瑞雷波法在路基巖溶注漿質量檢測中的應用

孫家俊，盧 松，蘇有財

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司，四川成都 610000;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731)

早在1887年，Rayleigh發現了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質中的傳播特性。20世紀50年代初人們又發現了瑞雷波的頻散特性，隨之開始了利用天然地震記錄中的瑞雷波探測地球內部結構的研究，但受當時計算機技術的限制，研究所得的結果精度極低。直到70年代初，美國F.K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬態面波來研究淺部地質問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發表相關研究成果，堪稱開創面波在工程地質方面應用之先河［1］。其后日本VIC株式會社利用穩態面波法于80年代初推出了GR-810全自動地下勘測機，并開始在工程地質領域應用，這種設備雖說設計原理比較先進可靠但卻由于笨重并且價格昂貴未能得到進一步推廣。

在國內，對瑞雷波在各種不同介質情況下的特性研究相對較晚。1994年，浙江大學夏唐代、吳世明［2］利用解析法和有限單元法研究了流體—固體介質中瑞雷波頻散特性及位移分布規律，得到了流體—固體介質中瑞雷波頻散特征方程和位移計算公式。1996年夏唐代、蔡袁強等［3］對各向異性成層地基中瑞雷波的頻散特性進行了研究;1998年陳龍珠、黃秋菊等［4］推導出了飽和地基中波的頻率特征方程，并由此分析了瑞雷波傳播速度和衰減系數隨振動頻率、土滲透系數等的變化規律;2001年凡友華、肖柏勛等［5］在柱坐標下，得出了層狀介質中軸對稱柱面瑞雷面波的頻散函數。由于瑞雷波法具有更多的優點，因此很快成為研究和應用的主要方法。

1 瑞雷波探測原理

面波探測方法一般分為瞬態法和穩態法兩種，這兩種方法的區別在于振源不同。瞬態法是在激振時產生一定頻率范圍的面波，并以復頻波的形式傳播;而穩態法是在激振時產生相對單一頻率的面波，并以單一頻率波的形式傳播，本次檢測采用瞬態面波法，亦即落重法，用56磅大錘擊振。為了保證激發的質量，采取的措施有:一是激發振源時落錘確保短促有力，避免有回振，而且盡量減小周圍環境中的振動影響;二是通過多次信號迭加功能，剔除干擾雜波。瞬態面波法的工作原理如圖1所示。

圖1 瞬態面波法工作原理

對于瞬態面波勘探法，關鍵是激發所需范圍內的瞬時激勵，采用相適應的檢波器，利用地震儀將這些信號記錄下來。令波形時域函數為d(x，t)，以f-k法提取頻散曲線，即利用二維傅里葉變換(公式(1))波形時域函數將信號從時空域轉換到頻率波數域，計算出信號的頻譜，根據面波特性提取f-k函數，再根據公式(2)，(3)，將f-k轉換到VR-f空間，即把所有的峰值頻率及其對應的相速度值連成線，獲取VR-f函數，得出地層層位深度與相速度值。

根據面波的相關特性，研究證明面波能量主要集中在地表下一個波長的范圍內，而傳播速度代表著半個波長范圍內介質震動的平均傳播速度。因此，一般認為面波法的測試深度為半個波長。波長與速度及頻率的關系詳見公式(2)，(3)，(4)。

式中:D(ω，k)為頻率波數域函數;k為波數;VR為面波速度;ω為角速度;f為頻率;H為地層深度;λR為波長。

當速度不變時，頻率越低，測試深度就越大。面波法是利用面波的上述運動學特征和動力學特征來進行工程地質勘察的物探方法。面波有3個與被測地層有關的主要特征:

1)在分層介質中，面波具有頻散特性;

2)面波的波長不同，穿透深度也不同;

3)面波的傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。

瞬態面波法檢測判定合格標準采用《鐵路特殊路基設計規范》(TB 10035—2002)中的路基巖土體注漿質量檢測標準(見表1)。

表1 巖溶注漿質量定量評價標準［6］

2 工程概況

新建滬昆鐵路貴州段，地處云貴高原低山區地貌，路基主要以填方通過，路基中心填高＜7 m。覆蓋層為坡殘積紅黏土，具有弱膨脹性。下伏基巖為奧陶系下統桐梓組白云巖，淺灰色，隱晶質結構，薄～中厚層狀構造，節理裂隙很發育。地下水埋深較大，地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，地表水入滲是本段巖溶地面塌陷的主要誘因。地表調查確認溶蝕破碎帶、溶洞等巖溶現象發育。依據綜合分析評價，設計單位對易塌陷區進行巖溶地面塌陷注漿加固，以“邊探邊灌，探灌結合”的原則，對路基巖溶整治效果進行檢測。

