞雷波速度VR~λ和VR~H分布曲線圖中 VR曲線是應(yīng)用半波長轉(zhuǎn)換法繪出的，即波長為λ的面波速度代表半個波長深度以上的介質(zhì)中的平均值。

2 工程實例

(1)工程概況

2010年初我們在河北省唐山市曹妃甸地區(qū)，進(jìn)行了大面積的強(qiáng)夯地基檢測工作。檢測目的是進(jìn)行填土地基處理，主要為港口碼頭、工業(yè)廠房、民用住宅服務(wù)。該地區(qū)第四系地層較厚，地表填土主要有填土、淤泥質(zhì)土、砂土等。曹妃甸地區(qū)填土深度6m左右，夯擊能量8000kNm，加固深度為10.0m。

(2)檢測方法

采用儀器為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的FDE48N通道測試儀和2Hz垂直檢波器，用大錘錘擊鋼板為振源。本次采用6道觀測系統(tǒng)接受方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，道檢距2m，偏移距10m；采集系統(tǒng)選用采樣間隔300～500μs，處理軟件為核工業(yè)部北京地質(zhì)研究所的SWS view地震瑞雷波處理軟件。

將振源、測點布置在一條測線上，用地震儀將各測點響應(yīng)信號紀(jì)錄下來。當(dāng)測試儀器紀(jì)錄通道有限時（如基樁動測儀），在測點移動、振源可重復(fù)情況下（或測點固定、振源移動情況下），將每次測試信號堆疊，得到多道紀(jì)錄信號。對測試信號作f~k分析，可得到測線長度范圍平均瑞利波速。

（3）檢測成果及分析

圖1為本區(qū)內(nèi)強(qiáng)夯檢測原始波形，從時域內(nèi)的面波成分可以看出面波能量幅值大、頻率低、傳播速度慢[2]。根據(jù)彈性波波場理論，彈性波同相軸越陡，視速度越小。而視速度越大，表明地基土越密實堅硬。

圖1 瑞雷波原始波形

圖2為強(qiáng)夯區(qū)該點的瑞雷波檢測頻散曲線。由圖可以看出，瑞雷波頻散曲線規(guī)則，拐點清楚。在0～1.7m范圍內(nèi)波速為187m/s，1.7～2.7m范圍內(nèi)波速為221m/s，2.7～6.0m范圍內(nèi)波速為269m/s。解釋加固深度為6m。

圖2 頻散曲線圖

根據(jù)大量測試點，經(jīng)統(tǒng)計各測試點波速的加權(quán)平均值，并繪制加權(quán)平均波速平面圖，如圖3。

圖3 加權(quán)平均波速平面圖

3 結(jié)論

瞬態(tài)瑞雷波法是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測強(qiáng)夯地基方法，適合大面積的強(qiáng)夯地基檢測，根據(jù)場地等值波速平面圖可推測場地均勻性和密實度等強(qiáng)夯效果，直觀判定地基土的軟硬程度。利用面波速度與巖土體承載力特征值和變形模量的關(guān)系，可以粗略計算出地基的承載力特征值和變形模量。應(yīng)用該種方法不能準(zhǔn)確確定地基土的承載力，須用靜載荷實驗測定地基承載力。

[1] 林朝旭.多道瞬態(tài)瑞雷波法在強(qiáng)夯地基檢測中的應(yīng)用.[J]福建建筑,2007,No.11:43～45.

[2] JGJ／T 143 2004，多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．

[3] 楊成林等．瑞雷波勘探[M]．北京：地質(zhì)出版社，1993．

The Application of Multi-channel Transient Rayleigh Wave on the Quality Examination of the Dynamic Compaction Foundation

YUAN Yongjian LI Changcun
(Hebei Polytechnic University Resource and Environment College, Tangshan, Hebei, 063009)

In order to improve the bearing capacity of flled soil foundation, reduce the uneven subsidence of soft soil foundation, dynamic compaction is a very economic and effective method. In coastal areas, we always use dynamic compaction method for sea reclamation. Therefore;the survey of dynamic compaction effect is very important. This paper discusses the theory of multi-channel transient Rayleigh wave and its application effect on the dynamic compaction foundation, and uses the weighted average method to calculate the characteristic value of foundation bearing capacity; last evaluates the dynamic compaction effect of the whole study area.

Rayleigh wave;Dynamic compaction foundation;Examination effect

P631.4

A

1007-1903（2011）03-0043-04

李昌存（1965-），男，中國地質(zhì)大學(xué)博士，教授，多年來從事地質(zhì)工程研究。E-mail：yuanzhao0603@163.com