工程地質(zhì)中瑞利波法勘探的理論與實(shí)踐分析

吳遠(yuǎn)震

摘 要：瑞利波法是工程地質(zhì)勘探中的常用方法，對于一些復(fù)雜地質(zhì)條件的工程勘探任務(wù)，瑞利波法能夠取得較好的勘探效果，準(zhǔn)確反映工程地質(zhì)力學(xué)特征。文章首先對瑞利波法的勘探理論基礎(chǔ)進(jìn)行介紹，包括瑞利波介質(zhì)傳播特點(diǎn)以及瑞利波法的基本應(yīng)用方法等。在此基礎(chǔ)上，對瑞利波法在工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行研究，結(jié)合工程案例，探討其應(yīng)用流程。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì);瑞利波法;地質(zhì)勘探

中圖分類號：TU195 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0153-02

地質(zhì)勘探工作在各類工程建設(shè)活動中占有重要地位，需要根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，對施工場地條件、建筑基礎(chǔ)狀況等進(jìn)行評價，從而為施工技術(shù)方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。如果在地質(zhì)勘探過程中出現(xiàn)較大誤差，則容易引發(fā)施工安全問題，還會造成較大的成本浪費(fèi)。瑞利波法在工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用，有利于提高地質(zhì)勘探結(jié)果的可靠性。

1 工程地質(zhì)中瑞利波法勘探的理論

如圖1、圖2所示，瑞利波勘探技術(shù)與其他的勘探技術(shù)相似，在采集野外資料的過程中，不可能只接收或者產(chǎn)生一種波。但是，瑞利波會將其它的干擾波一起收集，不會消除其他因素的打擾，籠統(tǒng)的對野外信息完成采集，以此來實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探的目標(biāo)。雖然此種方式看似不可靠，并且當(dāng)前的瑞利波勘探具有探測空間小的缺陷。所以應(yīng)用的過程中會受到外界因素的干擾，不過可以將地質(zhì)情況更加詳細(xì)的描繪出來，便于工作人員掌握空間內(nèi)部的相關(guān)情況。在地質(zhì)勘探中，直線性好的體波通常會對瑞利波產(chǎn)生影響，并且利用其極化特點(diǎn)對其予以壓制。隨后會根據(jù)線性的極化程度對時間進(jìn)行濾波，很大程度上可以實(shí)現(xiàn)對幾波的消除。經(jīng)過濾波以后可以強(qiáng)化瑞利波，在同一個測點(diǎn)能夠激發(fā)三次到五次。將這部分記錄信息進(jìn)行極化濾波，可以實(shí)現(xiàn)垂直疊加的目的，然后對信噪比較高的瑞利波進(jìn)行優(yōu)化處理。通過以上的方式，工作人員可以獲得一條頻散曲線，實(shí)現(xiàn)對大量隨機(jī)干擾的消除。此時，瑞利波的信號便會大大增強(qiáng)，直接將地質(zhì)勘探的結(jié)果反映出來，增加最終結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

2 工程地質(zhì)中瑞利波法勘探的實(shí)踐

2.1 工程地質(zhì)待勘探區(qū)域的概況

根據(jù)已經(jīng)掌握的地質(zhì)勘察資料，能夠發(fā)現(xiàn)待勘測區(qū)域具有地形平坦的特點(diǎn)，同時地貌單元屬于沖擊接地。結(jié)合所掌握的資料發(fā)現(xiàn)，該地層的自上而下依次為，（1）第一層屬于工填土，其中表土為耕土，厚度在0.3米至1.1米之間。（2）第二層主要由輕亞粘土、粘土、亞粘土構(gòu)成，厚度在1.4米至6米之間。（3）第三層主要有卵石、砂組成，厚度在4.5米至8.4米之間。（4）第四層主要為基巖。包括石灰?guī)r、頁巖、砂巖三種類型[2]。

2.2 工程地質(zhì)勘探的具體任務(wù)

在本次工程地質(zhì)勘探中，實(shí)現(xiàn)對瑞利波法的應(yīng)用，具體的勘探任務(wù)主要是：要求對擬建廠防止區(qū)內(nèi)的斷層邊界進(jìn)行詳細(xì)的勘察。其中，對于該場地的具體工程勘察任務(wù)，主要包括以下四方面：（1）通過地質(zhì)勘察。確定斷層破碎帶以及影響帶的界限。（2）提供不同試點(diǎn)中，地質(zhì)巖性構(gòu)成情況。（3）掌握不同地層層對應(yīng)的容許承載力值。（4）要求對該區(qū)域中的探測深度在30米左右。將以上的任務(wù)落實(shí)在工程地質(zhì)勘察中，能夠充分發(fā)揮瑞利波法的作用，確保本次勘察的結(jié)果符合工程項目的需求，為后續(xù)的工作提供有價值的參考[3]。

2.3 工程地質(zhì)勘探的應(yīng)用方法

為了能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)勘察的目標(biāo)，確定影響帶、破碎帶的位置，同時明確相對應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)。因此，需要對瞬態(tài)瑞利波、穩(wěn)態(tài)振動瑞利波的最終測試結(jié)果予以對比。也就是說，在本次工程勘探中，必須將瞬態(tài)瑞利波法、穩(wěn)態(tài)振動瑞利波法應(yīng)用在其中。具體而言，穩(wěn)態(tài)震動瑞利波法主要是將土動力學(xué)作為前提，結(jié)合彈性力學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)的，此種方式可以在地表的某一個點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)定震源的放置，在穩(wěn)定震源的同一側(cè)，布置兩個不同的垂直傳感器。當(dāng)穩(wěn)態(tài)震源處于正弦波時，傳感器所處的位置下方，在位移時呈現(xiàn)出來的曲線公式為：

