應用面波法在混凝土表面測試條件下調查基巖特征

王小明　席超強　胡澤安

摘 要：瑞雷面波檢測方法作為一種較新型的公路工程質量檢測技術，利用其頻散特性，可對地下淺層地質信息進行科學、快速、準確地測試，在工程勘察中得到廣泛應用。但目前存在諸多以混凝土表面且下覆軟土層的測試條件來探查基巖的深度及其巖溶特征，可借鑒的資料及經驗相對較少。文章通過對多道瞬態瑞雷波方法技術闡述，結合工程實例，討論了混凝土下覆軟土層條件下，利用面波法對鐵路路基基巖面深度及巖溶賦存情況進行探查，結果表明多道瞬態瑞雷波法是一種高效適用的淺層工程物探方法。

關鍵詞：地震勘探；瞬態瑞雷面波法；基巖面；軟土層

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.117

1 引言

瞬態多道瑞利面波勘探技術已廣泛應用于工程地質勘探和工程質量檢測等領域中，與傳統檢測方法相比較，該方法具有使用簡便、非破損性、檢測成本低且能迅速提取反映地基基礎層狀結構頻散曲線等優點。利用其頻散特性，在地表科學、快速、準確地測試出有效地質信息是可行的一種方法手段，在工程勘察中應用面較為廣泛。瑞雷面波的探測的實質是根據人工激發的產生多種頻率的面波，利用瑞雷面波在傳播過程中的頻散特性，研究頻率與波長的關系，從而確定地表巖土的面波速度隨傳播深傳播位置的變化關系，來解決淺部工程地質和地基巖土的地震工程等問題[1～2]。

隨著高速公路、鐵路建設的如火如荼，大量的高速公路、鐵路修建于巖溶發育區，瑞雷面波勘探是探查基巖內部巖溶病害的一種無損、快速、連續且經濟有效的物探檢測方法。但混凝土下覆軟土層條件下，對基巖面的深度及基巖面內巖溶的探查，可借鑒性的經驗較少。相對于工程中的大量應用，檢測理論的深入研究已大大滯后。本文依據淮北市境內某鐵路路基檢測實驗成果，對瞬態瑞雷面波在混凝土下覆軟土層條件下探查基巖巖溶及基巖面深度進行研究[3～4]，為同類地質條件勘探提供參考。

2 瞬態瑞雷面波法勘探原理

瑞雷面波是在彈性界面附近由壓縮波和型剪切波的干涉疊加產生的一種地滾波，傳播能量集中在一定的范圍內，離開界面一定距離后其能量迅速衰減，質點運動軌跡為一逆進橢圓，即長軸垂直于地面，旋轉方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度為λR（λ波長）的圓柱體向外擴散。其主要特點是能量大，速度低，頻率低，衰減慢，信號容易被拾取。當它在均勻介質中傳播時，傳播速度與頻率無關，但在非均勻介質中的面波相速度隨頻率變化而變化（即瑞雷波的頻散性）。這些特性為瑞雷面波勘探提供了物理基礎[5～7]。

瑞雷波沿著地面表面傳播時，其穿透的深度大約為一個波長的長度，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質情況。在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距設置 N+1個檢波器，就可以檢測到瑞雷波在N長度范圍內的波場。

曲線或-曲線的變化規律與地下介質條件存在著內在聯系，通過對頻散曲線進行反演解釋，可得到地下某一深度范圍內的地質構造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度值，另一方面，值的大小與介質的物理特性有關，據此可以對巖土的物理性質作出評價。目前現場施工主要采用多通道方式進行數據采集，圖1為現場探測示意圖。

