瞬態(tài)面波法在巖土風(fēng)化分層中的應(yīng)用

李建寧，席超強(qiáng)，丁美青，張平松，吳榮新

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南，232001

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瞬態(tài)面波法在巖土風(fēng)化分層中的應(yīng)用

李建寧，席超強(qiáng)，丁美青，張平松，吳榮新

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南，232001

瞬態(tài)面波法在淺層巖土體分層中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但對(duì)分層特征判定需得到深入研究。利用瑞雷面波在不均勻介質(zhì)中的頻散特性，采用瞬態(tài)面波分析技術(shù)對(duì)淺層風(fēng)化層進(jìn)行探測(cè)，通過重復(fù)激震試驗(yàn)確定特定場(chǎng)地條件下面波法的最佳探測(cè)深度，結(jié)合區(qū)域巖層風(fēng)化面波速度特征進(jìn)行相速度劃分與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，測(cè)區(qū)整體風(fēng)化層厚度約為20m，地層覆蓋較為均勻，部分地區(qū)殘積層較厚，巖土層的分帶特征明顯，結(jié)合鉆孔資料表明該方法在研究區(qū)的探查效果良好。

瞬態(tài)面波；風(fēng)化層；頻散曲線；解釋

淺層巖土風(fēng)化分層作為工程勘察中重要的一項(xiàng)工作，其勘察結(jié)果直接影響著后期開發(fā)施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性。淺層風(fēng)化層結(jié)構(gòu)疏松，極易在邊坡地區(qū)形成大量的原生與次生結(jié)構(gòu)面，使得土體不均勻，在降雨條件下容易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。若工程建筑需要安置在風(fēng)化層上，則存在地基失穩(wěn)、不均勻沉降等安全隱患，因此，在施工前首先需要查明不同風(fēng)化層的厚度，針對(duì)不同風(fēng)化程度與厚度的風(fēng)化層進(jìn)行地基穩(wěn)定性處理。

自1887年英國學(xué)者瑞利從理論上證明了瑞利面波的存在以來，人們?cè)鴮?duì)面波的形成和傳播特征作過許多研究，但是長(zhǎng)期以來，一直認(rèn)為它是地震勘探中的一種干擾波，而忽略了它在其他領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了瑞利面波在表層介質(zhì)中的分布與傳播特征，并利用其頻散特性，將瞬態(tài)面波勘探法應(yīng)用于實(shí)踐，如路基檢測(cè)、巖溶探測(cè)、凍土區(qū)與地基回填等方面，取得了較好的效果[2-7]?？梢?，瞬態(tài)面波法目前在工程實(shí)踐中已得到較為廣泛的應(yīng)用，但在淺層風(fēng)化分層上應(yīng)用研究的成果較少，為此，本文借助工程勘察實(shí)例，將瞬態(tài)面波法應(yīng)用于風(fēng)化層分層工程中，為類似工程應(yīng)用該方法提供參考。

1 多道瞬態(tài)面波勘探技術(shù)

面波是一種在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，且在層狀介質(zhì)中傳播時(shí)具有頻散特性，即不同頻率的面波具有不同的傳播速度，在沿介質(zhì)層面?zhèn)鞑r(shí)，衰減速度較慢，而在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)衰減速度較快。面波傳播時(shí)與土層的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，其傳播速度與剪切波波速基本相近，并且隨土體泊松比的變化不大[8]，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過面波頻散特征分析判斷地下空間的變化。

圖1為瞬態(tài)面波勘探現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖。面波勘探主要有被動(dòng)源法、穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，其中瞬態(tài)面波法因?yàn)榫哂胁僮鞅憬荨⒊杀镜偷葍?yōu)勢(shì)，成為了使用最廣泛的淺層工程勘探方法之一。該方法通常采用錘擊或落重的方式激發(fā)地震信號(hào)，然后通過低頻檢波器接收，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演

圖1 瞬態(tài)面波勘探現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖

可以得到不同測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，再對(duì)各點(diǎn)頻散曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，可以得到測(cè)試場(chǎng)區(qū)的面波速度結(jié)構(gòu)剖面，從而判斷探測(cè)場(chǎng)地內(nèi)地下介質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育和分布情況。

