天然源面波在削峰填谷場(chǎng)地中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU195 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）18-0169-05

Abstract：Withtheincreasingdemandforgeotechnicalengineeringandgeologicalexploration，naturalsourcesurfacewaves， asafastandnon-destructivegeophysicalexplorationtechnology，arelessafectedbytopographyandhavealargeexploration depth，andhavebeenwidelyusedinrecentyears.Thispaperstudiestheaplicationofnaturalsourcesurfacewavesin detectingtheboundaryofgeotechncallayersinhighfillprojectsinpeak-cuingandvallyfilingsites，aimingtoimprovethe identificationabilityandboundaryaccuracyofundergroundstructures.Throughthecombinationoffieldtestinganddilling，the feasibilityandeficiencyofnaturalsourcesurfacewavedetectiontechnologyhavebeenverified，providingnewideasandmethods foraccurate detection of rock and soil boundary.

Keywords：natural sourcesurface wave;highfll;rockandsoilstratfication;apparentshear wavevelocity；unevensettlement少，需根據(jù)場(chǎng)平后地基土組成形式以及建筑物的結(jié)構(gòu)形式、荷載，針對(duì)每一個(gè)建構(gòu)筑物提出可行的基礎(chǔ)形式及持力層。填方區(qū)經(jīng)施工處理后還會(huì)有一定的固結(jié)沉降，而地基土的不均勻沉降會(huì)造成建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。

削峰填谷工程作為一種常見的地形改造和土地利用方式，近年來在城市建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著工程規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)要求的提高，面臨的工程技術(shù)難題也日益復(fù)雜。削峰填谷工程通常涉及不同類型的土壤和巖石層，地質(zhì)條件的多樣性使得施工難度增加。高填方場(chǎng)地面臨的工程技術(shù)問題如下。

一是高填方地基的沉降及不均勻沉降問題。高填方突出的巖土工程問題是工后沉降和工后差異沉降，處理和填筑后應(yīng)保證變形均勻、填筑密實(shí)、地基穩(wěn)定。如何準(zhǔn)確評(píng)估地質(zhì)情況，選擇合適的施工方案，成為一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文依托工程實(shí)例，應(yīng)用天然源面波勘探技術(shù)通過數(shù)據(jù)處理與分析，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件系統(tǒng)闡述了高填方場(chǎng)地的面波信號(hào)，分析了該類場(chǎng)地視橫波速度的特點(diǎn)與分布規(guī)律。在對(duì)比測(cè)區(qū)已有鉆探資料的基礎(chǔ)上，提高了物探成果解譯的準(zhǔn)確性，為該類工程提供了一種有效的勘探手段。

1 研究概述

1.1 勘查區(qū)概況

二是高填方深厚填土區(qū)基礎(chǔ)選型及樁基施工的復(fù)雜困難性。多數(shù)削峰填谷工程均面臨填方厚度大，屬半挖半填地基。部分建筑跨越挖方區(qū)（基巖區(qū)）和填方區(qū)，因大規(guī)模、大厚度的填方沉降變形國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)較

擬建場(chǎng)地所在區(qū)域原始地貌屬于丘陵低山地貌，山巒起伏、溝谷縱橫，地形起伏較大，原始地面高程范圍在 421.83～648.79m ，最大高差約 226.96m 。原始地形條件下，工程建設(shè)的適宜性較差。為了滿足工程建設(shè)需要，對(duì)整個(gè)園區(qū)進(jìn)行削峰填谷場(chǎng)平工作。根據(jù)場(chǎng)平設(shè)計(jì)資料，近期啟動(dòng)建設(shè)的一期主要為填方區(qū)域，設(shè)計(jì)標(biāo)高在 518.8～554.4m 。

1.2 場(chǎng)地地層分布

根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查工作及區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合已施工鉆孔深度范圍內(nèi)揭示的地層及地層成因顯示，本次探測(cè)場(chǎng)區(qū)地層分為以下2種。

