瑞雷波法在巖土工程檢測中的作用

吳 及

(貴州省黔水科研測試檢測工程公司，貴陽550002)

0 引 言

巖土工程鐵路和公路路基以及水工建筑物的施工過程中，路基土體和水工建筑物粗粒料密度的檢測常用灌水法或灌砂法，這兩種方法存在檢測速度慢、勞動強度大、對檢測對象存在擾動、影響施工進度等問題［1］。

隨著人們越來越重視巖土工程的探測方法，近年發展起來的瑞雷波勘探，是一種全新的勘測方法，主要在地質的表面進行應用。實際上，它發揮出了瑞雷波自身的特性——頻散，從而對波速和頻率的關系進行了分析和挖掘，這主要依靠瑞雷面波的作用。

隨著不斷的發現和應用，瑞雷波法為巖土工程檢測帶來了很多的便利。

1 瑞雷波法的基本原理

在檢測巖土工程特性時，瑞雷波法有3個與被測地層有關的主要特征，利用運動學特征和動力性特征，具體來說，有以下幾個方面:

1)在檢測的過程中，人們發現了瑞雷波的頻散特性，正常情況下，只有在分層介質中，這種特性才可以表現出來。

面波沿地表傳播波速的頻散現象，反映了與其波長相應的深度范圍內的地層彈性分布。地層的彈性參數分布越不均勻，面波頻散的表現也越復雜。

對于橫向均勻的分層地層，面波表現出可以區分和識別的頻散特征，從而劃分出不同的地層彈性分層類型［2］。

2)瑞雷波的穿透深度不一樣，是由其波長決定的，波長與穿透的深度息息相關。

3)在正常情況下，瑞雷波在不同的表層傳播，其厚度不一樣，傳播的速度與其傳播的介質有著很大的關系。當瑞雷波的波長相同時，前提是其沿著地表的表面進行傳播。當其厚度也一樣時候，波長在傳播過程中的結果與其在不同的傳播介質下的不同的方向傳播，速度都是不同的，這在很大程度上都是由于介質不同。因此，波長的情況在某種程度上來說對地質情況的勘探發揮著重要作用。

2 瑞雷波法的分類

關于瑞雷波的分類，一直以來人們爭論不休。文中僅以激發瑞雷波震源的情況，將瑞雷波分類，一般來說，有穩態激震法和瞬態激振法兩種。下面進行具體闡述。

2.1 穩態激振法

穩態法的基本原理如圖1 所示。振動器可以激發出2 ～9 900 Hz的控頻瑞雷波。確定瑞雷波頻率的準確性是和頻率的整個數量的等級有關的，其頻率的數量級不同，造成的頻率的精度不一樣。利用相關的技術精確瑞雷波頻率，在一般情況下，最高可以達到0.001 Hz［3］。

之所以稱這種方法為穩態激振法，是因為這種振動的穩定性的頻率很高，而且它保證了地質勘探的準確性，故而得名。

圖1 穩態法基本原理圖

在一般的地質勘測過程中，采用這種方法測試時的工藝比較復雜，一般情況下，采取的是分頻策略，根據不同的頻點依次進行勘測。

值得注意的是，穩態法并不是在一開始就是用低頻的方法，而是用高頻勘測的方法，隨著勘測過程的實施和進行，其頻率也會慢慢地變低。

這時候，相應的波長也會隨之改變，逐步的開始增加。還有深度也在發生改變，當發現勘測的值在最大時，說明頻率也就在這一刻結束了。

2.2 瞬態激振法

該方法采用錘擊或炸藥震源激發瑞雷波，在地面按一定方式用垂直速度檢波器接收，并根據波場的頻散特性，求取VR 速度分布場。瞬態法現場工作布置如圖2 所示:

圖中M 點為測試點，兩檢波器距離為△x ，△x還應滿足下式:

則兩信號的相位差Δφ 滿足:

圖2 瞬態法現場工作布置圖

由上述圖2 分析可知，隨著勘探深度的增大，即λR 增大，△x 的距離也相應的增大。

3 瑞雷波在巖土工程檢測中的作用

中國石化川東北物資供應儲備中心為川氣東送指揮部達州基地配套項目，擬建場區位于四川省達州市西外新區皂角埡村六組和高峰洞村四組，緊鄰襄渝鐵路和達萬鐵路，在建達萬鐵路連線從場地南側橫穿而過。

場區距達州市主城區約15 km，距達州火車站約8 km，離河市機場約20 km，與達渝高速相隔約16 km，場區東西寬約277 ～401m，南北長約740 m，占地面積約0.23 km2。

在該項目中選用的是瞬態瑞雷波法是在激振時產生一定頻率范圍內的瑞雷波，并以復頻形式傳播?，F場采用縱排列接收瑞雷波，通過現場試驗，根據場地情況，選擇合適的工作偏移距、道間距、記錄長度、采集間隔等參數。

本項目測試采用奔騰數控技術研究所WZG6 －24 工程數字地震儀作為現場瑞利面波數據采集記錄儀器，處理軟件為SWS 瑞雷波處理軟件包。儀器主要參數如下:

