利用地震映像技術確定地基覆蓋層厚度研究

張俊烽，張建根，盛群陸

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

在基巖埋深較淺的地區，大型構筑物的基礎設計、抗震設計以及場地類別的確定等均需要利用覆蓋層厚度資料[1,2]。因此，覆蓋層厚度的確定是基巖埋深較淺地區巖土工程勘察的重要內容。

常規的勘察手段是通過鉆探取芯判斷巖層的風化程度來確定基巖面。在工程可行性勘察階段和初步勘察階段由于鉆孔數量較少，在基巖面起伏較大的地區難以準確的確定基巖埋深。甚至有些情況下受條件限制無法采取鉆探的情況下，只能借助于工程物探的手段來實現對基巖面埋深的探測。常用的物探方法有電法、電磁法、地震法等[3]，各方法均有其特點和不同的適用范圍。筆者結合京秦高速公路某大型橋梁地基覆蓋層的勘察，綜合運用高密度地震映像法和瞬態面波測試，較為準確的得到了基巖面埋深，取得了一定的工程實效。

1 工程概況

本次勘察的擬建橋梁為跨線立交，橋長630m，橋面高在11～25 m之間，橋梁下部結構擬采用矩形墩柱，鉆孔灌注樁群樁基礎。橋址位于為半山區向平原過渡地帶，地面相對平坦，所經地段主要為耕地、苗圃、民房、廠房等。根據已有資料，所揭示地層差異較大，地質情況較為復雜。根據其他標段的鉆探成果結合已有的地質資料，區域內自上而下的主要地層分布見表1。

表1 （DQ58～DQ131）地層情況說明表

根據勘察要求，需要查明路基基巖面、強風化與中風化地層界面等，為橋梁樁基和抗震設計提供依據。現場由于征地、地形等原因，部分地段暫時無法進行鉆探，為了摸清地基覆蓋層厚度，為橋梁的初步設計和工程預算提供依據，決定采取以高密度地震映像為主，瞬態面波為輔的測試方法。

2 地球物理特征

覆蓋層是經過各種地質作用而堆積在基巖上的松散堆積物，一般是指第四紀地層。其地球物理特征為：巖性相對松散，具有差異風化，彈性波波速明顯低于基巖，一般認為剪切波速不超過500m/s[2]。質量密度低于基巖，同下臥基巖具有不同的波阻抗，具備地震勘探的基本地球物理條件。

3 技術路線與勘探原理

3.1 技術路線

由于本次勘察的標段現場大部分區域無法進行鉆探，且場地中有較大范圍的樹林、灌木、和苗圃，難以在整個場地采用排列較長的常規反射波法和面波勘探。

通過高密度地震映像測試可以得到測線下地層剖面的斷面圖，通過波阻抗界面的雙程走時和波速來推斷基巖面的準確位置。地震波在覆蓋層內的傳播時間可以直接得到，但是如何得到測線下地層不同深度處的波速分布情況，是一個重要問題。因為沒有足夠的現場波速測試資料，故選擇利用現場瞬態Rayleigh面波測試結果來反演土層剪切波速的分布，再與高密度地震映像測試結果相結合來綜合判斷基巖面的確切位置。

考慮到基巖的可能最大埋深會超過30 m，本次高密度地震映像主要依靠縱波反射法，縱波反射法相對橫波反射來說具有更強的穿透性，但是其分層能力要弱于橫波，因此本次勘測輔以瞬態瑞雷面波來對地震映像的結果加以驗證，并提供淺層土的波速信息。

地震映像測試中‘時-深’轉換處理的一個重要因素是轉換速度。速度的變化對于深度的轉換很敏感，處理時使用的轉換速度應盡可能接近地層的真實速度。地震測井是準確求取時深轉換速度的最好辦法，從地震測井中可得到地層的平均速度和層速度數據。若沒有地震測井時，也可用均方根速度（疊加速度或等效速度）求取層速度和平均速度，見圖1。

圖1 技術路線示意圖

3.2 理論原理

3.2.1 地震映像

地震映像法屬于地震勘探中的反射波法，其理論基礎是反射波法中的最佳偏移距技術。所謂最佳偏移距法，就是在最佳窗口內選擇公共偏移距，每激發一次用一道接收，然后按如圖2所示同步移動震源和傳感器，保持所選定的偏移距不變。將每一次激發的波動信號自動記錄下來，最后得到多道記錄，各道具有相同的偏移距。利用這種共偏移距地震剖面，容易正確識別同相軸，由于偏移距相同，不需作時差校正，具有簡便直觀特點，可以實現現場實時發現異常的技術目標。

圖2 地震映像數據采集方法

由于反射波在向下的傳播過程中，在兩種地層的分界面上，無論界面的波阻抗增大還是減小，都能夠產生反射波。即使波速相同，只要密度不同也會產生反射波。因此，相對折射波等方法來說，其具有更強的分層能力[3]。