2 研究區(qū)探查與應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

該探查區(qū)為福建泉州地區(qū)水利樞紐改建工程，場(chǎng)地屬于侵蝕性構(gòu)造丘陵地貌，巖土風(fēng)化嚴(yán)重，溝谷切割較為強(qiáng)烈，山勢(shì)較陡，相對(duì)高差較大，地表水排泄通暢。測(cè)區(qū)內(nèi)茶園與樹林交錯(cuò)分布，表面坡殘積層與風(fēng)化層厚度不一，給探測(cè)帶來一定影響。

根據(jù)鉆孔資料，從上至下地層依次為第四系堆積風(fēng)化松散巖層、粉砂巖層、泥巖層、灰?guī)r層等。其中巖土層風(fēng)化分層包括殘積層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層和未風(fēng)化層。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，風(fēng)化層厚度約為20 m。

2.2 探查試驗(yàn)2.2.1 錘擊震源效果

在面波勘探中，要求震源能夠激發(fā)出頻帶范圍較寬并且噪音低的面波。當(dāng)要求探測(cè)深度較大時(shí)，就需要震源能量較大且能激發(fā)足夠的低頻信號(hào)；當(dāng)探測(cè)要求較淺且淺層分辨率要求較高時(shí)，需要以中高頻激發(fā)信號(hào)為主進(jìn)行勘探。

圖2為探區(qū)場(chǎng)地條件下的18磅大錘激發(fā)、4.5 Hz檢波器接收的面波單炮記錄與頻譜，主頻在31 Hz左右，且能量有效頻帶寬可低達(dá)6 Hz左右，從圖上可以看出，記錄中對(duì)低頻信號(hào)的接收較好。低頻區(qū)域能量較高，結(jié)合其面波傳播速度，可得勘探深度達(dá)到25～30 m，說明18磅錘擊震源激發(fā)的頻帶寬足以滿足本次勘察的要求。

圖2 場(chǎng)地條件下的錘擊震源面波信號(hào)

2.2.2 勘探有效深度

為了確定瞬態(tài)面波法在該測(cè)區(qū)的有效探測(cè)深度，研究中進(jìn)行了頻散曲線一致性的試驗(yàn)，即對(duì)同一排列上多次激發(fā)得到的面波數(shù)據(jù)，按資料處理原則處理后進(jìn)行對(duì)比，頻散點(diǎn)離散程度不高即視為有效[9]。試驗(yàn)點(diǎn)選取兩處茶園內(nèi)較平坦處，接收道與震源均布置在平整的軟土上，激發(fā)條件好，有利于低頻信號(hào)的產(chǎn)生。

圖3中(a)(b)分別為兩個(gè)不同地區(qū)的錘擊震源重復(fù)激震所獲得的頻散曲線。可見，圖(a)在深度16 m以上頻散曲線點(diǎn)密集且一致性較高，16～40 m深度處點(diǎn)逐漸稀疏，但一致性仍較高。圖(b)中在深度20 m以上點(diǎn)密集且一致性較高，20～40 m深度處點(diǎn)較為稀疏，且離散程度也不高。由此可見，18磅錘擊震源在該采區(qū)地質(zhì)條件下所采集的面波數(shù)據(jù)，在深度20 m以上時(shí)精確度較高，基本滿足本次勘探

圖3 錘擊震源重復(fù)激震頻散曲線對(duì)比

要求；而在20～40 m深度處的數(shù)據(jù)由于小的頻率變化范圍對(duì)應(yīng)大的深度變化范圍，頻散點(diǎn)逐漸減少，影響了勘探的分辨率，但離散程度不高，仍有一定的可信度。

