淺談瑞雷波法在巖土工程檢測(cè)中的應(yīng)用

李明

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心　重慶　渝中　400017）

淺談瑞雷波法在巖土工程檢測(cè)中的應(yīng)用

李明

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心重慶渝中400017）

新時(shí)期，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于瑞雷波法的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)步，為工程檢測(cè)解決了很多難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，瑞雷波法與力學(xué)性質(zhì)以及不同的波長(zhǎng)的傳播介質(zhì)密切相關(guān)。通過(guò)該方法進(jìn)行傳播，對(duì)其本身的頻散性進(jìn)行分析、利用，能夠在巖土工程檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。對(duì)此，本文將詳細(xì)探究瑞雷波法在巖土工程檢測(cè)中的應(yīng)用。

瑞雷波法；巖土工程檢測(cè)；應(yīng)用

引言

在工程實(shí)際勘測(cè)過(guò)程中，巖體的密實(shí)程度、承載能力以及巖土體的物理學(xué)性能與應(yīng)力波的傳播特性存在著較大的相關(guān)性，由此可以將瑞雷波的傳播速度作為指標(biāo)，對(duì)巖土工程填土密實(shí)程度、路基承載能力以及施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1　瞬態(tài)瑞雷波的特點(diǎn)及測(cè)試原理

1.1瑞雷波的特點(diǎn)

瑞雷波的能量很高，約占全部波動(dòng)能量的60～70%，并且其主要能量都集中在0.8λR（λR為瑞雷波波長(zhǎng)）深度內(nèi)。當(dāng)瑞雷波的波動(dòng)傳播到一個(gè)波長(zhǎng)深度時(shí)，能量就會(huì)被全部衰減。通常情況下，波的頻率成分會(huì)直接影響瑞雷波測(cè)試深度，對(duì)此，可以通過(guò)控制頻率測(cè)定不同深度介質(zhì)的平均速度VR。

1.2瞬態(tài)瑞雷波測(cè)試原理

瑞雷波勘探可以根據(jù)激勵(lì)方式的不同分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種方法，其中瞬態(tài)瑞雷波法又被稱(chēng)為表面波頻譜分析法，簡(jiǎn)記為SASW法。瞬態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法的區(qū)別在于震源不同，前者是在地面上產(chǎn)生一瞬時(shí)沖擊力，生成一定頻率范圍的瑞雷波，而后者則產(chǎn)生單一頻率的瑞雷波。

瑞雷波主要具有以下主要特性：

（1）當(dāng)瑞雷波在自由表面附近傳播時(shí)，在波傳播方向的垂直面上，質(zhì)點(diǎn)會(huì)不斷發(fā)生振動(dòng)，并且隨著傳播深度的增加，振幅會(huì)越來(lái)越小，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡在波的傳播方向上作順時(shí)針或逆時(shí)針的橢圓運(yùn)動(dòng)；

（2）瑞雷波大部分能量損失在1/2波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)，這說(shuō)明某一波長(zhǎng)的波速主要與深度小于1/2波長(zhǎng)的地層物性有關(guān)；

（3）在均勻介質(zhì)中，瑞雷波并不具備頻散特性，但是在多層非均勻介質(zhì)中，瑞雷波卻具有明顯的頻散特性，瑞雷波沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個(gè)波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映出不同深度的地質(zhì)情況。

2　瑞雷波的主要檢測(cè)方法

2.1穩(wěn)態(tài)法

圖1為穩(wěn)態(tài)瑞雷波的勘探原理示意圖，當(dāng)激振器在地面上施加相應(yīng)頻率的簡(jiǎn)諧豎向激振的情況下，該頻率下的瑞雷波是以一定的方向沿著表層進(jìn)行傳播的，通過(guò)設(shè)置在地面上的檢波器，能夠?qū)ο噜徣鹄撞ǖ耐辔粫r(shí)間差△t進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)公式VR=△x/△t，計(jì)算出瑞雷波的傳播速度。如果相應(yīng)的改變地面激振器的振動(dòng)頻率，就能夠測(cè)算出當(dāng)前頻率下的VR值。根據(jù)此項(xiàng)原則，如果將振動(dòng)器的振動(dòng)頻率設(shè)置為從高到低的逐步變化，就會(huì)相應(yīng)的得出一條不同頻率下的瑞雷波傳播速度曲線。

