應(yīng)用瞬態(tài)瑞利面波法勘探黃土陷穴的實(shí)例研究

田 明（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽110166）

1 引言

近10 多年來，我國交通建設(shè)迅猛發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、路網(wǎng)骨架不斷加強(qiáng)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。與之同時(shí)，我國公路及鐵路部門運(yùn)輸任務(wù)日趨繁重，加之修建年代不同、地形地質(zhì)條件復(fù)雜及受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)施工等因素的影響，許多線路路基存在著不同程度的病害隱患（如巖溶溶洞、黃土洞穴、橋頭跳車、不均勻沉降及塌陷等），嚴(yán)重影響車輛的正常運(yùn)營。當(dāng)這種隱患發(fā)展到一定程度，可能誘發(fā)突然性的路基破壞，甚至造成災(zāi)害性的事故。因此，如何在不影響行車運(yùn)營的情況下，高效快捷地查明這些隱患是人們非常關(guān)心的課題。

目前，路基病害探測技術(shù)主要有輕便靜力觸探，輕型動力觸探，小型貫入試驗(yàn)，地質(zhì)雷達(dá)探測，電阻率法（簡稱電法）和瞬態(tài)瑞利面波法（簡稱面波法）勘探[1]。其中，電法勘探相對精度較高但工作量大、效率低；而面波法勘探具有無損、輕便和高效等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，本文結(jié)合工程實(shí)例探討瞬態(tài)瑞利面波法在路基病害探測中的應(yīng)用。

2 面波法的勘探原理及資料處理

面波法是利用瑞利波在不均勻土層中的頻散特性來劃分土層結(jié)構(gòu)的巖土工程原位測試方法，它可用于解決諸如工程地質(zhì)勘察、地下空洞及掩埋物探測、地基加固處理效果評價(jià)、巖土的物理參數(shù)原位測試、公路、機(jī)場跑道質(zhì)量無損檢測、飽和砂土的液化判別等巖土工程問題。

2.1 面波法的勘探原理

面波法是通過在地表施加一瞬態(tài)振動信號，該信號包含豐富的頻率成分，然后用傅氏變換分析來獲取不同波長的瑞利波在地層表層的傳播速度。面波的傳播速度是由瞬態(tài)激振所產(chǎn)生的一定頻帶寬度的不同頻率成分的面波所合成的群速度，為了獲取相速度的頻散曲線，就必須對時(shí)間域的面波作必要的數(shù)學(xué)處理。

1)將時(shí)間域轉(zhuǎn)換為頻率域

設(shè)在地面上沿測線方向布置n 道檢波器，且相鄰道間距為△x，瞬時(shí)激勵后，地震儀記錄此信號，若信號為x1(t)，x2(t)… xn(t)，利用傅氏變換得到其頻譜為

2)求互功率譜和相位譜

取任意兩相鄰道x(j-1)(t)，xj（t），其自功率譜為

其互功率譜為

式中Xj*(f)，X*(j-1)(f)為Xj(f)，X(j-1)(f)的復(fù)共軛譜。

由（4）式可以看出互功率譜的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的相位差。

3)面波的質(zhì)量評價(jià)函數(shù)

在互功率譜函數(shù)中并非對各頻率f都有效的，關(guān)鍵是看所計(jì)算的頻段內(nèi)面波在兩相鄰檢波器傳播過程中是否具有良好的相關(guān)性。為此定義相干函數(shù)

上式中C (f )的模應(yīng)恒為1，可通過C (f )的實(shí)部進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。但實(shí)際傳播中因干擾和系統(tǒng)的非線性使信號的質(zhì)量降低。在面波質(zhì)量評價(jià)時(shí)，一般選取其值大于0.8 的頻段計(jì)算面波速度[2～3]。

4）求瑞利波的相速度

瑞利波從j-1 點(diǎn)至j 點(diǎn)所需時(shí)間t 為

由于瑞利波沿直線傳播，因此其波速為

VR(f )是頻率為f 的面波平均相速度。由上面的式子可計(jì)算記錄的功率譜，互功率譜的相位譜數(shù)據(jù)和相干函數(shù)值。在所需頻段內(nèi)選擇相干函數(shù)大于規(guī)定值（如0.8）的頻率f 的相位譜數(shù)據(jù)，以此作為該頻率面波在兩檢波器間傳播的相位差。再利用（7）式計(jì)算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟就得到了勘探點(diǎn)的一條VR-f 曲線，即所謂的頻散曲線。VR-f 曲線可轉(zhuǎn)換為VR-λR曲線，該曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系，可以反演地下分層厚度和速度結(jié)構(gòu)。