1.2.1 近期人類活動(dòng)形成的地層

該層主要由壓實(shí)填土（ 構(gòu)成：為原始場(chǎng)地就地取材削峰填谷，從挖方區(qū)轉(zhuǎn)移到填方區(qū)的粗（巨）粒土夯實(shí)回填而成。主要成分為強(qiáng)＼～中風(fēng)化砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖，粒徑一般 2～200mm ，最大直徑 1.0m ，堆填時(shí)間約 0.1～1.2a ，干燥，經(jīng)分層強(qiáng)夯處理，結(jié)構(gòu)中密為主，局部稍密或密實(shí)，工程力學(xué)性質(zhì)不均勻，欠固結(jié)。該層層底埋深 0.50～124.8m ，層厚 0.50～124.80m ，平均厚度 48.0m 。該層主要位于場(chǎng)地中部溝谷地貌，呈南北向分布。

1.2.2 三疊系上統(tǒng)須家河組基巖 （T₃xj） ）地層

根據(jù)鉆探資料，該層主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖（場(chǎng)地內(nèi)局部揭露）中風(fēng)化砂巖（場(chǎng)地穩(wěn)定基巖，未揭穿）、中風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖（場(chǎng)地局部揭露）組成。

1.3場(chǎng)地地球物理特征

在一定時(shí)間范圍內(nèi)，回填場(chǎng)地因不同深度的回填土受到的上部荷載隨深度而變化，導(dǎo)致其固結(jié)程度存在差異；回填土和下伏基巖物性狀態(tài)的不同，也造成了其彈性參數(shù)各不相同，這些都賦予在地質(zhì)體的傳播中的微動(dòng)信號(hào)（主要由瑞雷面波組成）具有不同的面波頻譜特性和相速度，而隨著傳播距離的增加，面波的能量會(huì)逐漸向外擴(kuò)散，導(dǎo)致波幅減弱（面波的發(fā)散性）。上述特性使得天然源面波中富含了復(fù)雜的振幅、路徑等波形信息，由此便可以推斷自標(biāo)地層的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)信息，達(dá)到勘探目的。

本次勘探深度范圍內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)不同，存在速度差異。統(tǒng)計(jì)工作區(qū)各地層視橫波速度參數(shù)（表1），測(cè)區(qū)內(nèi)各地層視橫波速度的特征：填土的視橫波速度通常在 100～500m/s 。這一范圍可能因填土的類型和壓實(shí)、固結(jié)程度而有所不同。密實(shí)的填土波速會(huì)相對(duì)較高，而松散的填土波速則較低。強(qiáng)風(fēng)化砂巖的視橫波速度通常在 300～1200m/s 。風(fēng)化程度較低、致密的砂巖定義的波速會(huì)更高，而在較強(qiáng)風(fēng)化和相對(duì)松散的條件下，波速則會(huì)降低。分析認(rèn)為，可以采用天然源面波探測(cè)解決相關(guān)地質(zhì)問題。

2 工作方法

2.1 天然源面波探測(cè)方法

天然源面波探測(cè)是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從地球表面的微弱振動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測(cè)方法。簡(jiǎn)而言之，就是從波形信號(hào)中提取其攜帶的地層結(jié)構(gòu)信息，達(dá)到勘探目的。

2.2 測(cè)線布置

工作區(qū)經(jīng)過土石方施工后，場(chǎng)地原始地貌已改變。根據(jù)已知資料，工作區(qū)原始溝壑呈“Y\"字形展布，此區(qū)域填方深度最大?？紤]到本次探測(cè)目的，在測(cè)區(qū)內(nèi)布置2條測(cè)線，測(cè)線WD01大致沿“Y\"字形一枝展布，近南北向，沿線經(jīng)過CK85，DT1、DT2號(hào)鉆孔；測(cè)線WD02橫跨“Y\"形溝壑分支處展布，近東西向，沿線經(jīng)過CK47、DT2兩個(gè)鉆孔，2條測(cè)線有一交點(diǎn)，以達(dá)到相互驗(yàn)證的目的。測(cè)線布置如圖1所示，圖中填土等厚度線為根據(jù)初勘鉆孔揭露情況模擬得出。

2.3 臺(tái)站布設(shè)

