瑞雷波法在巖土工程檢測中的作用

吳 及

(貴州省黔水科研測試檢測工程公司，貴陽550002)

0 引 言

巖土工程鐵路和公路路基以及水工建筑物的施工過程中，路基土體和水工建筑物粗粒料密度的檢測常用灌水法或灌砂法，這兩種方法存在檢測速度慢、勞動強度大、對檢測對象存在擾動、影響施工進度等問題［1］。

隨著人們越來越重視巖土工程的探測方法，近年發(fā)展起來的瑞雷波勘探，是一種全新的勘測方法，主要在地質(zhì)的表面進行應(yīng)用。實際上，它發(fā)揮出了瑞雷波自身的特性——頻散，從而對波速和頻率的關(guān)系進行了分析和挖掘，這主要依靠瑞雷面波的作用。

隨著不斷的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，瑞雷波法為巖土工程檢測帶來了很多的便利。

1 瑞雷波法的基本原理

在檢測巖土工程特性時，瑞雷波法有3個與被測地層有關(guān)的主要特征，利用運動學(xué)特征和動力性特征，具體來說，有以下幾個方面:

1)在檢測的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性，正常情況下，只有在分層介質(zhì)中，這種特性才可以表現(xiàn)出來。

面波沿地表傳播波速的頻散現(xiàn)象，反映了與其波長相應(yīng)的深度范圍內(nèi)的地層彈性分布。地層的彈性參數(shù)分布越不均勻，面波頻散的表現(xiàn)也越復(fù)雜。

對于橫向均勻的分層地層，面波表現(xiàn)出可以區(qū)分和識別的頻散特征，從而劃分出不同的地層彈性分層類型［2］。

2)瑞雷波的穿透深度不一樣，是由其波長決定的，波長與穿透的深度息息相關(guān)。

3)在正常情況下，瑞雷波在不同的表層傳播，其厚度不一樣，傳播的速度與其傳播的介質(zhì)有著很大的關(guān)系。當(dāng)瑞雷波的波長相同時，前提是其沿著地表的表面進行傳播。當(dāng)其厚度也一樣時候，波長在傳播過程中的結(jié)果與其在不同的傳播介質(zhì)下的不同的方向傳播，速度都是不同的，這在很大程度上都是由于介質(zhì)不同。因此，波長的情況在某種程度上來說對地質(zhì)情況的勘探發(fā)揮著重要作用。

2 瑞雷波法的分類

關(guān)于瑞雷波的分類，一直以來人們爭論不休。文中僅以激發(fā)瑞雷波震源的情況，將瑞雷波分類，一般來說，有穩(wěn)態(tài)激震法和瞬態(tài)激振法兩種。下面進行具體闡述。

2.1 穩(wěn)態(tài)激振法

穩(wěn)態(tài)法的基本原理如圖1 所示。振動器可以激發(fā)出2 ～9 900 Hz的控頻瑞雷波。確定瑞雷波頻率的準(zhǔn)確性是和頻率的整個數(shù)量的等級有關(guān)的，其頻率的數(shù)量級不同，造成的頻率的精度不一樣。利用相關(guān)的技術(shù)精確瑞雷波頻率，在一般情況下，最高可以達到0.001 Hz［3］。

之所以稱這種方法為穩(wěn)態(tài)激振法，是因為這種振動的穩(wěn)定性的頻率很高，而且它保證了地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性，故而得名。

圖1 穩(wěn)態(tài)法基本原理圖

在一般的地質(zhì)勘測過程中，采用這種方法測試時的工藝比較復(fù)雜，一般情況下，采取的是分頻策略，根據(jù)不同的頻點依次進行勘測。

值得注意的是，穩(wěn)態(tài)法并不是在一開始就是用低頻的方法，而是用高頻勘測的方法，隨著勘測過程的實施和進行，其頻率也會慢慢地變低。

這時候，相應(yīng)的波長也會隨之改變，逐步的開始增加。還有深度也在發(fā)生改變，當(dāng)發(fā)現(xiàn)勘測的值在最大時，說明頻率也就在這一刻結(jié)束了。

2.2 瞬態(tài)激振法

該方法采用錘擊或炸藥震源激發(fā)瑞雷波，在地面按一定方式用垂直速度檢波器接收，并根據(jù)波場的頻散特性，求取VR 速度分布場。瞬態(tài)法現(xiàn)場工作布置如圖2 所示:

