瞬態(tài)瑞利面波技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

張海云

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春130026;2.吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院,吉林長春130011）

瞬態(tài)瑞利面波技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

張海云*1,2

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春130026;2.吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院,吉林長春130011）

介紹了瞬態(tài)面波勘探技術(shù)的工作原理與工作方法，并結(jié)合工程實例，分析了其在巖土工程勘察中的應(yīng)用效果。通過瞬態(tài)面波法測試，準(zhǔn)確地勘探出濕地公園地層內(nèi)鋼渣的厚度和范圍，與鉆探勘探結(jié)果基本一致，提高了勘察效率，為盾構(gòu)的順利穿越濕地公園場地提供了鋼渣層的工程物性依據(jù)。

瞬態(tài)面波；工程勘察；波速

瑞利面波勘探技術(shù)是一種新的淺層地震勘探方法，瑞利波具有能量強、易于激發(fā)與識別、不受地層速度影響和層狀介質(zhì)中瑞利面波的傳播具有頻散特性的優(yōu)點，為其應(yīng)用于淺層地震勘探、結(jié)果定量解釋提供了依據(jù)[1-2]。面波勘探技術(shù)可按激振震源形式的不同可分為：穩(wěn)態(tài)激振、瞬態(tài)激振、天然面波[3]。穩(wěn)態(tài)激振法測定設(shè)備復(fù)雜，重量大，且測定時間長，工作量較大，對大面積測試工程不利；而瞬態(tài)激振較之于穩(wěn)態(tài)激振，設(shè)備輕便，測試速度快，對地層適應(yīng)性好；天然面波法則目前國內(nèi)外學(xué)者已在研究。近年來，計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)發(fā)展迅速，瞬態(tài)瑞利面波勘探技術(shù)相關(guān)的軟件和硬件不斷發(fā)展、改進和完善，已逐漸被廣泛應(yīng)用于巖土工程各領(lǐng)域的工程實踐中，如巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測等等，取得的社會效益和經(jīng)濟效益也非?？捎^。

1 勘探原理

1.1 面波特性

在半無限彈性介質(zhì)表面，由于橫波（P波）和縱波（S波）相互干擾形成了面波，面波是一種沿地表傳播的波，傳播過程中其質(zhì)點的運動軌跡基本呈橢圓形，長軸沿鉛垂方向，與傳播方向呈反向滾動。波在地層傳播的過程中，其能量基本上在一個波長深度范圍內(nèi)衰減殆盡。當(dāng)深度超過一個波長λR時，振幅趨于零[3]。故瑞利波的測試最大有效深度范圍不會超過一個波長λR。因此，激振產(chǎn)生一定頻率的瑞利波后，在地層中傳播的波速代表的是一個波長范圍深度內(nèi)的平均波速。但是由于面波的水平和垂直振幅從彈性介質(zhì)的表面向內(nèi)部呈指數(shù)減小，面波傳遞大部分能量損失在1/2λR的深度范圍內(nèi)，因此，某一波長的波速主要與深度小于1/2λR的地層物性有關(guān)[4]。

1.2 基本原理

瞬態(tài)瑞利面波測試其本質(zhì)就是通過激振產(chǎn)生振動波，從而獲得地層的平均波速，反映地層的工程物性。在地表錘擊或落錘激振后，產(chǎn)生一定頻率范圍瑞利面波，測定不同頻率情況下地層的瑞利波平均波速，然后由瑞利波波速計算橫波的波速，從而來評價巖土體的相關(guān)工程性質(zhì)。

無限空間中彈性介質(zhì)橫波Vs的波速為：

式中：E——彈性模量，MPa；

ρ——密度，kg/m3；

μ——泊松比。對于一般的土而言，泊松比μ介于0.45～0.49之間。

通過瑞利波波動方程可得出瑞利面波和橫波波速之間的關(guān)系[5]：

若通過錘擊后產(chǎn)生的瑞利面波的波速為VR，激振產(chǎn)生的頻率為f，如前面波物性特點所述，所測定的波速代表的是測試場地內(nèi)1/2波長深度內(nèi)的平均的面波波速，反映的當(dāng)然基本也是該深度內(nèi)的地層的工程物性，即測試深度為H=λR/2=VR/2f。因此，錘擊激振產(chǎn)生的頻率越高，則λR越小，代表所測試的深度也就越淺。

反之，頻率越低，λR越長，勘探深度H越深，因此，兩個觀測點之間的距離L要隨著波長的改變而改變。若勘探較深范圍內(nèi)的巖土體狀況，為測得較為準(zhǔn)確的相位，一般選用低頻震動，此時，觀測點距離L相對較大。對于勘探深度較淺的高頻來說L要變小。

2 瞬態(tài)瑞利波勘探工作方法

2.1 測試方法

圖1 瞬態(tài)面波法測試原理示意圖

一般，瞬態(tài)瑞利波淺層測試可采用錘擊震源，重錘敲擊大底面積木板；深層測試時，可采用落錘高速沖擊底面積較小的物體激振，產(chǎn)生低頻振動。如圖1所示，在地表等間距布置N個檢波器，設(shè)間距為ΔX。重錘或落錘沖擊地面激振，形成瞬態(tài)的垂直脈沖信號。檢波器接收到震源振動經(jīng)地層傳過來的脈沖信號，通過導(dǎo)線將采集過來的信號傳遞給采集分析系統(tǒng)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，傳給計算機。通過計算機軟件對采集的面波波形進行分析，顯示瑞利波在N個檢波器之間，測線長度為(N-1)ΔX的傳播過程，并計算瑞利波的波速，得到面波頻散曲線。

