淺談瑞雷波法在巖土工程檢測中的應用

李明

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心　重慶　渝中　400017）

淺談瑞雷波法在巖土工程檢測中的應用

李明

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心重慶渝中400017）

新時期，科學技術不斷發(fā)展，對于瑞雷波法的應用研究取得了很大進步，為工程檢測解決了很多難點。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，瑞雷波法與力學性質(zhì)以及不同的波長的傳播介質(zhì)密切相關。通過該方法進行傳播，對其本身的頻散性進行分析、利用，能夠在巖土工程檢測中發(fā)揮重要作用。對此，本文將詳細探究瑞雷波法在巖土工程檢測中的應用。

瑞雷波法；巖土工程檢測；應用

引言

在工程實際勘測過程中，巖體的密實程度、承載能力以及巖土體的物理學性能與應力波的傳播特性存在著較大的相關性，由此可以將瑞雷波的傳播速度作為指標，對巖土工程填土密實程度、路基承載能力以及施工質(zhì)量進行評價。

1　瞬態(tài)瑞雷波的特點及測試原理

1.1瑞雷波的特點

瑞雷波的能量很高，約占全部波動能量的60～70%，并且其主要能量都集中在0.8λR（λR為瑞雷波波長）深度內(nèi)。當瑞雷波的波動傳播到一個波長深度時，能量就會被全部衰減。通常情況下，波的頻率成分會直接影響瑞雷波測試深度，對此，可以通過控制頻率測定不同深度介質(zhì)的平均速度VR。

1.2瞬態(tài)瑞雷波測試原理

瑞雷波勘探可以根據(jù)激勵方式的不同分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種方法，其中瞬態(tài)瑞雷波法又被稱為表面波頻譜分析法，簡記為SASW法。瞬態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法的區(qū)別在于震源不同，前者是在地面上產(chǎn)生一瞬時沖擊力，生成一定頻率范圍的瑞雷波，而后者則產(chǎn)生單一頻率的瑞雷波。

瑞雷波主要具有以下主要特性：

（1）當瑞雷波在自由表面附近傳播時，在波傳播方向的垂直面上，質(zhì)點會不斷發(fā)生振動，并且隨著傳播深度的增加，振幅會越來越小，質(zhì)點的振動軌跡在波的傳播方向上作順時針或逆時針的橢圓運動；

（2）瑞雷波大部分能量損失在1/2波長的深度范圍內(nèi)，這說明某一波長的波速主要與深度小于1/2波長的地層物性有關；

（3）在均勻介質(zhì)中，瑞雷波并不具備頻散特性，但是在多層非均勻介質(zhì)中，瑞雷波卻具有明顯的頻散特性，瑞雷波沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個波長，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映出不同深度的地質(zhì)情況。

2　瑞雷波的主要檢測方法

2.1穩(wěn)態(tài)法

圖1為穩(wěn)態(tài)瑞雷波的勘探原理示意圖，當激振器在地面上施加相應頻率的簡諧豎向激振的情況下，該頻率下的瑞雷波是以一定的方向沿著表層進行傳播的，通過設置在地面上的檢波器，能夠?qū)ο噜徣鹄撞ǖ耐辔粫r間差△t進行測量，并根據(jù)公式VR=△x/△t，計算出瑞雷波的傳播速度。如果相應的改變地面激振器的振動頻率，就能夠測算出當前頻率下的VR值。根據(jù)此項原則，如果將振動器的振動頻率設置為從高到低的逐步變化，就會相應的得出一條不同頻率下的瑞雷波傳播速度曲線。

圖1　穩(wěn)態(tài)法原理示意圖

對于穩(wěn)態(tài)瑞雷波來說，其主要優(yōu)勢在于能夠采用較低的頻率，從而進行較大深度的巖土工程勘測。另外，從對各頻點資料的實測過程分析來看，其同樣也具有著施工速度較慢、施工效率較低的特點，從本質(zhì)上來說穩(wěn)態(tài)瑞雷波是屬于彈波的應用范疇，但是與瞬態(tài)法不同的是，穩(wěn)態(tài)瑞雷波探測需要配置相應的激振系統(tǒng)，而瞬態(tài)法則需配備具有較強信號處理功能的計算機系統(tǒng)。

2.2瞬態(tài)法

圖2為瞬態(tài)法的勘探原理示意圖，相對于穩(wěn)態(tài)法來說，瞬態(tài)法主要是采用在地面上造成瞬間的沖擊力，從而產(chǎn)生相應頻率范圍的瑞雷波，并通過不同頻率的瑞雷波相互疊加，最終以脈沖的形式向前傳播。與穩(wěn)定法不同的是，瞬態(tài)法所記錄的信號要經(jīng)過相應的頻譜分析，才能將不同頻率的瑞雷波區(qū)分開來，最終得出一條不同頻率下的瑞雷波傳播速度曲線。瞬態(tài)法具有著儀器設備較為輕便、施工速度相對較快的優(yōu)勢，但是在當前應用過程中，其所亟需解決的問題是如何通過低頻率信號的激發(fā)，從而進一步增強其勘測深度。