圖中M 點為測試點，兩檢波器距離為△x ，△x還應(yīng)滿足下式:

則兩信號的相位差Δφ 滿足:

圖2 瞬態(tài)法現(xiàn)場工作布置圖

由上述圖2 分析可知，隨著勘探深度的增大，即λR 增大，△x 的距離也相應(yīng)的增大。

3 瑞雷波在巖土工程檢測中的作用

中國石化川東北物資供應(yīng)儲備中心為川氣東送指揮部達州基地配套項目，擬建場區(qū)位于四川省達州市西外新區(qū)皂角埡村六組和高峰洞村四組，緊鄰襄渝鐵路和達萬鐵路，在建達萬鐵路連線從場地南側(cè)橫穿而過。

場區(qū)距達州市主城區(qū)約15 km，距達州火車站約8 km，離河市機場約20 km，與達渝高速相隔約16 km，場區(qū)東西寬約277 ～401m，南北長約740 m，占地面積約0.23 km2。

在該項目中選用的是瞬態(tài)瑞雷波法是在激振時產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞雷波，并以復(fù)頻形式傳播?，F(xiàn)場采用縱排列接收瑞雷波，通過現(xiàn)場試驗，根據(jù)場地情況，選擇合適的工作偏移距、道間距、記錄長度、采集間隔等參數(shù)。

本項目測試采用奔騰數(shù)控技術(shù)研究所WZG6 －24 工程數(shù)字地震儀作為現(xiàn)場瑞利面波數(shù)據(jù)采集記錄儀器，處理軟件為SWS 瑞雷波處理軟件包。儀器主要參數(shù)如下:

1)通道數(shù):24 道。

2)采集點數(shù):512、1024、2048 可選。

3)放大器:瞬時浮點放大器。

4)A/D 轉(zhuǎn)換:16 位。

5)動態(tài)范圍:120dB。

6)濾波:帶通、陷波。

7)儀器通頻帶:0.5 ～5 000 Hz。

本次檢測根據(jù)強夯厚度在15 m以內(nèi)這一特點，本次面波測試每點為一個排列，每一排列為12 道，道間距離為2 m，排列長度22 m，采用人工單邊鍾擊激發(fā)采數(shù)。

本次野外現(xiàn)場采數(shù)采用4 Hz面波專用檢波器，根據(jù)現(xiàn)場情況，瑞雷波的激發(fā)使用錘擊震源或落重震源，道間距設(shè)定為2 m、偏移距設(shè)定為6 ～12 m，測試參數(shù)的設(shè)定滿足檢測深度達到進入強風(fēng)化層1 ～2 m要求。

檢測點的布設(shè)首先應(yīng)側(cè)重填方厚度較大區(qū)域，并對N120 動力觸探試驗進行有針對性布點。

瑞雷波在工程檢測中的作用主要分為以下幾方面:

3.1 地層劃分

要想知道不同地層的厚度以及在進行傳播時的彈性波的不同速度，需要解釋一些特殊的變化，即瑞雷波頻散的曲線，明確曲線的意義和發(fā)生變化的性質(zhì)，從而實現(xiàn)對底層的劃分。

3.2 地基加固處理效果評價

在勘測的過程中，需要采取相關(guān)的措施對地基的加固情況進行跟進，一般來說，波速之所以會不同就是因為受到了地基加固的影響，當(dāng)然，這個結(jié)果并不是盲目地獲得，而是需要進行地質(zhì)的勘測，然后就可以分析地基加固之前和加固之后的不同狀況，實際上，在眾多的表現(xiàn)中，其物理學(xué)的性質(zhì)改善的程度最為明顯。

3.3 巖土的物理力學(xué)參數(shù)原位測試

在勘測過程中，巖、土層的S 波速度、P 波速度及密度等參數(shù)的確定與今后的地質(zhì)勘測的關(guān)系息息相關(guān)。這需要相關(guān)的工作人員在進行勘測完成以后，掌握第一手資料，并對資料加以分析，通過對資料的反演解釋，得出相關(guān)的參數(shù)［4］。