3 工程實例及分析

3.1 工程概況

該段路基位于淮北市境內，為客車聯絡線。勘探場區屬灰巖地層剝蝕區，地貌單元單一，地勢平坦開闊，地形略有起伏，地面高程一般在33.4～35.5m之間，高差小于0.5m。根據該段鐵路設計規劃，測試區路基為鐵路排洪設計，整段路基在原鐵路路基基礎上下挖10m，下挖范圍內均為粉質黏土，下挖到位后對路基進行平整與壓實，澆筑混凝土。根據現場鉆孔資料，該段路基上覆為厚混凝土層，中部夾雜粉質粘土，下部為白云質灰巖，淺部灰巖層風化較強，深部灰巖風化較弱，灰巖地層中發育巖溶裂隙，且賦含水。其物性差異明顯，為探查提供基礎。

3.2 數據采集和處理

現場施工中在路基延展方向布置兩條平行軸線測線（如圖2所示），分別為路基左、右測線，兩測線間距為6m，每條測線長度為14m。地震儀使用（Miniseis24）Geopen綜合工程探測儀，經前期現場試驗，采用小偏移距單邊排列方式連續采集多道面波數據，12道4.5hz的低頻檢波器接收，道間距1m，偏移距4m，移動步距1m，采樣間隔0.1ms，采樣點數為2k，震源用18磅重錘錘擊。現場采用單邊排列觀測系統布置，其是指僅在接收點排列一側激發的觀測形式。

面波勘探數據處理采用Seismic Pro 8.0完成，其關鍵是頻散曲線提取。目前，頻散曲線的提取方法主要有線性拉東變換、τ-p變換算法、 f-k變換算法和相移法。由于離散化和有限孔徑等原因，提取瑞雷面波的頻散曲線時存在著假頻現象及某些頻段能量譜分辨率低的問題[8～11]。數據處理采用f-k法和相位差法聯合分析來提取頻散曲線，結合兩者在提取頻散曲線時的優點，用f-k法計算生成頻散譜，用相位差法生成頻散曲線，在頻散譜上提取頻散曲線，此種方法可有效減少頻散曲線的不確定性。

3.3 結果解釋

（1）該段路基剪切波速度剖面圖大致分為三部分，及上部為高速層，中部為低速層，下部為高速層。結合地質資料，淺部高速區對應混凝土層，中部低速帶對應粉質粘土層，下部高速去對應基巖層。可以看出，地質分層與剪切波速度剖面圖有良好的對應性。粘土層由于經過平整與壓實，與混凝土層接觸面良好，在速度剖面圖中，混凝土層與粘土層界面非常清晰且水平，與實際情況較好對應。說明，在上覆高速混凝土層下覆軟夾層條件下，瑞雷面波能夠良好的探測接觸面完整性； （2）根據鉆孔資料，中間粘土軟夾層厚度大約為4m左右，由于粘土層下覆為分化程度較高的灰巖層，巖土體風化程度越高或破碎，其速度越低。在速度剖面圖中，低速帶厚度大約為10m左右，且低速度由上到下速度逐漸增高，下部速度逐漸增大部分推斷為高風化灰巖，由于物探資料的多解性，現場資料解釋時，需緊密結合現場地質資料； （3）在速度剖面圖中，下部高速層速度分布均勻，未見低速異常區，可知該探查段路基基巖內部巖溶發育程度差。

4 結論

文章結合路基地質條件多通道瞬態面波勘探實踐，對混凝土覆蓋條件下基礎條件評價取得相應的認識。

（1）通過選擇合適的觀測系統及采集參數，利用多通道瞬態瑞雷面波可在一定深度范圍內對混凝土夾軟土層條件下的地質異常特征進行識別，其結果可為工程建筑提供佐證； （2）多道面波勘探數據處理采用f-k法和相位差法聯合分析進行頻散曲線提取，可降低頻散曲線的不確定性，提高了對地下地質體的橫向及縱向分辨率； （3）在上覆高速層下覆軟夾層條件下，瑞雷面波勘探可對接觸面完整性及下覆地層的深度及巖溶情況進行精準、高效勘查。現場需要完成相應的探測實驗，通過及時驗證實踐與調整，進一步取得理想的探查效果。

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作者簡介：王小明（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士，研究方向：地球探測與信息技術。