瞬態(tài)瑞雷波主要是一種在地面上一點激發(fā)出不同頻率的瞬態(tài)瑞雷波，在沿著地面表層傳播的過程中，其同一頻率的波長傳播特性能夠有效的反應出巖土地介質(zhì)在水平方向上的變化情況，而不同頻率的傳播特性則是對介質(zhì)深度變化情況的有效反應。瞬態(tài)瑞雷波法的最佳探測深度為30m以內(nèi)，其橫向分辨率主要取決于采樣點的距離，為了提升縱向的分辨率，可以采用增加相應的低頻成分的方法。

3　瑞雷波測試在巖土工程中的應用實例

某巖土工程場區(qū)主城區(qū)約15km，距火車站約8km，離機場約20km，與高速相隔約16km，場區(qū)東西寬約277～401m，南北長約740m，占地面積約0.23km2。

圖2　瞬態(tài)瑞雷波產(chǎn)生頻率

該項目采用的瞬態(tài)瑞雷波法是在激振時，產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞雷波，并以復頻形式傳播?？睖y現(xiàn)場采用縱排列接收瑞雷波，通過現(xiàn)場勘測試驗，并結合場地實際情況進行詳細分析，選擇合適的采集間隔、道間距、記錄長度、偏移距等參數(shù)。

該巖土工程勘測選用的現(xiàn)場瑞利面波數(shù)據(jù)采集記錄儀器為WZG6-24土程數(shù)字地震儀，處理軟件為SWS瑞雷波處理軟件包。儀器主要參數(shù)如下：

（1）通道數(shù)：24道；

（2）采集點數(shù)：512，1024，2048可選；

（3）放大器：瞬時一浮點放大器；

（4）A/D轉(zhuǎn)換：16位；

（5）動態(tài)范圍：120dB；

（6）濾波：帶通、陷波；

（7）儀器通頻帶：0.5～5000Hz。

根據(jù)對該工程的實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，強夯厚度在15m以內(nèi)，因此，本次面波測試每點為一個排列，每一排列為12道，道間距離設置為2.5m，排列長度21m，并且采用人土單邊錘擊激發(fā)采數(shù)。

對于該巖土工程勘察，現(xiàn)場采數(shù)方面應用4Hz面波令用檢波器，并且根據(jù)工程實際情況，對于瑞雷波的激發(fā)可以使用錘擊震源或落重震源，道間距設定為2.3m、偏移距設定為8m左右，對于測試參數(shù)的設定，必須保證檢測深度達到進入強風化層1～2m要求。

對于檢測點的布設，應該盡量選擇填方厚度較大的區(qū)域，另外還應該對N120動力觸探試驗進行有針對性布點。

瑞雷波在巖土工程中的檢測作用主要有以下幾點：

3.1地層劃分

為了明確不同地層的厚度以及波在傳播時的速度，必須合理的解釋一些特殊變化，即瑞波頻散的曲線，只有明確曲線的意義，才能對底層進行有效劃分。

3.2地基加固處理效果評價

在巖土工程實際勘測的過程中，應該通過相應的措施對地基的加固情況進行持續(xù)跟進。通常情況下，波速的不同主要是因為受到了地基加固的影響，而這一結果需要進行科學合理的地質(zhì)勘測才能獲得，通過測試結果，能夠詳細分析地基加固之前和加固之后的不同狀況。在實際應用中，其物理學的性質(zhì)改善的程度一般是顯而易見的。

3.3巖土的物理力學參數(shù)原位測試

在巖土工程實際勘測過程中，確定巖土層的S波速度、P波速度及密度等參數(shù)至關重要，與地質(zhì)勘測密切相關。因此，工作人員在完成勘測后，應該立即掌握第一手勘測資料，并且對勘測資料進行詳細分析和反演解釋，最終得出相關數(shù)據(jù)。

3.4公路、機場跑道質(zhì)量無損檢測

這是高頻瑞雷波的一種應用形式，但是此類瑞雷波需要經(jīng)過人為激發(fā)，使用該種高頻瑞雷波，能夠快速、準確的確定路面的抗折、抗壓強度，路基的載荷能力，以及各結構層厚度。除此以外，采取穩(wěn)態(tài)法進行監(jiān)測至關重要。近年來，對于機場跑道以及公路質(zhì)量的監(jiān)控離不開穩(wěn)態(tài)法的支持。

3.5地下空洞及掩埋物的探測

與傳統(tǒng)的勘探方法相比，采用穩(wěn)態(tài)法進行勘探優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在對于掩埋物以及地下空洞的勘探方面效果十分顯著，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(fā)生不正常的現(xiàn)象。因此，瑞雷波法在地下空洞和掩埋物的勘測上具有十分廣闊的應用前景。

3.6飽和砂土層的液化判別

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

4　結語

瑞雷波法具有著傳播速度低、傳播過程中衰減較小且抗干擾能力相對較強的特點，是一種具有經(jīng)濟性和快捷性的檢測手段。將瑞雷波法應用于巖土工程勘測中，主要是因為其能夠憑借著頻散特征對巖土工程的地質(zhì)介質(zhì)結構進行分析和推測，并在地基加固深度以及承載力的大面積檢測方面有較為獨特的優(yōu)勢，能夠大大提升巖土工程檢測的效率。

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[3]賈男.巖土工程勘察質(zhì)量控制分析[J].民營科技，2015（07）：76～77.

TU195

A

1673-0038（2015）43-0178-02

2015-10-3

李明（1971-），女，中級工程師，大學本科，主要從事巖土工程檢測工作。