2.2 瑞利波的頻散特性

均勻介質(zhì)條件下，瑞利波速度VR與振動頻率f（或與波長λR）無關(guān)，即在均勻介質(zhì)中，瑞利波傳播速度無頻散性。在非均勻介質(zhì)中，瑞利波傳播速度VR隨其振動頻率f（或與波長λR）變化而變化，即在非均勻介質(zhì)中瑞利波有頻散性。這一特性，是利用頻散曲線反演地下介質(zhì)層速度結(jié)構(gòu)和進(jìn)行土層劃分的重要前提。

均勻半空間介質(zhì)是一種理想化模型，也是最早證明了瑞利波存在的一種假設(shè)，為研究瑞利波的某些特性提供了簡便的方法和依據(jù)。但研究瑞利波的最終目的是用于解決工程實(shí)際問題，所遇到的實(shí)際問題幾乎都是分層結(jié)構(gòu)。研究瑞利波在土木工程中的應(yīng)用，主要是瑞利波在層狀介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性，因此下面以3 層介質(zhì)模型討論層狀介質(zhì)中瑞利波的頻散性。

如表1 所示為3 層介質(zhì)地層模型，其中第2層厚1m，且保持不變，第3 層為無限厚，第1層厚分別為1，2，5，10m 4 種情況，其它地層參數(shù)如表1 所示，得出如圖1 所示的瑞利波頻散曲線。由圖1 可知，瑞利波在層狀地層中傳播時(shí)，波速在不同介質(zhì)參數(shù)的地層界面會產(chǎn)生突變，而地層的厚度可由頻率得出，因此，根據(jù)瑞利波的這一頻散特性，結(jié)合地層參數(shù)實(shí)驗(yàn)可對地層進(jìn)行地質(zhì)解釋。

表1 3 層地層參數(shù)表

圖1 3 層介質(zhì)中瑞利波頻散曲線

2.3 面波法的資料處理

1）資料的整理與計(jì)算

面波資料的處理采用FKSWS-Ⅲ版處理系統(tǒng)。資料處理程序見圖2 所示，首先對野外采集的記錄進(jìn)行頻率-速度分析，選取面波記錄時(shí)間窗口，計(jì)算出f-k 變換色譜圖，再利用光標(biāo)在f-k 變換色譜圖上選取最大能量譜的頻率-速度點(diǎn)，計(jì)算出測試點(diǎn)的頻散曲線，再對頻散曲線進(jìn)行曲線擬合，反演出各層速度、厚度，繪制出頻散曲線成果圖。

2）解釋剖面成果圖的繪制

將單點(diǎn)頻散曲線成果圖的層厚、速度按照記錄點(diǎn)對應(yīng)在測線上的相應(yīng)位置標(biāo)到剖面圖上，并把相鄰測點(diǎn)同一速度層用平滑曲線連接起來，然后把綜合解釋的物性層添上地質(zhì)圖例，就繪制出了解釋剖面成果圖。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

測試路段屬低山斜坡地區(qū)，路基多為兩側(cè)不對稱路堤和半塹半堤，在填土和天然土層的接觸帶，由于施工質(zhì)量差，夯填土達(dá)不到最佳密度，因此，夯填土比較松散，雨水易于滲入，而路塹的原狀土一般比較密實(shí)，雨水不易滲入，所以雨水常沿兩者的接觸面滲流，常引發(fā)路床不均勻下沉、外擠的病害發(fā)生。為了不影響行車，路基兩側(cè)多已幫填了片石，在行車動載和流水作用下，路床下沉和產(chǎn)生不均勻變形，個別路段甚至產(chǎn)生塌陷。

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

1）地層巖性

該路段沿斜坡地表多為Q3黃土質(zhì)砂粘土，淺黃色，厚10～20m；其下為Q2老黃土，棕黃色，厚8～12m，主要出露在沖溝底；在沖溝中局部還有Q4黃土質(zhì)砂粘土夾碎石堆積。在山坡上有基巖出露，基巖是中奧陶系（O2）的厚層石灰?guī)r和泥灰?guī)r。路基主要填筑在Q3黃土質(zhì)砂粘土層之上，填料為當(dāng)?shù)氐腝3黃土質(zhì)砂粘土或開挖路塹的棄土或棄石，由于Q3黃土是濕陷性黃土，其崩解速度快。因此，該段路基黃土陷穴發(fā)育，黃土陷穴可能引發(fā)路基下沉、甚至塌陷。

