薛曉東，程新原，趙向佳，曾金艷，馬秀芳

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025）

0 引言

在地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目中，主要應(yīng)用3種場(chǎng)地波速測(cè)量方法：檢層法、交孔法以及表面波法。在天然地震中，瑞雷波是危害性最大的一種地震波。人工地震勘探中，瑞雷波是一種強(qiáng)干擾波。因此，對(duì)瑞雷波的早期研究，人們主要是根據(jù)瑞雷波的特點(diǎn)，采取諸多方法來(lái)減小它的危害或消除它的影響。直至70年代，出現(xiàn)了利用人工激發(fā)的高頻（數(shù)赫茲—數(shù)百赫茲）瑞雷波來(lái)解決淺層工程地質(zhì)問(wèn)題的方法技術(shù)［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，瑞雷波勘探方法在地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 瑞雷波勘探原理

瑞雷波是一種表面波，其特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)在波的傳播方向垂直平面內(nèi)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，其傳播速度略小于橫波［2］。瑞雷波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個(gè)波長(zhǎng)，因此，同一波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映地質(zhì)條件在水平方向的變化情況。不同波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況［3］。利用人工激發(fā)的瑞雷波，在實(shí)際工作中可以解決諸多淺層地質(zhì)問(wèn)題［4］。

2 瑞雷波勘探方法在地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目中解決的問(wèn)題

（1）工程地質(zhì)勘察。利用實(shí)測(cè)的瑞雷波頻散曲線，通過(guò)定量解釋?zhuān)梢缘玫礁鞯刭|(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映地層的“軟”“硬”程度。因此，可以對(duì)第四紀(jì)地層進(jìn)行劃分，確定地基的持力層。地層中存在的低速度帶反映出地下賦存有軟弱夾層，這類(lèi)地層對(duì)建筑物易造成危害，瑞雷波勘探可方便地劃分出該軟弱層的埋深及范圍。

（2）巖土的物理力學(xué)參數(shù)確定。原位測(cè)試波速的大小與介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，如，密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比密切相關(guān)。因此，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演擬合解釋?zhuān)梢缘玫綆r、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出其他參數(shù)。

（3）飽和砂土層的液化判別。當(dāng)較松散的飽和砂土層受到振動(dòng)時(shí)，會(huì)被振實(shí)，體積減小。如果不排水，孔隙水壓力就會(huì)增高。在連續(xù)振動(dòng)的條件下，砂土層內(nèi)的孔隙水壓力增高到一定程度，孔隙水壓力就會(huì)等于上覆土壓力，在這種情況下，砂土層就不再具有抗剪強(qiáng)度，而處于液化狀態(tài)?？梢?jiàn)，飽和砂土層在振動(dòng)作用下液化與否，與砂土層的密實(shí)度有關(guān)，越松散越易發(fā)生液化；反之，則不易液化。反應(yīng)在波速上，波速越低越易液化；反之，不易液化。根據(jù)一定場(chǎng)地內(nèi)飽和砂土層的埋深，地下水位的深淺等地質(zhì)條件，可以計(jì)算出該飽和砂土層的液化臨界波速值。實(shí)測(cè)波速大于該臨界值，為非液化層，小于則為液化層。

3 工程項(xiàng)目實(shí)例

工程場(chǎng)地所處地貌單元為呂梁山隆起區(qū)黃土覆蓋基巖丘陵區(qū)，場(chǎng)地經(jīng)人工平整，平坦開(kāi)闊。據(jù)地震勘察鉆孔資料，場(chǎng)地北部覆蓋土層小于10m，南部覆蓋層厚度大于10m（見(jiàn)圖1、圖2）。據(jù)工程地震場(chǎng)地條件，在工程場(chǎng)地布設(shè)2個(gè)地震鉆孔及面波勘測(cè)點(diǎn)M1和M2（見(jiàn)圖3），對(duì)其分別進(jìn)行測(cè)試。地震鉆孔巖性和剪切波速測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 鉆孔DZK1綜合柱狀圖Fig.1 Synthesis column of borehole DZK1