3 注漿效果探測

3.1 設備參數及測點布置

本次瞬態瑞雷波法采用中鐵西南科學研究院研制的SF12型多通道瞬態面波儀，配備專用4 Hz面波檢波器。該儀器采用最新的高速度、高精度24位A/D轉換器，動態范圍為120 dB，采樣間隔為0.018～600.00 ms分擋可選，采樣點數1 024～16 384樣點分擋可調，通頻帶寬0.1～4 000 Hz，信號通道為24道接收。采用人工錘擊方式激振、外觸發、全通道接收方式。具體測試施工參數如表2。

測點分別沿各注漿整治段的左中線及右中線進行布設，測點間距為10 m;檢波器以測點為中心，向測點的兩端展布，展布方向則根據測區的地形、地質及場地條件作適當調整，具體測線測點布設如圖2所示。

3.2 數據處理及解釋

本文針對路基DK604+370—DK604+512段的檢測中，瞬態瑞雷波法測點共18個，獲取18條頻散曲線(典型代表性原始記錄曲線見圖3)，由于所測瞬態面波VR反演地層結構圖較多，現僅選取1個具有代表性的點作詳細解釋(見圖4)。

表2 瞬態瑞雷波法測試施工參數

圖2 瞬態瑞雷波法測線布置

圖3 瞬態面波檢測典型原始記錄

圖4 檢測點DK604+390(左中線)頻散曲線反演圖

根據設計相關勘察資料以及現場注漿孔、探灌結合孔等成孔資料綜合分析，該檢測點位于DK604+390(左中線)里程處，結合電阻率測深剖面圖，上覆土層主要為雜填土，深度分布在0～－1.7 m;下伏主要為白云巖。由圖4分析:該檢測部位經注漿加固后頻散曲線反演擬合度達0.94，反演效果較佳。淺層深度0～－1.7 m范圍內，反演地層速度平均為486 m/s，基本反映了上覆壓實雜填土的波速值，與該深度范圍內判別標準綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常;－1.7～－4.2 m范圍內，反演地層速度平均值為421 m/s，基本反映了雜填土與下伏基巖的過渡帶，波速反映正常;－4.2～－13.3 m范圍內，反演地層速度平均值為559 m/s;－13.3 m以下深度范圍內，反演地層速度平均值為831 m/s，明顯高于該深度范圍內判別標準綜合所反映的波速值，表明該檢測點位注漿效果較理想，達到質量合格要求。

圖5為DK640+370—DK640+500里程段路基基底相速度剖面圖。

圖5 DK640+370—DK640+500左中線反演相速度剖面

從圖5可以看出，該段路基分層較明顯，且由上至下，相速度值也由小變大，結合巖溶注漿質量定量評價標準，均滿足各深度段所對應相速度標準，表明該段路基注漿效果較好。

4 結語

瑞雷面波勘探方法作為一種勘探路基注漿質量效果的手段具有操作方便、快速等特點，同時對測試場地及使用儀器比較寬松，目前已廣泛應用于工程勘探及地基評估等領域。本文應用瑞雷面波勘探對DK640+370—DK640+500里程段的注漿質量效果檢測表明:①該里程段路基分層較明顯，隨深度的增加，相速度增大，由400 m/s增至860 m/s;②從單個頻散曲線反演圖來看，地層雜填土、風化基巖、基巖三個區域的分界面較明顯，相速度差別較大;③采用瑞雷面波法檢測注漿質量是一種較方便、效果較好的方法之一。

［1］CHANG F K，BALLARD R F.Rayleigh wave dispersion technique for rapid subsurface exploration［C］//第42 屆國際地球物理年會論文集.US Vicksburg，1973.

［2］夏唐代，吳世明.流體—固體介質中瑞利波特性［J］.水利學報，1994，1(1):67-75.

［3］夏唐代，蔡袁強，吳世明，等.各向異性成層地基中Rayleigh波的彌散特性［J］.振動工程學報，1996，9(2):191-196.

［4］陳龍珠，黃秋菊，夏唐代.飽和地基中瑞利波的彌散特性［J］.巖土工程學報，1998，20(3):6-9.

［5］凡友華，肖柏勛，劉家琦.層狀介質中軸對稱柱面瑞利面波頻散函數的計算［J］.地震工程與工程振動，2001，21(3):1-5.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2002 鐵路特殊路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.