圖1　穩(wěn)態(tài)法原理示意圖

對(duì)于穩(wěn)態(tài)瑞雷波來(lái)說(shuō)，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠采用較低的頻率，從而進(jìn)行較大深度的巖土工程勘測(cè)。另外，從對(duì)各頻點(diǎn)資料的實(shí)測(cè)過(guò)程分析來(lái)看，其同樣也具有著施工速度較慢、施工效率較低的特點(diǎn)，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)穩(wěn)態(tài)瑞雷波是屬于彈波的應(yīng)用范疇，但是與瞬態(tài)法不同的是，穩(wěn)態(tài)瑞雷波探測(cè)需要配置相應(yīng)的激振系統(tǒng)，而瞬態(tài)法則需配備具有較強(qiáng)信號(hào)處理功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.2瞬態(tài)法

圖2為瞬態(tài)法的勘探原理示意圖，相對(duì)于穩(wěn)態(tài)法來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)法主要是采用在地面上造成瞬間的沖擊力，從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率范圍的瑞雷波，并通過(guò)不同頻率的瑞雷波相互疊加，最終以脈沖的形式向前傳播。與穩(wěn)定法不同的是，瞬態(tài)法所記錄的信號(hào)要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的頻譜分析，才能將不同頻率的瑞雷波區(qū)分開(kāi)來(lái)，最終得出一條不同頻率下的瑞雷波傳播速度曲線。瞬態(tài)法具有著儀器設(shè)備較為輕便、施工速度相對(duì)較快的優(yōu)勢(shì)，但是在當(dāng)前應(yīng)用過(guò)程中，其所亟需解決的問(wèn)題是如何通過(guò)低頻率信號(hào)的激發(fā)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其勘測(cè)深度。

瞬態(tài)瑞雷波主要是一種在地面上一點(diǎn)激發(fā)出不同頻率的瞬態(tài)瑞雷波，在沿著地面表層傳播的過(guò)程中，其同一頻率的波長(zhǎng)傳播特性能夠有效的反應(yīng)出巖土地介質(zhì)在水平方向上的變化情況，而不同頻率的傳播特性則是對(duì)介質(zhì)深度變化情況的有效反應(yīng)。瞬態(tài)瑞雷波法的最佳探測(cè)深度為30m以?xún)?nèi)，其橫向分辨率主要取決于采樣點(diǎn)的距離，為了提升縱向的分辨率，可以采用增加相應(yīng)的低頻成分的方法。

3　瑞雷波測(cè)試在巖土工程中的應(yīng)用實(shí)例

某巖土工程場(chǎng)區(qū)主城區(qū)約15km，距火車(chē)站約8km，離機(jī)場(chǎng)約20km，與高速相隔約16km，場(chǎng)區(qū)東西寬約277～401m，南北長(zhǎng)約740m，占地面積約0.23km2。

圖2　瞬態(tài)瑞雷波產(chǎn)生頻率

該項(xiàng)目采用的瞬態(tài)瑞雷波法是在激振時(shí)，產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞雷波，并以復(fù)頻形式傳播?？睖y(cè)現(xiàn)場(chǎng)采用縱排列接收瑞雷波，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)試驗(yàn)，并結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析，選擇合適的采集間隔、道間距、記錄長(zhǎng)度、偏移距等參數(shù)。

該巖土工程勘測(cè)選用的現(xiàn)場(chǎng)瑞利面波數(shù)據(jù)采集記錄儀器為WZG6-24土程數(shù)字地震儀，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(diǎn)數(shù)：512，1024，2048可選；

（3）放大器：瞬時(shí)一浮點(diǎn)放大器；

（4）A/D轉(zhuǎn)換：16位；

（5）動(dòng)態(tài)范圍：120dB；

（6）濾波：帶通、陷波；

（7）儀器通頻帶：0.5～5000Hz。

根據(jù)對(duì)該工程的實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯厚度在15m以?xún)?nèi)，因此，本次面波測(cè)試每點(diǎn)為一個(gè)排列，每一排列為12道，道間距離設(shè)置為2.5m，排列長(zhǎng)度21m，并且采用人土單邊錘擊激發(fā)采數(shù)。