2.2.3 檢波器效果

在面波勘探中，檢波器是用來接收由震源激發(fā)產(chǎn)生、經(jīng)過地下介質(zhì)傳播的彈性波，并將其傳送記錄在采集儀器中。不同頻率成分的面波信號(hào)會(huì)攜帶有不同勘探深度的信息，而固有頻率不同的檢波器的頻響特性也不同，這對(duì)面波信號(hào)的接收產(chǎn)生影響。通常來說，檢波器的固有頻率越低，它對(duì)低頻信號(hào)的壓制越小，有效勘探深度也就越大；對(duì)高頻信號(hào)的壓制越大，將影響對(duì)表層的分辨率[11-12]。

為分析場(chǎng)地條件下不同檢波器對(duì)面波信號(hào)的響應(yīng)情況，選擇合適頻率的檢波器進(jìn)行面波勘探，選取4.5 Hz、28 Hz檢波器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用18磅大錘震源激發(fā)，結(jié)果表明：28 Hz的檢波器對(duì)低頻信號(hào)的壓制明顯，勘探深度較小，無法達(dá)到本次勘察要求；4.5 Hz檢波器低頻信號(hào)能量強(qiáng)且穩(wěn)定，勘探深度和分辨率滿足要求。綜合以上分析，選取固有頻率較低的4.5 Hz檢波器，如需要淺層高精度資料，可使用28 Hz檢波器進(jìn)行補(bǔ)充采集。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

為了探查工區(qū)巖土分層狀況，在探區(qū)布置了一條面波測(cè)線，采用GenPen SE2404多功能工程地震儀，震源為18磅大錘，檢波器為4.5 Hz低頻檢波器，12道檢波器接收，采用點(diǎn)測(cè)連線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次探測(cè)共完成21個(gè)測(cè)點(diǎn)，所有采集排列均以測(cè)點(diǎn)為中心布置，在排列一端敲擊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集試驗(yàn)，確定0.5 ms采樣間隔，1 m的道間距以及偏移距，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集5炮數(shù)據(jù)，以利于消除干擾和對(duì)比分析，移動(dòng)步距為2 m。

數(shù)據(jù)處理的主要步驟為前期預(yù)處理、頻譜提取與分析、頻散曲線拾取以及后期成圖等。本次數(shù)據(jù)處理采用Geogiga軟件中的面波處理模塊，該模塊的頻散速度計(jì)算方法主要為F-K法和相位差法。F-K法主要是利用二維傅里葉變換，將時(shí)間-空間域轉(zhuǎn)換成頻率-速度域、頻率-波速域以及頻率-慢度域，采用這種方法進(jìn)行速度分析，相速度穩(wěn)定，抗噪音能力強(qiáng)。

2.4 風(fēng)化分層解釋

根據(jù)鉆孔資料以及以往勘察經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)巖土地質(zhì)條件以及《巖土工程勘察規(guī)范》地方標(biāo)準(zhǔn)，建立各地層與面波速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系：(1)殘積層以腐殖土和碎石土為主，抗剪強(qiáng)度較低，面波速度約為50～250 m/s；(2)強(qiáng)風(fēng)化層抗剪強(qiáng)度較低，面波速度約為250～350 m/s；(3)中風(fēng)化層的面波速度約為350～500 m/s；(4)弱、未風(fēng)化層基巖介質(zhì)穩(wěn)定，面波速度大于500 m/s。在面波測(cè)點(diǎn)速度剖面上，垂向上的速度差異主要是巖土層介質(zhì)變化，具體表現(xiàn)為從上到下波速逐漸變大，而水平方向的速度差異主要為地層的起伏和人工采集產(chǎn)生的誤差。

對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行整理，并選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)制成面波解釋柱狀圖(圖4)，其中測(cè)點(diǎn)AK63+815高程為301.45 m，殘積層、強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層厚度分別約為6.0、7.9、6.1 m；測(cè)點(diǎn)AK65+555高程為279.98 m，殘積層、強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層厚度分別約為4.2、4.2、8.5 m；測(cè)點(diǎn)AK66+225高程為284.39 m，殘積層、強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層厚度分別約為5.5、6、5 m。