3.2.2 瞬態Rayleigh面波

Rayleigh波由英國學者瑞利（Rayleigh）于1877年發現并證明，Rayleigh面波憑借其衰減小、信噪比高、抗干擾能力強、分辨率高，在層狀介質中所具有的頻散特性以及傳播速度與介質的物理力學性質有密切關系，在工程勘察和無損檢測中有著廣泛的應用[4,5]。Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用頻散曲線，反演地層厚度及剪切波速。

瞬態法又稱表面波頻譜分析法，測試時將測點布置在地面上沿波的傳播方向，按一定距離Δx設置n+1個傳感器。當錘頭敲擊地面時產生一個寬頻帶的脈沖信號，傳感器接收到瑞雷波在n·Δx長度范圍內的傳播過程。設瑞雷波的頻率fR，相鄰傳感器記錄的瑞雷波的時差為Δφ，則相鄰Δx長度內瑞利波的傳播速度為：

在地面上采用較大振幅的豎向沖擊振源，其中包含了豐富的頻率成分。由傅立葉變換將兩只與振源距離己知的檢波器信號作交叉功率譜和相干函數分析，由此求出瑞利波速度，進而得出土層剪切波波速。

4 現場測試及結果分析

4.1 現場測試

現場測試的關鍵就是測線、勘探點位置的布置和測試參數的合理選取。地震映像勘察測線沿橋梁中心線布置，受場地等現場條件限制，共有長度不等的5條，為配合、驗證地震映像的測試，在每條地震映像測線上布置兩個面波勘探點。

為了使信號采集過程中能夠將有效波（反射縱波）與直達波、反射波、折射波、多次反射波、面波等干擾波有效分離，從而實現或去有效波壓制干擾波提高信噪比的目的，通過現場的多次試驗、分析，確定最佳窗口設為距激發點25～45 m，決定采用30 m和40 m這2種偏移距。同時考慮到采樣長度和頻率的要求，確定本次采樣間隔0.125 ms，采樣點為2048，記錄長度為256 ms。

同樣，對于瞬態Rayleigh面波的偏移距、道間距等也是在考慮到勘探深度與精度的要求下，通過現場選排試驗來確定。本次測試采用偏移距15 m，道間距2 m，采樣間隔0.125 ms，采樣點4096，記錄長度512 ms。

4.2 結果分析

首先根據面波測試結果，根據頻散分析得到地層下不同深度處的剪切波速，根據等效剪切波速，得到不同深度內的等效縱波波速，從而為地震映像推斷基巖界面提供條件（圖3和圖4分別是面波的能量譜密度圖和頻散曲線圖）。

圖3 Rayleigh面波能量譜密度分析

圖4 面波頻散曲線分析

根據式（2）計算出不同深度內地層的等效剪切波速：

式中:μ為動泊松比，根據縱波與剪切波波速關系分析計算得到測試區域從地面至各風化層界面的縱波等效波速的范圍見表2。

表2 不同深度范圍內等效縱波波速（單位：m/s）

利用各層等效縱波波速結合地震映像的測試圖可以得到基巖各風化界面的起伏狀況。圖5～圖7為3條測線上的地震映像剖面圖。

圖5 1#測線的地震映像剖面圖

圖6 2#測線的地震映像剖面圖

圖7 3#測線的地震映像剖面圖

從圖5～圖7可以看出，總體來看各條測線地震映像剖面圖各同相軸連續性較好，各層波阻抗界面反映清晰。可以為基巖界面及風化層厚度分析提供較好的分析依據。值得注意的是2#起始段（9～17道附近）和3#測線中部（36～50道附近）的風化層內波形較亂，同相軸不連續，可能會有不良地質情況出現，建議結合鉆探資料和其他測試手段判定具體情況。

結合測試區地層縱波等效波速得到的覆蓋層及各風化界面地質剖面推斷見圖8～圖10。

圖8 1#測線的地質解譯剖面圖

圖9 2#測線的地質解譯剖面圖

圖10 3#測線的地質解譯剖面圖

6 結論

本次測試共3條測線，通過面波結合高密度地震映像達到了摸清覆蓋層及各巖石風化層厚度的任務，可作為地質條件分析的參考。但是地震映像的分析界面為波阻抗界面，與地質風化界面雖有相關性卻并不完全相同，因此建議結合鉆探及其它勘察測試成果進一步分析，以提高分析的有效性。

[1]GB50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2]GB50021—2001,巖土工程勘察規范[S].

[3]中國水利電力物探科技信息網.工程物探手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[4]呂耀志,譚儒蛟,徐鵬逍,等.瞬態瑞雷面波技術在人工填土勘察中的應用[J].工程勘察,2014(1):87-90.

[5]李杰生,錢春宇,廖紅建.多道瞬態面波法在鐵路路基測試中的應用[J].巖土力學,2003(24):611-615.