對(duì)于該巖土工程勘察，現(xiàn)場(chǎng)采數(shù)方面應(yīng)用4Hz面波令用檢波器，并且根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)于瑞雷波的激發(fā)可以使用錘擊震源或落重震源，道間距設(shè)定為2.3m、偏移距設(shè)定為8m左右，對(duì)于測(cè)試參數(shù)的設(shè)定，必須保證檢測(cè)深度達(dá)到進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層1～2m要求。

對(duì)于檢測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，應(yīng)該盡量選擇填方厚度較大的區(qū)域，另外還應(yīng)該對(duì)N120動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行有針對(duì)性布點(diǎn)。

瑞雷波在巖土工程中的檢測(cè)作用主要有以下幾點(diǎn)：

3.1地層劃分

為了明確不同地層的厚度以及波在傳播時(shí)的速度，必須合理的解釋一些特殊變化，即瑞波頻散的曲線，只有明確曲線的意義，才能對(duì)底層進(jìn)行有效劃分。

3.2地基加固處理效果評(píng)價(jià)

在巖土工程實(shí)際勘測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)相應(yīng)的措施對(duì)地基的加固情況進(jìn)行持續(xù)跟進(jìn)。通常情況下，波速的不同主要是因?yàn)槭艿搅说鼗庸痰挠绊?，而這一結(jié)果需要進(jìn)行科學(xué)合理的地質(zhì)勘測(cè)才能獲得，通過(guò)測(cè)試結(jié)果，能夠詳細(xì)分析地基加固之前和加固之后的不同狀況。在實(shí)際應(yīng)用中，其物理學(xué)的性質(zhì)改善的程度一般是顯而易見(jiàn)的。

3.3巖土的物理力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試

在巖土工程實(shí)際勘測(cè)過(guò)程中，確定巖土層的S波速度、P波速度及密度等參數(shù)至關(guān)重要，與地質(zhì)勘測(cè)密切相關(guān)。因此，工作人員在完成勘測(cè)后，應(yīng)該立即掌握第一手勘測(cè)資料，并且對(duì)勘測(cè)資料進(jìn)行詳細(xì)分析和反演解釋?zhuān)罱K得出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

這是高頻瑞雷波的一種應(yīng)用形式，但是此類(lèi)瑞雷波需要經(jīng)過(guò)人為激發(fā)，使用該種高頻瑞雷波，能夠快速、準(zhǔn)確的確定路面的抗折、抗壓強(qiáng)度，路基的載荷能力，以及各結(jié)構(gòu)層厚度。除此以外，采取穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。近年來(lái)，對(duì)于機(jī)場(chǎng)跑道以及公路質(zhì)量的監(jiān)控離不開(kāi)穩(wěn)態(tài)法的支持。

3.5地下空洞及掩埋物的探測(cè)

與傳統(tǒng)的勘探方法相比，采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行勘探優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在對(duì)于掩埋物以及地下空洞的勘探方面效果十分顯著，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(huì)發(fā)生不正常的現(xiàn)象。因此，瑞雷波法在地下空洞和掩埋物的勘測(cè)上具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3.6飽和砂土層的液化判別

根據(jù)一定場(chǎng)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(jì)算出飽和砂土層的液化臨界波速值。

4　結(jié)語(yǔ)

瑞雷波法具有著傳播速度低、傳播過(guò)程中衰減較小且抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種具有經(jīng)濟(jì)性和快捷性的檢測(cè)手段。將瑞雷波法應(yīng)用于巖土工程勘測(cè)中，主要是因?yàn)槠淠軌驊{借著頻散特征對(duì)巖土工程的地質(zhì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和推測(cè)，并在地基加固深度以及承載力的大面積檢測(cè)方面有較為獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠大大提升巖土工程檢測(cè)的效率。

[1]馮彥東.瞬態(tài)瑞雷波法在建筑場(chǎng)地類(lèi)型及類(lèi)別勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014（01）：56～57.

[2]榮強(qiáng)，張巍.瞬態(tài)瑞雷波法在三座店水利樞紐工程中的應(yīng)用[J].科技視界，2012（09）：14～15.

[3]賈男.巖土工程勘察質(zhì)量控制分析[J].民營(yíng)科技，2015（07）：76～77.

TU195

A

1673-0038（2015）43-0178-02

2015-10-3

李明（1971-），女，中級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事巖土工程檢測(cè)工作。