本次探測(cè)采用合肥國為電子有限公司的GN309微動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，采用RTK實(shí)地進(jìn)行定點(diǎn)，確定臺(tái)站實(shí)際高程及中心位置，本次現(xiàn)場(chǎng)采集采用線性觀測(cè)臺(tái)陣，此類臺(tái)陣與嵌套臺(tái)陣類似，即有臺(tái)陣中心點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)樁號(hào)，臺(tái)陣盡量以等間隔（即道間距）沿某一固定方向布置。本次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集道間距為 10m ，單個(gè)測(cè)點(diǎn)采用9個(gè)站組成一字型臺(tái)陣，觀測(cè)半徑 40m_o 共使用20個(gè)臺(tái)站同時(shí)采集數(shù)據(jù)，即單次排列可測(cè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，待當(dāng)前排列數(shù)據(jù)采集完成后，向后滾動(dòng)12個(gè)檢波器，繼續(xù)觀測(cè)，本次實(shí)驗(yàn)的微動(dòng)探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2.4一致性試驗(yàn)

本次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用先進(jìn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，以及配套的軟件平臺(tái)，便于采集人員遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)。采集時(shí)可以自由配置采樣參數(shù)，以實(shí)時(shí)評(píng)估所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而在需要時(shí)及時(shí)調(diào)整操作模式。此外，來自多個(gè)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)獲取。為了確保所收集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，在正式工作之前對(duì)儀器進(jìn)行了一致性試驗(yàn)。所有儀器同步運(yùn)行，共同工作了 15min 。所采集的數(shù)據(jù)波形在時(shí)間域上具有一致性，保證了信號(hào)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下處理，確保了數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，達(dá)到了探測(cè)要求（圖3、圖4）。

2.5 數(shù)據(jù)處理

從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波頻散曲線常用的2種方法是頻率-波數(shù)法（The Frequency-wavenumberPowerSpectralMethod，簡(jiǎn)稱F-K法）和空間自相關(guān)方法（Spatical Autocorrelation Method，簡(jiǎn)稱 SPAC 法）。F-K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時(shí)的混頻現(xiàn)象會(huì)使其結(jié)果惡化；SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經(jīng)常無法準(zhǔn)確提取，因此F-K法適合分析深部土層，而SPAC法適合分析淺部土層。結(jié)合本次目標(biāo)深度，采用空間自相關(guān)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

首先從時(shí)序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景對(duì)橫波速度結(jié)構(gòu)作出地質(zhì)解釋。

利用實(shí)際微動(dòng)信號(hào)中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視橫波速度結(jié)構(gòu)信息。常用的反演算法有半波法經(jīng)驗(yàn)公式反演，半波法經(jīng)驗(yàn)公式反演是一種采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演計(jì)算的方法，探測(cè)目標(biāo)剖面上對(duì)應(yīng)的視S波速度的變化情況，以獲取相應(yīng)的地層構(gòu)造。該方法用于剖面上巖性的相對(duì)變化而無需反演橫波速度的絕對(duì)值。

計(jì)算視橫波速度半波法經(jīng)驗(yàn)公式如下

式中： s 為視橫波速度； v_r 為瑞雷波相速度； t_i=1/f_i 為周期；對(duì)應(yīng)的深度一般取半波長。

計(jì)算出視S波速度后，可根據(jù)相速度頻散曲線算得視S波速度隨深度的變化曲線（vs-h曲線），再利用光滑差值等計(jì)算處理后，即可得到視S波速度的剖面圖。視S波速度不等于實(shí)際的S波速度值，是擁有速度量綱的物性參數(shù)，其變化趨勢(shì)可以反映出實(shí)際的S波速度變化，故可通過視S波速度的剖面圖進(jìn)行地質(zhì)診斷。

