瞬態瑞利面波技術在巖土工程勘察中的應用

張海云

（1.吉林大學建設工程學院,吉林長春130026;2.吉林省建筑科學研究設計院,吉林長春130011）

瞬態瑞利面波技術在巖土工程勘察中的應用

張海云*1,2

（1.吉林大學建設工程學院,吉林長春130026;2.吉林省建筑科學研究設計院,吉林長春130011）

介紹了瞬態面波勘探技術的工作原理與工作方法，并結合工程實例，分析了其在巖土工程勘察中的應用效果。通過瞬態面波法測試，準確地勘探出濕地公園地層內鋼渣的厚度和范圍，與鉆探勘探結果基本一致，提高了勘察效率，為盾構的順利穿越濕地公園場地提供了鋼渣層的工程物性依據。

瞬態面波；工程勘察；波速

瑞利面波勘探技術是一種新的淺層地震勘探方法，瑞利波具有能量強、易于激發與識別、不受地層速度影響和層狀介質中瑞利面波的傳播具有頻散特性的優點，為其應用于淺層地震勘探、結果定量解釋提供了依據[1-2]。面波勘探技術可按激振震源形式的不同可分為：穩態激振、瞬態激振、天然面波[3]。穩態激振法測定設備復雜，重量大，且測定時間長，工作量較大，對大面積測試工程不利；而瞬態激振較之于穩態激振，設備輕便，測試速度快，對地層適應性好；天然面波法則目前國內外學者已在研究。近年來，計算機技術和電子信息技術發展迅速，瞬態瑞利面波勘探技術相關的軟件和硬件不斷發展、改進和完善，已逐漸被廣泛應用于巖土工程各領域的工程實踐中，如巖土工程勘察、工程質量檢測等等，取得的社會效益和經濟效益也非常可觀。

1 勘探原理

1.1 面波特性

在半無限彈性介質表面，由于橫波（P波）和縱波（S波）相互干擾形成了面波，面波是一種沿地表傳播的波，傳播過程中其質點的運動軌跡基本呈橢圓形，長軸沿鉛垂方向，與傳播方向呈反向滾動。波在地層傳播的過程中，其能量基本上在一個波長深度范圍內衰減殆盡。當深度超過一個波長λR時，振幅趨于零[3]。故瑞利波的測試最大有效深度范圍不會超過一個波長λR。因此，激振產生一定頻率的瑞利波后，在地層中傳播的波速代表的是一個波長范圍深度內的平均波速。但是由于面波的水平和垂直振幅從彈性介質的表面向內部呈指數減小，面波傳遞大部分能量損失在1/2λR的深度范圍內，因此，某一波長的波速主要與深度小于1/2λR的地層物性有關[4]。

1.2 基本原理

瞬態瑞利面波測試其本質就是通過激振產生振動波，從而獲得地層的平均波速，反映地層的工程物性。在地表錘擊或落錘激振后，產生一定頻率范圍瑞利面波，測定不同頻率情況下地層的瑞利波平均波速，然后由瑞利波波速計算橫波的波速，從而來評價巖土體的相關工程性質。

無限空間中彈性介質橫波Vs的波速為：

式中：E——彈性模量，MPa；

ρ——密度，kg/m3；

μ——泊松比。對于一般的土而言，泊松比μ介于0.45～0.49之間。

通過瑞利波波動方程可得出瑞利面波和橫波波速之間的關系[5]：

若通過錘擊后產生的瑞利面波的波速為VR，激振產生的頻率為f，如前面波物性特點所述，所測定的波速代表的是測試場地內1/2波長深度內的平均的面波波速，反映的當然基本也是該深度內的地層的工程物性，即測試深度為H=λR/2=VR/2f。因此，錘擊激振產生的頻率越高，則λR越小，代表所測試的深度也就越淺。

反之，頻率越低，λR越長，勘探深度H越深，因此，兩個觀測點之間的距離L要隨著波長的改變而改變。若勘探較深范圍內的巖土體狀況，為測得較為準確的相位，一般選用低頻震動，此時，觀測點距離L相對較大。對于勘探深度較淺的高頻來說L要變小。

2 瞬態瑞利波勘探工作方法

2.1 測試方法

圖1 瞬態面波法測試原理示意圖

一般，瞬態瑞利波淺層測試可采用錘擊震源，重錘敲擊大底面積木板；深層測試時，可采用落錘高速沖擊底面積較小的物體激振，產生低頻振動。如圖1所示，在地表等間距布置N個檢波器，設間距為ΔX。重錘或落錘沖擊地面激振，形成瞬態的垂直脈沖信號。檢波器接收到震源振動經地層傳過來的脈沖信號，通過導線將采集過來的信號傳遞給采集分析系統，然后經A/D轉換后，傳給計算機。通過計算機軟件對采集的面波波形進行分析，顯示瑞利波在N個檢波器之間，測線長度為(N-1)ΔX的傳播過程，并計算瑞利波的波速，得到面波頻散曲線。