3.4 公路、機場跑道質(zhì)量無損檢測

這是高頻瑞雷波的一種應(yīng)用，但是這種瑞雷波需要人為的進行激發(fā)，通過使用可以確定路面的抗折、抗壓強度及路基的載荷能力，以及各結(jié)構(gòu)層厚度。

采取穩(wěn)態(tài)法進行監(jiān)測具有十分重要的意義。近年來，對于機場跑道和公路質(zhì)量的監(jiān)控離不開穩(wěn)態(tài)法的應(yīng)用［5］。

3.5 地下空洞及掩埋物的探測

與一般的勘測結(jié)果相比，通過穩(wěn)態(tài)法進行勘探的優(yōu)點在探測地下空洞和掩埋物時效果十分顯著，只要瑞雷波與地下空洞和掩埋物的深度一樣，頻散的曲線就會發(fā)生不正常的現(xiàn)象。

因此，在地下空洞和掩埋物的發(fā)現(xiàn)上有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

3.6 飽和砂土層的液化判別

根據(jù)一定場地內(nèi)的飽和砂土層的埋深、地下水位的深淺等地質(zhì)條件，可以計算出飽和砂土層的液化臨界波速值。

4 結(jié) 語

瑞雷波既可以在實驗室范圍內(nèi)容易被激發(fā)和接收，還能夠攜帶較多的介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，便于人們分析巖土工程的特性。

瑞雷波是面波的一種，具有傳播速度低、衰減小、抗干擾強等特點，是介質(zhì)中縱波和橫波耦合的結(jié)果。它在介質(zhì)的自由界面附近傳播。沿界面?zhèn)鞑r，其形成與傳播與介質(zhì)的物理特性有關(guān)，絕大部分能量集中在自由表面附近，各介質(zhì)質(zhì)點在垂直于界面的入射面內(nèi)。

其運動的軌跡比較特殊，不僅可以與波的傳播方向一致，還可以在界面中垂直傳播，通過兩股力量的合成，其運動的軌跡呈現(xiàn)出不規(guī)則的圓形的趨勢。在均勻彈性半空間中，瑞雷波的傳播速度為介質(zhì)橫波速度的87% ～95%，與頻率無關(guān)［6］。

在層狀半空間中，瑞雷波傳播的相速度和群速度與頻率息息相關(guān)，之所以瑞雷波能夠在巖土工程中被廣泛的應(yīng)用，是因為它能夠?qū)Φ刭|(zhì)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分析和推測，而這種推測又是建立在瑞雷波的頻散特征的基礎(chǔ)之上的［7］。

綜上所述，瑞雷波是一種經(jīng)濟，快捷有效的檢測手段，在大面積檢測地基加固深度和承載力方面有極大的優(yōu)勢。因此，我們要加強對瑞雷波的研究利用，充分利用其基本原理，正確選用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的方法，從而有效進行巖土工程的檢測，這將具有非常重要的意義。

［1］李勝平，吳杰芳，李聲平. 粗粒料壓實干密度無損檢測試驗研究［J］. 長江科學(xué)院院報，2004(06):45 －46.

［2］何正文，洪寶寧. 基于瞬態(tài)瑞雷波法檢測軟基固結(jié)度［J］.山西建筑，2008(21):32 －33.

［3］肖柏勛. 高模式瑞雷面波及其正反演研究［D］. 長沙:中南大學(xué)，2000.

［4］高玉峰，張健，沈揚. 不同頻率波浪荷載作用下飽和粉土孔隙水壓力特性試驗研究［C］//第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會論文集. 北京:中國力學(xué)學(xué)會巖石力力學(xué)專業(yè)委員會，中國土木工程學(xué)會土力學(xué)及巖土工程分會，2008:8 －9.

［5］耿光旭，李華平，劉金川. 用瑞雷波法探測水庫壩堤質(zhì)量［C］//勘探地球物理2005 學(xué)術(shù)交流會論文集. 臺北:中國地質(zhì)學(xué)會，2005:5 －6.

［6］祁生文，孫進忠，萬志清. 瞬態(tài)瑞雷波勘探方法的一點改進［J］. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2001，20(04):466 －468.

［7］凡友華，劉家琦，韓波. 瑞利面波頻散曲線的理論計算研究［J］. 湖 南 大 學(xué) 學(xué) 報:自 然 科 學(xué) 版，2001，28(03):10 －16.