3 成果解譯

通過反演得到的視橫波速度成圖，結(jié)合測(cè)線范圍內(nèi)的鉆孔資料、結(jié)合工作區(qū)已知資料綜合分析作出如下推測(cè)。

3.1測(cè)線WD01成果

測(cè)線里程 625，925，1000m 處分別為鉆孔CK85、

DT1、DT2，鉆孔揭露填土層厚度分別為 118.2、87.8、99.6m （成果圖內(nèi)黑色豎線表示）。對(duì)比鉆探揭露情況，測(cè)線WD01成果圖整體趨勢(shì)大致分為3層。視橫波速度小于440m/s 劃分為第一層，層厚 20～75m ，為填土層。該層較松散、固結(jié)較差或含水率較高;視橫波速度 440～550m/s 劃分為第二層，層厚 25～30m ，為填土層，該層較密實(shí)、固結(jié)較好、含水率相對(duì)較低，鉆探施工時(shí)該段相對(duì)不易鉆進(jìn)，表明該段土層相對(duì)密實(shí)；視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層，推測(cè)為填方前原始地層，為強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖。WD01探測(cè)成果剖面圖如圖5所示。

測(cè)線WD01為由北向南布置，根據(jù)已有資料，場(chǎng)地原始現(xiàn)場(chǎng)北端靠近山體，且剖面圖顯示第三層地層沿北邊逐步向淺層發(fā)育，與實(shí)際情況較為吻合。綜合分析可得填土層由北向南逐漸增厚，末端又有變淺的發(fā)展趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)一凹狀發(fā)展形態(tài)，測(cè)線WD01填土層變化范圍為 36～120m 。

3.2測(cè)線WD02成果

測(cè)線里程 362，575m 處分別為鉆孔CK47、DT2，鉆孔揭露填土層厚度分別為 73.8，99.6m （成果圖內(nèi)黑色豎線表示）。對(duì)比鉆孔揭露情況，測(cè)線WD02成果圖整體趨勢(shì)大致分為3層。視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層，層厚 20～65m ，推測(cè)為填土層，較松散、固結(jié)較差或含水率較高；視橫波速度 440～550m/s 劃分為第二層，層厚15～45m ，推測(cè)為填土層，較密實(shí)、固結(jié)較好，含水率相對(duì)較低;視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層，推測(cè)為填方前原始地層。WD02探測(cè)成果剖面圖如圖6所示。

測(cè)線WD02為由西向東進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)線里程300.570m 均呈現(xiàn)下凹趨勢(shì)，推測(cè)為原狀“Y\"型溝壑分支處，測(cè)線WD02填土層變化范圍為 40～100m 。

綜上，本次探測(cè)成果均呈現(xiàn)較明顯的分層特性，各層速度相對(duì)均勻，且橫向呈相對(duì)連續(xù)特征，推測(cè)由于覆土壓力不同造成的固結(jié)差異引起。

4結(jié)束語

1）本次探測(cè)采用GN309微動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)以及配套的軟件平臺(tái)，便于實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，反演剖面與鉆孔吻合程度較高。

2）根據(jù)成果推測(cè)，測(cè)線覆蓋范圍內(nèi)填土層有較明顯分層，結(jié)合鉆孔成果，視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層，推測(cè)該層較松散、固結(jié)較差或相對(duì)富水； 440～ 550m/s 劃分為第二層，推測(cè)該層相對(duì)較密實(shí)、固結(jié)較好。

3）面波的頻譜特性和相速度因地層構(gòu)造的不同而異，使得其傳播速度與頻率之間存在關(guān)系。通過對(duì)微動(dòng)面波的頻散曲線進(jìn)行分析，能夠有效評(píng)估地質(zhì)情況并提高物探成果的解譯準(zhǔn)確性。

4）在高填方場(chǎng)地中，填土的覆土壓力是影響填土固結(jié)狀態(tài)、進(jìn)而影響工后沉降的一個(gè)重要因素，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過室內(nèi)大型固結(jié)模擬試驗(yàn)對(duì)不同荷載下填土的固結(jié)特性加以研究。

5）探測(cè)成果表明，天然源面波法用于削峰填谷工程中的地層勘探有較好的應(yīng)用效果，對(duì)于評(píng)價(jià)場(chǎng)區(qū)填土分布、填土固結(jié)程度具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，該方法不僅提高了地質(zhì)條件評(píng)估的準(zhǔn)確性，還為選擇合適的施工方案提供了重要支持，具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。

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