1)通道數:24 道。

2)采集點數:512、1024、2048 可選。

3)放大器:瞬時浮點放大器。

4)A/D 轉換:16 位。

5)動態范圍:120dB。

6)濾波:帶通、陷波。

7)儀器通頻帶:0.5 ～5 000 Hz。

本次檢測根據強夯厚度在15 m以內這一特點，本次面波測試每點為一個排列，每一排列為12 道，道間距離為2 m，排列長度22 m，采用人工單邊鍾擊激發采數。

本次野外現場采數采用4 Hz面波專用檢波器，根據現場情況，瑞雷波的激發使用錘擊震源或落重震源，道間距設定為2 m、偏移距設定為6 ～12 m，測試參數的設定滿足檢測深度達到進入強風化層1 ～2 m要求。

檢測點的布設首先應側重填方厚度較大區域，并對N120 動力觸探試驗進行有針對性布點。

瑞雷波在工程檢測中的作用主要分為以下幾方面:

3.1 地層劃分

要想知道不同地層的厚度以及在進行傳播時的彈性波的不同速度，需要解釋一些特殊的變化，即瑞雷波頻散的曲線，明確曲線的意義和發生變化的性質，從而實現對底層的劃分。

3.2 地基加固處理效果評價

在勘測的過程中，需要采取相關的措施對地基的加固情況進行跟進，一般來說，波速之所以會不同就是因為受到了地基加固的影響，當然，這個結果并不是盲目地獲得，而是需要進行地質的勘測，然后就可以分析地基加固之前和加固之后的不同狀況，實際上，在眾多的表現中，其物理學的性質改善的程度最為明顯。

3.3 巖土的物理力學參數原位測試

在勘測過程中，巖、土層的S 波速度、P 波速度及密度等參數的確定與今后的地質勘測的關系息息相關。這需要相關的工作人員在進行勘測完成以后，掌握第一手資料，并對資料加以分析，通過對資料的反演解釋，得出相關的參數［4］。

3.4 公路、機場跑道質量無損檢測

這是高頻瑞雷波的一種應用，但是這種瑞雷波需要人為的進行激發，通過使用可以確定路面的抗折、抗壓強度及路基的載荷能力，以及各結構層厚度。

采取穩態法進行監測具有十分重要的意義。近年來，對于機場跑道和公路質量的監控離不開穩態法的應用［5］。

3.5 地下空洞及掩埋物的探測

與一般的勘測結果相比，通過穩態法進行勘探的優點在探測地下空洞和掩埋物時效果十分顯著，只要瑞雷波與地下空洞和掩埋物的深度一樣，頻散的曲線就會發生不正常的現象。

因此，在地下空洞和掩埋物的發現上有著非常廣闊的應用前景。

3.6 飽和砂土層的液化判別

根據一定場地內的飽和砂土層的埋深、地下水位的深淺等地質條件，可以計算出飽和砂土層的液化臨界波速值。

4 結 語

瑞雷波既可以在實驗室范圍內容易被激發和接收，還能夠攜帶較多的介質結構信息，便于人們分析巖土工程的特性。

瑞雷波是面波的一種，具有傳播速度低、衰減小、抗干擾強等特點，是介質中縱波和橫波耦合的結果。它在介質的自由界面附近傳播。沿界面傳播時，其形成與傳播與介質的物理特性有關，絕大部分能量集中在自由表面附近，各介質質點在垂直于界面的入射面內。

其運動的軌跡比較特殊，不僅可以與波的傳播方向一致，還可以在界面中垂直傳播，通過兩股力量的合成，其運動的軌跡呈現出不規則的圓形的趨勢。在均勻彈性半空間中，瑞雷波的傳播速度為介質橫波速度的87% ～95%，與頻率無關［6］。

在層狀半空間中，瑞雷波傳播的相速度和群速度與頻率息息相關，之所以瑞雷波能夠在巖土工程中被廣泛的應用，是因為它能夠對地質的介質結構進行分析和推測，而這種推測又是建立在瑞雷波的頻散特征的基礎之上的［7］。

綜上所述，瑞雷波是一種經濟，快捷有效的檢測手段，在大面積檢測地基加固深度和承載力方面有極大的優勢。因此，我們要加強對瑞雷波的研究利用，充分利用其基本原理，正確選用穩態和瞬態的方法，從而有效進行巖土工程的檢測，這將具有非常重要的意義。

［1］李勝平，吳杰芳，李聲平. 粗粒料壓實干密度無損檢測試驗研究［J］. 長江科學院院報，2004(06):45 －46.

［2］何正文，洪寶寧. 基于瞬態瑞雷波法檢測軟基固結度［J］.山西建筑，2008(21):32 －33.

［3］肖柏勛. 高模式瑞雷面波及其正反演研究［D］. 長沙:中南大學，2000.

［4］高玉峰，張健，沈揚. 不同頻率波浪荷載作用下飽和粉土孔隙水壓力特性試驗研究［C］//第一屆全國巖土本構理論研討會論文集. 北京:中國力學學會巖石力力學專業委員會，中國土木工程學會土力學及巖土工程分會，2008:8 －9.

［5］耿光旭，李華平，劉金川. 用瑞雷波法探測水庫壩堤質量［C］//勘探地球物理2005 學術交流會論文集. 臺北:中國地質學會，2005:5 －6.

［6］祁生文，孫進忠，萬志清. 瞬態瑞雷波勘探方法的一點改進［J］. 遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2001，20(04):466 －468.

［7］凡友華，劉家琦，韓波. 瑞利面波頻散曲線的理論計算研究［J］. 湖 南 大 學 學 報:自 然 科 學 版，2001，28(03):10 －16.