測試時，根據實踐經驗，一般λR/3＜ΔX＜2λR，間距較為合適。即最少2個波長范圍內布置一個采樣點，最多不超過3個。檢波器采樣間距的布置還應根據儀器的分辨率和場地的實際情況，按濾波原則和測試深度要求適當調整。

若激振產生的瑞利面波頻率為f，經過測線范圍內兩相鄰檢波器拾振記錄的時間相差Δt，設兩檢波器拾到的面波相位差為Δφ，可以求得這2個檢波器間距ΔX內頻率為f的瑞利波的波速VR為：

則N個檢波器范圍內的平均速度為：

時間差Δt可通過儀器記錄下來，且可以根據實際需要調整，信號分析處理后可以得到相位差Δφ，因此，通過多次不同頻率的試驗，求得同一地段不同頻率的VR值，即可得到VR-f頻散曲線。

初始測試時，初設間隔ΔX=0.5m，此時，探測深度較淺，測出的瑞利波波速僅反映靠近地表附近的工程性質，隨后，間距可逐步擴大，1m、2m、4m、…，擴大程度視探測深度而定。

2.2 激發與接收

一般來說，淺層探測（0.5～10m）時，ΔX設置較小的間距，得到高頻信號，用高頻檢波器（28～100Hz）接收；深部探測（20～40m）時，ΔX設置成較大的間距，產生低頻震動，用低頻檢波器（4或10Hz）接收。增大間距ΔX，檢波器可以接收到更多的低頻信號成分，也就能反映更深地層的工程性質。測深20m以內，一般用重錘（10kg左右）敲擊木板；測深20～40m，則可采用落錘。儀器現場通過計算機軟件得到時域和頻域圖形，并可現場處理存盤。

3 工程實例

3.1 工程概況

上海市某過江（黃浦江）隧道經過某濕地公園，采用盾構法施工。濕地公園下地層埋存有大量的厚鋼渣，據初步調查，其厚度大于4m。鋼渣層存在膨脹效應和粉化效應，有可能導致地基土的不均勻的豎向和水平脹縮變形，影響結構的穩定性，造成位移、開裂，甚至破壞。因此，勘察時必須探明濕地公園內盾構穿越范圍內鋼渣層的深度和范圍，以保證盾構施工的順利完成。

3.2 測試結果

沿盾構施工方向布置測線。通過測試發現面波存在明顯速度變化層位，高程在-7～-17m左右，埋深在15～23m左右推斷為鋼渣層底界面，向下2～8m推斷為鋼渣層下部土體壓實后的速度過渡帶（鋼渣在土層中分解，鐵離子及其他金屬離子滲透到下部土體中），其中中間井6+800處深度約15m處速度變化較明顯，推斷為鋼渣底埋深。鋼渣埋深最大處位于6+990～7+ 150段。

在瞬態面波法測試結束后，對該場地進行了鉆探取樣，通過取樣結果來看，鋼渣層的埋藏范圍和深度基本與測試結果一致。

4 結語

（1）通過瞬態面波法測試，準確地勘探出濕地公園地層內鋼渣的厚度和范圍，與鉆探取樣的結果一致。瞬態面波法測試提高了勘察效率，且為盾構的順利穿越濕地公園場地提供了鋼渣層的深度和工程物性依據。

（2）瞬態面波法測試較之于巖土工程勘察其它測試手段，測試簡單、快捷、直觀，成果較精確可靠，縮短了勘察時間。

[1]李永東,趙占廠,姜躍東.多道瞬態面波技術在賽白高速工程地質勘察中的應用[J].勘察科學技術,2011(3):56-58.

[2]苗宇寬.瞬態瑞雷面波勘探技術在工程勘察評價中的應用[J].地質找礦論叢,2006(增刊):178-180.

[3]曹樂輝,左國青,陳程,舒志平.瞬態面波勘探在建筑地基勘察中的應用[J].工程地球物理學報,2012,9(2)：184-187.

[4]林萬順.多道瞬態面波技術在水利及巖土工程勘察中的應用[J].工程勘察,2000(4):38-40.

[5]曹圣華,楊曉東,朱正坤,雷霄.瑞利面波法用于軟土地基勘察的試驗研究[J].河海大學學報：自然科學版,2003,31(4):419-423.

P631.4

B

1004-5716(2015)05-0011-03

2014-05-16

2014-05-19

張海云（1981-），男（漢族），廣西桂林人，工程師，現從事巖土工程勘察與施工工作。