圖4 單點(diǎn)面波解釋柱狀圖

圖5為對(duì)各測(cè)點(diǎn)反演分析結(jié)果進(jìn)行處理所生成的測(cè)點(diǎn)連線剖面圖。從圖5可以看出，面波整體呈現(xiàn)出速度隨深度的增加而不斷加大的特征，綜合測(cè)點(diǎn)解釋柱狀圖分析，測(cè)點(diǎn)經(jīng)過地段殘積層厚度為4～9 m，且大部分測(cè)點(diǎn)厚度集中在6 m左右，變化不均勻，主要成分為第四系堆積土和一定厚度的腐殖層；強(qiáng)風(fēng)化層厚度為3～9 m，大部分測(cè)點(diǎn)厚度為5 m左右，為侏羅系上統(tǒng)長(zhǎng)林組的風(fēng)化巖層，主要為凝灰質(zhì)礫砂巖、角礫凝灰?guī)r和流紋質(zhì)凝灰熔巖，風(fēng)化后呈現(xiàn)土黃色和淺灰色，較為松散，力學(xué)強(qiáng)度低；中風(fēng)化層厚度為4～11 m，大部分測(cè)點(diǎn)厚度集中在5 m左右，主要成分為細(xì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以及部分硅質(zhì)巖和燧石灰?guī)r；未風(fēng)化基巖面大部分位于20 m以下，主要由石英斑巖、凝灰?guī)r以及部分細(xì)砂巖及層狀灰?guī)r組成，介質(zhì)穩(wěn)定且分布均勻。測(cè)線整體風(fēng)化層厚度約為20 m，個(gè)別測(cè)點(diǎn)處達(dá)到25 m以上，地層覆蓋較為均勻，部分地區(qū)表層堆積土較厚。將以上各點(diǎn)的勘探結(jié)果與該地區(qū)的鉆孔資料圖相對(duì)比，可知波速在500 m/s以下的風(fēng)化層勘探結(jié)果較為理想。

圖5 面波測(cè)點(diǎn)連線剖面圖

3 結(jié)束語

面波勘探經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，在實(shí)踐應(yīng)用中已較為成熟，且有成本低、采集便捷等特點(diǎn)，已逐漸成為一種常用的地球物理勘探新方法。前期錘擊震源試驗(yàn)與重復(fù)激震試驗(yàn)表明：18磅大錘激發(fā)能量滿足本次巖土風(fēng)化分層勘察要求，勘探準(zhǔn)確深度在15～20 m之間，而根據(jù)區(qū)域巖層風(fēng)化面波速度特征劃分所獲得的測(cè)點(diǎn)連線剖面解釋圖，可知整體風(fēng)化層厚度在20 m左右，風(fēng)化層波速在500 m/s以下，其中各層位的劃分與后期的鉆孔資料對(duì)比較為吻合，說明瞬態(tài)面波法在巖土風(fēng)化分層勘測(cè)中有效、可靠。但在對(duì)風(fēng)化巖層的分層勘探中，仍需注意以下幾個(gè)方面：

(1)面波法在錘擊震源條件下的準(zhǔn)確勘探深度在15～20 m之間，且在不同的地質(zhì)條件下探測(cè)精度存在差異，在20～40 m內(nèi)的頻散曲線的點(diǎn)變得稀疏，雖然數(shù)據(jù)仍有一定的可靠性，但分辨率逐漸降低，且受后期處理時(shí)人為拾取頻散點(diǎn)的影響，因此應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。

(2)在進(jìn)行風(fēng)化分層結(jié)果解釋時(shí)，應(yīng)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件、地層巖性特征和鉆探數(shù)據(jù)等資料，建立準(zhǔn)確的面波速度模型，才能保證后期分層解釋的準(zhǔn)確性。

(3)瞬態(tài)面波勘探法無論是在理論研究還是實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的局限性，如探勘分辨率較低、后期結(jié)果多解性等問題，都影響著勘探的結(jié)果，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要與鉆孔資料以及其他勘探方法相互印證，才能保證后期結(jié)果的有效性。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.04.034

2017-01-26

李建寧(1992-)，江蘇南京人，在讀碩士研究生，研究方向：工程與環(huán)境地球物理。

P631

A

1673-2006(2017)04-0121-04