測試時，根據(jù)實踐經(jīng)驗，一般λR/3＜ΔX＜2λR，間距較為合適。即最少2個波長范圍內(nèi)布置一個采樣點，最多不超過3個。檢波器采樣間距的布置還應(yīng)根據(jù)儀器的分辨率和場地的實際情況，按濾波原則和測試深度要求適當(dāng)調(diào)整。

若激振產(chǎn)生的瑞利面波頻率為f，經(jīng)過測線范圍內(nèi)兩相鄰檢波器拾振記錄的時間相差Δt，設(shè)兩檢波器拾到的面波相位差為Δφ，可以求得這2個檢波器間距ΔX內(nèi)頻率為f的瑞利波的波速VR為：

則N個檢波器范圍內(nèi)的平均速度為：

時間差Δt可通過儀器記錄下來，且可以根據(jù)實際需要調(diào)整，信號分析處理后可以得到相位差Δφ，因此，通過多次不同頻率的試驗，求得同一地段不同頻率的VR值，即可得到VR-f頻散曲線。

初始測試時，初設(shè)間隔ΔX=0.5m，此時，探測深度較淺，測出的瑞利波波速僅反映靠近地表附近的工程性質(zhì)，隨后，間距可逐步擴大，1m、2m、4m、…，擴大程度視探測深度而定。

2.2 激發(fā)與接收

一般來說，淺層探測（0.5～10m）時，ΔX設(shè)置較小的間距，得到高頻信號，用高頻檢波器（28～100Hz）接收；深部探測（20～40m）時，ΔX設(shè)置成較大的間距，產(chǎn)生低頻震動，用低頻檢波器（4或10Hz）接收。增大間距ΔX，檢波器可以接收到更多的低頻信號成分，也就能反映更深地層的工程性質(zhì)。測深20m以內(nèi)，一般用重錘（10kg左右）敲擊木板；測深20～40m，則可采用落錘。儀器現(xiàn)場通過計算機軟件得到時域和頻域圖形，并可現(xiàn)場處理存盤。

3 工程實例

3.1 工程概況

上海市某過江（黃浦江）隧道經(jīng)過某濕地公園，采用盾構(gòu)法施工。濕地公園下地層埋存有大量的厚鋼渣，據(jù)初步調(diào)查，其厚度大于4m。鋼渣層存在膨脹效應(yīng)和粉化效應(yīng)，有可能導(dǎo)致地基土的不均勻的豎向和水平脹縮變形，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成位移、開裂，甚至破壞。因此，勘察時必須探明濕地公園內(nèi)盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)鋼渣層的深度和范圍，以保證盾構(gòu)施工的順利完成。

3.2 測試結(jié)果

沿盾構(gòu)施工方向布置測線。通過測試發(fā)現(xiàn)面波存在明顯速度變化層位，高程在-7～-17m左右，埋深在15～23m左右推斷為鋼渣層底界面，向下2～8m推斷為鋼渣層下部土體壓實后的速度過渡帶（鋼渣在土層中分解，鐵離子及其他金屬離子滲透到下部土體中），其中中間井6+800處深度約15m處速度變化較明顯，推斷為鋼渣底埋深。鋼渣埋深最大處位于6+990～7+ 150段。

在瞬態(tài)面波法測試結(jié)束后，對該場地進行了鉆探取樣，通過取樣結(jié)果來看，鋼渣層的埋藏范圍和深度基本與測試結(jié)果一致。

4 結(jié)語

（1）通過瞬態(tài)面波法測試，準(zhǔn)確地勘探出濕地公園地層內(nèi)鋼渣的厚度和范圍，與鉆探取樣的結(jié)果一致。瞬態(tài)面波法測試提高了勘察效率，且為盾構(gòu)的順利穿越濕地公園場地提供了鋼渣層的深度和工程物性依據(jù)。

（2）瞬態(tài)面波法測試較之于巖土工程勘察其它測試手段，測試簡單、快捷、直觀，成果較精確可靠，縮短了勘察時間。

[1]李永東,趙占廠,姜躍東.多道瞬態(tài)面波技術(shù)在賽白高速工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù),2011(3):56-58.

[2]苗宇寬.瞬態(tài)瑞雷面波勘探技術(shù)在工程勘察評價中的應(yīng)用[J].地質(zhì)找礦論叢,2006(增刊):178-180.

[3]曹樂輝,左國青,陳程,舒志平.瞬態(tài)面波勘探在建筑地基勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2012,9(2)：184-187.

[4]林萬順.多道瞬態(tài)面波技術(shù)在水利及巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察,2000(4):38-40.

[5]曹圣華,楊曉東,朱正坤,雷霄.瑞利面波法用于軟土地基勘察的試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,31(4):419-423.

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1004-5716(2015)05-0011-03

2014-05-16

2014-05-19

張海云（1981-），男（漢族），廣西桂林人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察與施工工作。