2）參數(shù)試驗(yàn)

勘探工作之前，為檢查該區(qū)段是否具備瑞利波法勘探的前提與基礎(chǔ)和確定瑞利波勘探的排列布置及參數(shù)設(shè)置，先在該區(qū)段廣泛測定路基填土和原狀黃土的橫波速度及視電阻率。測區(qū)路基通過不對稱路堤、半塹半堤和深大黃土沖溝所填筑的高路堤，路堤高度在15m～25m 之間。由于路堤填土較高，夯填不實(shí)，路床較松軟。本測區(qū)地層的物理力學(xué)特性可分為2 層，上層是填筑黃土（Q3），下面是天然黃土。因?yàn)槁返梯^高，且黃土陷穴主要發(fā)育在Q3黃土中，故道黃土陷穴僅發(fā)生在填筑黃土（Q3）之內(nèi)。通過大量實(shí)測試驗(yàn)，得到實(shí)測參數(shù)如表2。

圖2 資料處理流程圖

表2 實(shí)則參數(shù)表

測區(qū)內(nèi)各巖土層間存在著較明顯的物性差異，再加黃土陷穴由于充填物不同而形成的交點(diǎn)性質(zhì)和封閉圈與周圍巖土介質(zhì)間存在著明顯差異。綜上所述，該測區(qū)具備了該法勘探的基本前提和物理?xiàng)l件。

3）測線布置與工作方法

面波地震映像采集時(shí)采用4HZ的低頻檢波器，偏移距為3m、道間距為2m，3 道接收，點(diǎn)距1m。采樣點(diǎn)數(shù)1024，采樣間隔0.25ms。震源的激發(fā)采用錘擊方式，為了更可靠地采集到每一測點(diǎn)的面波數(shù)據(jù)，選屏幕顯示道能量強(qiáng)、干擾小、信噪比高、顯示波阻抗界面明顯的記錄存盤，供數(shù)據(jù)處理及資料解釋用。

3.3 資料分析與判釋

面波數(shù)據(jù)處理采用專門軟件進(jìn)行，得到彩色剖面映像。對剖面圖做定性解釋，確定病害地質(zhì)體部位，然后分析剖面圖上哪些波組構(gòu)劃地下形態(tài)明顯，把明顯的波組確定為有效波，這樣即可利用旅行時(shí)間和速度計(jì)算出深度，做出定量解釋。

依據(jù)面波勘探獲得的該段路基橫波速度變化規(guī)律，高密度地震映像顯示路基的剖面形態(tài)及電測深ρS斷面圖的曲線變化特征，綜合分析，該路基段存在有黃土洞穴，且線路兩側(cè)貫通，斜穿路基。三種物探方法相互驗(yàn)證，結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)語

瞬態(tài)面波勘探是近年來新興的巖土工程原位測試技術(shù)，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)的相關(guān)性可以解決諸多工程地質(zhì)問題，隨著其技術(shù)的不斷完善，將在土木工程及其他領(lǐng)域中有著更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間。

實(shí)踐表明，面波法在黃土陷穴探測中是可行的，精度一般能滿足工程要求，其最顯著的優(yōu)勢是勘探效率高，對行車干擾小，因此尤其適用于時(shí)間要求緊的情況。與其它勘探技術(shù)一樣，其效果一般取決于要解決的工程地質(zhì)問題、測區(qū)的地球物理?xiàng)l件和場地條件，由于沒有相應(yīng)的規(guī)范，也與探測者經(jīng)驗(yàn)水平有很大關(guān)系。結(jié)合工程實(shí)踐，本文認(rèn)為應(yīng)針對病害類型合理選用勘探方法，并結(jié)合工程結(jié)構(gòu)的重要性，綜合運(yùn)用多種勘探手段，以提高勘探效率和可信度。

[1]楊成林. 瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1993

[2]趙鴻儒、郭鐵栓等. 工程多波地震勘探[M].北京：地震出版社，1996