瑞雷波勘探方法在地震安全性評價項目中的應(yīng)用與研究

薛曉東，程新原，趙向佳，曾金艷，馬秀芳

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

在地震安全性評價項目中，主要應(yīng)用3種場地波速測量方法：檢層法、交孔法以及表面波法。在天然地震中，瑞雷波是危害性最大的一種地震波。人工地震勘探中，瑞雷波是一種強干擾波。因此，對瑞雷波的早期研究，人們主要是根據(jù)瑞雷波的特點，采取諸多方法來減小它的危害或消除它的影響。直至70年代，出現(xiàn)了利用人工激發(fā)的高頻（數(shù)赫茲—數(shù)百赫茲）瑞雷波來解決淺層工程地質(zhì)問題的方法技術(shù)［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，瑞雷波勘探方法在地震安全性評價項目中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 瑞雷波勘探原理

瑞雷波是一種表面波，其特點是質(zhì)點在波的傳播方向垂直平面內(nèi)振動，質(zhì)點的振動軌跡為逆時針方向轉(zhuǎn)動的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，其傳播速度略小于橫波［2］。瑞雷波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個波長，因此，同一波長瑞雷波的傳播特性反映地質(zhì)條件在水平方向的變化情況。不同波長瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況［3］。利用人工激發(fā)的瑞雷波，在實際工作中可以解決諸多淺層地質(zhì)問題［4］。

2 瑞雷波勘探方法在地震安全性評價項目中解決的問題

（1）工程地質(zhì)勘察。利用實測的瑞雷波頻散曲線，通過定量解釋，可以得到各地質(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映地層的“軟”“硬”程度。因此，可以對第四紀地層進行劃分，確定地基的持力層。地層中存在的低速度帶反映出地下賦存有軟弱夾層，這類地層對建筑物易造成危害，瑞雷波勘探可方便地劃分出該軟弱層的埋深及范圍。

（2）巖土的物理力學參數(shù)確定。原位測試波速的大小與介質(zhì)的物理力學參數(shù)，如，密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比密切相關(guān)。因此，通過對實測資料的反演擬合解釋，可以得到巖、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進而計算出其他參數(shù)。

（3）飽和砂土層的液化判別。當較松散的飽和砂土層受到振動時，會被振實，體積減小。如果不排水，孔隙水壓力就會增高。在連續(xù)振動的條件下，砂土層內(nèi)的孔隙水壓力增高到一定程度，孔隙水壓力就會等于上覆土壓力，在這種情況下，砂土層就不再具有抗剪強度，而處于液化狀態(tài)。可見，飽和砂土層在振動作用下液化與否，與砂土層的密實度有關(guān)，越松散越易發(fā)生液化；反之，則不易液化。反應(yīng)在波速上，波速越低越易液化；反之，不易液化。根據(jù)一定場地內(nèi)飽和砂土層的埋深，地下水位的深淺等地質(zhì)條件，可以計算出該飽和砂土層的液化臨界波速值。實測波速大于該臨界值，為非液化層，小于則為液化層。

3 工程項目實例

工程場地所處地貌單元為呂梁山隆起區(qū)黃土覆蓋基巖丘陵區(qū)，場地經(jīng)人工平整，平坦開闊。據(jù)地震勘察鉆孔資料，場地北部覆蓋土層小于10m，南部覆蓋層厚度大于10m（見圖1、圖2）。據(jù)工程地震場地條件，在工程場地布設(shè)2個地震鉆孔及面波勘測點M1和M2（見圖3），對其分別進行測試。地震鉆孔巖性和剪切波速測量結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 鉆孔DZK1綜合柱狀圖Fig.1 Synthesis column of borehole DZK1

圖2 鉆孔DZK2綜合柱狀圖Fig.2 Synthesis column of borehole DZK2

采用地震勘探中的面波法分別對測點M1、M2進行勘探，使用的儀器是美國Geometrics公司設(shè)計制造的StrataVisorTMNZ48型淺層地震儀，NZ淺層地震儀具有大動態(tài)范圍和20kHz帶寬，24位∑—△模數(shù)轉(zhuǎn)換器和Geometries特有的過采樣技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于折射、反射、面波、地震勘探和地震監(jiān)測。面波反演得到的剪切波速分布如圖4、圖5所示，波速測試數(shù)據(jù)如表1、第30頁表2所示。

圖3 工程場地面波測試及地震鉆孔布置圖Fig.3 Surface wave prospecting lines and borehole locations in the engineering site

圖4 測點M1土層場地剪切波速分布圖Fig.4 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M1

圖5 測點M2土層場地剪切波速分布圖Fig.5 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M2

表1 測點M1場地剪切波速表Table.1 Shear wave velocities of measuring point M1

表2 測點M2場地剪切波速表Table.2 Shear wave velocities of measuring point M2

4 結(jié)論

據(jù)地震勘察鉆孔波速測量及面波勘探結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

（1）判斷場地土類型和建筑場地類別。

根據(jù)工程場地地震勘察鉆孔波速測量結(jié)果，計算工程場地松散覆蓋層土層等效剪切波速值DZK1為321.11m／s，DZK2為344.83m／s，而面波測量結(jié)果M1為319.92m／s，M2為335.51m／s，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011－2010）中的規(guī)定，地震勘察鉆孔波速測量和面波測量場地土類型均為中硬土。據(jù)地震勘察鉆孔可確定場地覆蓋層厚度分別為8.05m和10.93m，綜合判定場地類別均為Ⅱ類。

（2）巖土的物理力學參數(shù)確定。

通過對實測資料的反演擬合解釋，可以得到巖、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進而計算出剪切模量、壓縮模量、泊松比等其他參數(shù)，為下一步工程場地地震反應(yīng)分析中建立場地土層模型做準備。

5 結(jié)語

瑞雷波法用于地震工程有如下幾方面的特點：

（1）淺層分辨率高。同一介質(zhì)中，瑞雷波較其他類型的彈性波傳播速度小，且只在表層某深度內(nèi)傳播。在穩(wěn)態(tài)激振條件下，頻率范圍和頻率的變化間隔均可根據(jù)勘察目的人為確定，需要時，波長變化可控制在毫米級范圍，即以深度變化數(shù)毫米的間隔由淺向深勘測。所以，該方法可以確定土層厚度及探測到厘米級寬度的裂隙。這樣的精度，其他彈性波法是無法與之比擬的。

（2）不受各地層速度關(guān)系的影響，瑞雷波法只要求具有波速差異，即使差異只有10%也可以精確進行分辨。

（3）瑞雷波用于地震工程勘探，不僅可以解決諸多的地質(zhì)問題，且該方法具有省時省力、勘探費用低等優(yōu)點，在經(jīng)濟效益、社會效益方面具有較好的優(yōu)勢。

［1］朱裕林.瑞雷波勘探在工程勘察中的應(yīng)用［J］.工程勘察，1991（1）：65－68.

［2］黃嘉正，周鴻秋，關(guān)小平.工程地質(zhì)中瑞雷波法勘探的理論初探［J］.物探與化探，1991（4）：268－277.

［3］楊成林，張朝峰，張家奇，等.瑞雷面波勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

［4］賈貴智.淺論瑞雷波法勘探原理及其應(yīng)用［J］.西部探礦工程，1997（4）：29－30.