圖2 鉆孔DZK2綜合柱狀圖Fig.2 Synthesis column of borehole DZK2

采用地震勘探中的面波法分別對(duì)測(cè)點(diǎn)M1、M2進(jìn)行勘探，使用的儀器是美國(guó)Geometrics公司設(shè)計(jì)制造的StrataVisorTMNZ48型淺層地震儀，NZ淺層地震儀具有大動(dòng)態(tài)范圍和20kHz帶寬，24位∑—△模數(shù)轉(zhuǎn)換器和Geometries特有的過(guò)采樣技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于折射、反射、面波、地震勘探和地震監(jiān)測(cè)。面波反演得到的剪切波速分布如圖4、圖5所示，波速測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、第30頁(yè)表2所示。

圖3 工程場(chǎng)地面波測(cè)試及地震鉆孔布置圖Fig.3 Surface wave prospecting lines and borehole locations in the engineering site

圖4 測(cè)點(diǎn)M1土層場(chǎng)地剪切波速分布圖Fig.4 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M1

圖5 測(cè)點(diǎn)M2土層場(chǎng)地剪切波速分布圖Fig.5 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M2

表1 測(cè)點(diǎn)M1場(chǎng)地剪切波速表Table.1 Shear wave velocities of measuring point M1

表2 測(cè)點(diǎn)M2場(chǎng)地剪切波速表Table.2 Shear wave velocities of measuring point M2

4 結(jié)論

據(jù)地震勘察鉆孔波速測(cè)量及面波勘探結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

（1）判斷場(chǎng)地土類(lèi)型和建筑場(chǎng)地類(lèi)別。

根據(jù)工程場(chǎng)地地震勘察鉆孔波速測(cè)量結(jié)果，計(jì)算工程場(chǎng)地松散覆蓋層土層等效剪切波速值DZK1為321.11m／s，DZK2為344.83m／s，而面波測(cè)量結(jié)果M1為319.92m／s，M2為335.51m／s，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010）中的規(guī)定，地震勘察鉆孔波速測(cè)量和面波測(cè)量場(chǎng)地土類(lèi)型均為中硬土。據(jù)地震勘察鉆孔可確定場(chǎng)地覆蓋層厚度分別為8.05m和10.93m，綜合判定場(chǎng)地類(lèi)別均為Ⅱ類(lèi)。

（2）巖土的物理力學(xué)參數(shù)確定。

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演擬合解釋?zhuān)梢缘玫綆r、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出剪切模量、壓縮模量、泊松比等其他參數(shù)，為下一步工程場(chǎng)地地震反應(yīng)分析中建立場(chǎng)地土層模型做準(zhǔn)備。

5 結(jié)語(yǔ)

瑞雷波法用于地震工程有如下幾方面的特點(diǎn)：

（1）淺層分辨率高。同一介質(zhì)中，瑞雷波較其他類(lèi)型的彈性波傳播速度小，且只在表層某深度內(nèi)傳播。在穩(wěn)態(tài)激振條件下，頻率范圍和頻率的變化間隔均可根據(jù)勘察目的人為確定，需要時(shí)，波長(zhǎng)變化可控制在毫米級(jí)范圍，即以深度變化數(shù)毫米的間隔由淺向深勘測(cè)。所以，該方法可以確定土層厚度及探測(cè)到厘米級(jí)寬度的裂隙。這樣的精度，其他彈性波法是無(wú)法與之比擬的。

（2）不受各地層速度關(guān)系的影響，瑞雷波法只要求具有波速差異，即使差異只有10%也可以精確進(jìn)行分辨。

（3）瑞雷波用于地震工程勘探，不僅可以解決諸多的地質(zhì)問(wèn)題，且該方法具有省時(shí)省力、勘探費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。

［1］朱裕林.瑞雷波勘探在工程勘察中的應(yīng)用［J］.工程勘察，1991（1）：65－68.

［2］黃嘉正，周鴻秋，關(guān)小平.工程地質(zhì)中瑞雷波法勘探的理論初探［J］.物探與化探，1991（4）：268－277.

［3］楊成林，張朝峰，張家奇，等.瑞雷面波勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

［4］賈貴智.淺論瑞雷波法勘探原理及其應(yīng)用［J］.西部探礦工程，1997（4）：29－30.