在上述公式中，VR表示巖土的瑞利波速度，單位是米/秒。表示穩(wěn)態(tài)震源對應(yīng)的振動源頻率，單位是弧度/秒。S是表示兩個傳感器之間，所對應(yīng)的水平距離，單位是米。表示第一個傳感器所對應(yīng)的振動相位角，單位是弧度。表示第二個傳感器的對應(yīng)振動相位角，單位是弧度。

如果兩個不同的傳感器之間所對應(yīng)的距離，與瑞利波的半波長和波長相等時，那么則會出現(xiàn)以下關(guān)系：

該公式中，f表示瑞利波的對應(yīng)頻率。λ表示瑞利波的具體波長。經(jīng)過研究以及最終的結(jié)果表示，如果振動的頻率不斷減少，那么波長會增加，此時探測的深度也會逐漸增加。

對于穩(wěn)態(tài)振動瑞利波的系統(tǒng)而言，其中的構(gòu)成包括傳感器、混凝土塊、數(shù)值記錄儀、微振放大器、直流調(diào)速器、直流電動機(jī)、離心式起振器等。具體的地質(zhì)勘探過程為：啟動直流調(diào)速器，對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，以此來改變振器的運(yùn)行頻率。這一過程中，強(qiáng)迫混凝土塊對地表測試點(diǎn)產(chǎn)生振動。不同的周期振動，會對土層產(chǎn)生直接的影響，從而在不同的地層中形成瑞利波。此時，具有一定間隔距離的傳感器會對瑞利波進(jìn)行反射。經(jīng)過放大以后，由數(shù)值記錄儀完成記錄，并且有計算器對最終的結(jié)果進(jìn)行分析、處理。

而對于瞬態(tài)瑞利波的測試原理來說，實(shí)際上與穩(wěn)態(tài)振動瑞利波原理相同。而其中的差異，主要是需要利用瞬態(tài)脈沖波。瞬態(tài)瑞利波測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包括記錄與分析儀、信號采集器、微放大器、組合錘等。在應(yīng)用的過程中，穩(wěn)態(tài)瑞利波振動測試方法會通過振動的頻率獲得地質(zhì)情況。而瞬態(tài)瑞利波測試的過程中，主要由錘擊而產(chǎn)生信號。所以需要結(jié)合被測試的對象，實(shí)現(xiàn)對組合誰的應(yīng)用，以此來形成脈沖波，得到地質(zhì)情況的結(jié)構(gòu)圖。

2.4 勘探數(shù)據(jù)的整理與分析

利用瑞利波法獲取工程地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)后，可以采用計算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理軟件，自動完成原始數(shù)據(jù)分析計算工作?？梢岳糜嬎銠C(jī)軟件對穩(wěn)定振動瑞利波波形圖、瞬態(tài)穩(wěn)定瑞利波波形圖進(jìn)行分析，計算從測試深度地層到地表的瑞利波平均速度，并對測試區(qū)域范圍內(nèi)的不同深度地層瑞利波波速進(jìn)行測算。然后根據(jù)不同地層瑞利波波速和平均波速，結(jié)合已有鉆探資料，對目標(biāo)區(qū)域的地層進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如表1所示。

從軟件計算分析結(jié)果來看，粘性土地層瑞利波波速在125～200m/s之間，砂土瑞利波波速在205～310m/s之間，卵石瑞利波波速在310～498m/s之間，砂頁巖瑞利波波速受風(fēng)化程度影響，強(qiáng)風(fēng)化巖的波速在400～600m/s之間，中等風(fēng)化巖的波速在700～900m/s之間，微風(fēng)化巖的波速在100m/s之間。此外，斷層破碎帶與巖體的瑞利波波速存在較大差異，斷層泥的波速明顯低于砂頁巖。采用瑞利波法得出的探勘結(jié)果與工程鉆探結(jié)果基本吻合，從中可以反映出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)斷層破碎帶情況。由于斷層破碎帶抗震性能較差，屬于不均勻巖土地基，需要對天然地基采取加固措施。從本次研究情況來看，瑞利波法時一種工程地質(zhì)勘探的理想方法。

3 結(jié)語

綜上所述，瑞利波法在工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用，能夠全面反映工程區(qū)域地質(zhì)斷層情況，掌握破碎帶埋深、走向和寬度等信息，為工程地基使用評價提供依據(jù)。通過深刻理解瑞利波法勘探原理，把握好瑞利波法的實(shí)踐應(yīng)用流程，可以確保勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此情況下，可以根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)果，合理設(shè)計施工方案，確保施工安全性及施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁瑋，陳燦，聶田.層狀介質(zhì)中瑞利波動力響應(yīng)及傳播特性分析[J].價值工程，2019，38（27）：178-182.

[2] 柴華友，柯文匯，陳健.規(guī)則層狀彈性介質(zhì)中基階模態(tài)瑞利波頻散曲線計算新方法[J/OL].巖土力學(xué)，2019（12）：1-9.

[3] 彭虎，王章瓊，黃祥國.瑞利波探測技術(shù)在陽煤一礦3號煤中的應(yīng)用研究[J].煤炭與化工，2018，41（12）：64-66.