面波法波速測(cè)試在巖土工程勘察中的應(yīng)用

【摘要】本文簡(jiǎn)述了面波法波速測(cè)試方法的工作原理、現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和資料分析過(guò)程。運(yùn)用工程實(shí)例說(shuō)明了面波法波速測(cè)試技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用和效果。

【關(guān)鍵詞】波速測(cè)試技術(shù)；瑞雷面波；頻散曲線(xiàn)

面波法波速測(cè)試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術(shù)的一個(gè)分支，目前已廣泛應(yīng)用于第四系地層的劃分，地基處理效果評(píng)價(jià)探測(cè)地下空洞，評(píng)價(jià)飽和砂土的液化，計(jì)算各種彈性動(dòng)力參數(shù)，評(píng)價(jià)地基的承載力等，并取得了良好的應(yīng)用效果。

一般來(lái)說(shuō)，面波法波速測(cè)試可原位測(cè)定瑞雷面波（R波）在巖（土）體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測(cè)試所帶來(lái)的誤差，它能有效地解決許多地質(zhì)問(wèn)題，諸如確定建筑場(chǎng)地類(lèi)別能快速、經(jīng)濟(jì)的對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分層，并給出每層的剪切波速度等；并可計(jì)算工程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)剪切模量、動(dòng)彈性模量等。

1、面波基本原理及工作方法

1.1基本原理

面波（瑞雷面波）和折射波法、反射波法一樣，它也是利用彈性波場(chǎng)特征進(jìn)行勘探，只不過(guò)面波波場(chǎng)特征與體波有較大區(qū)別。在相同的介質(zhì)中，縱波波速最快，橫波次之，面波最慢。在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）與P波干涉形成的，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為λR（R波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。

面波勘探是按照測(cè)網(wǎng)的布置，在測(cè)點(diǎn)上逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)地質(zhì)任務(wù)和勘探深度的要求，測(cè)得一條頻散曲線(xiàn)，利用頻散曲線(xiàn)的速度進(jìn)行分層、計(jì)算有關(guān)參數(shù)等，從而達(dá)到巖土工程勘察之目的。

1.2基本工作方法

在外業(yè)工作正式開(kāi)展之前，首先在測(cè)區(qū)平坦地帶上做展開(kāi)排列試驗(yàn)工作，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干擾波調(diào)查，識(shí)別地層的各種地震波列信號(hào)特征，確定測(cè)試方法的觀測(cè)系統(tǒng)及參數(shù)。

在實(shí)測(cè)工作中，一般把檢波器對(duì)稱(chēng)埋置在勘探點(diǎn)的兩側(cè)，震源點(diǎn)和檢波器應(yīng)布置在同一條直線(xiàn)上，并在排列兩側(cè)激振。

2、應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

廣西某基地住宅樓正處于施工圖設(shè)計(jì)階段，物探任務(wù)為通過(guò)面波（場(chǎng)地土剪切波速）測(cè)試，對(duì)該建筑場(chǎng)地類(lèi)別做出判別。根據(jù)地質(zhì)資料揭示，場(chǎng)地土層主要為第四系人工堆積層（Qml）及中更新統(tǒng)沖積層（Qal），下伏基巖為第三系南湖組（En），主要為泥巖，局部夾有薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)地平整后，地基巖土主要為風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。巖土層間具有一定的波速差異，具備瑞利波勘探的地球物理?xiàng)l件。

2.2工作方法

在測(cè)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)勘探鉆孔處共布置了3個(gè)面波測(cè)試點(diǎn)（如圖2.2-1），采用了12道4Hz檢波器接收，道間距為2m，偏移距為10m～30m，采樣間隔為0.25ms～1ms，錘擊激發(fā)方式，用10.88kg大錘直接錘擊厚木板激發(fā)。

面波勘探工作使用了重慶水電物探研究所研制的SWS-3型工程勘探與工程檢測(cè)儀。

2.3資料整理與解釋

資料分析和解釋使用SWS處理軟件，通過(guò)對(duì)頻散曲線(xiàn)進(jìn)行定量解釋?zhuān)玫矫娌碧近c(diǎn)處的各地層的厚度及剪切波速度，根據(jù)剪切波速平均值與覆蓋層平均厚度的情況來(lái)確定建筑場(chǎng)地類(lèi)別。圖2.3-1～圖2.3-3為面波頻散曲線(xiàn)波速計(jì)算分層成果圖。根據(jù)頻散曲線(xiàn)特征，把地層分為6-9個(gè)波速層。

2.4成果分析

由面波頻散曲線(xiàn)波速計(jì)算分層成果，并把面波換算成剪切波，對(duì)場(chǎng)地土進(jìn)行剪切波速度統(tǒng)計(jì)，剪切波速度加權(quán)平均值計(jì)算公式如下：

Vse=d0/t

式中：

Vse——土層等效剪切波速（m/s）

t——剪切波從地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間

d0——計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值，其中覆蓋層的厚度按地面至剪切波速大于500m/s的地層頂面的距離確定

di——計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土層厚度（m）

Vsi——計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土層的剪切波速度（m/s）

n——計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)

計(jì)算成果見(jiàn)表2.4。

2.5結(jié)論

通過(guò)對(duì)擬建建筑物場(chǎng)地土的剪切波速測(cè)試，提供以下結(jié)論：

在測(cè)試范圍內(nèi)覆蓋層的等效剪切波速平均值為309m/s根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）表4.1.6，本場(chǎng)地屬Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

3、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)踐面波勘探可以得出如下幾點(diǎn)：

（1）面波勘探提高了工作效率，可以解決如探測(cè)建筑樁基根部埋深，高速路無(wú)損檢測(cè)、探測(cè)地下空洞等地質(zhì)問(wèn)題，很好的為地質(zhì)和設(shè)計(jì)服務(wù)。

（2）面波勘探在進(jìn)行深部探測(cè)時(shí)，由于震源能量傳播的問(wèn)題，使得頻散曲線(xiàn)深部信息量少，從而降低了深部解釋的精度，影響了勘探效果。

（3）面波勘探和折射波法、反射波法相比，具有效率高，資料處理相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在能量傳播的問(wèn)題和數(shù)據(jù)處理方法有待提高。