馮海 羅大慶 李璐杰

摘要：與常規(guī)的地質(zhì)勘探技術(shù)相比，瞬態(tài)瑞雷面波法具有對(duì)場(chǎng)地的要求不高、性價(jià)比高、便于激發(fā)與識(shí)別、不受地層速度的影響等優(yōu)勢(shì)，因此，獲得了業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可，在解決淺層工程地質(zhì)問(wèn)題方面具有重要作用。文章結(jié)合實(shí)際工程案例，闡述了瞬態(tài)瑞雷面波法的勘察原理，并具體研究了瞬態(tài)瑞雷面波法在道路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：道路工程;瞬態(tài)瑞雷面波法;地質(zhì)勘察;原理;實(shí)踐

中圖分類號(hào)：U412.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.021

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0075-03

0引言

瞬態(tài)瑞雷面波法屬于物理勘探技術(shù)，其探測(cè)效率高，應(yīng)用范圍廣，在工程地質(zhì)勘察以及質(zhì)量檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。在道路工程建設(shè)過(guò)程中，由于工程施工區(qū)區(qū)域跨度大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地形地貌以及地層構(gòu)造變化，因此，前期的地質(zhì)勘探工作極為關(guān)鍵。常規(guī)的鉆探方式由于成本較高、勘探周期較長(zhǎng)，已經(jīng)難以有效滿足現(xiàn)代道路工程建設(shè)的要求，而隨著瞬態(tài)瑞雷面波法在道路工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用，這些問(wèn)題得到了有效的解決，充分保障了道路工程建設(shè)質(zhì)量。

1工程概況

某道路改造工程設(shè)計(jì)在原有道路的基礎(chǔ)上加寬16m，道路靠近河床邊緣地帶，需要對(duì)該處地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行全面勘探，主要目的是確定基巖埋深以及基巖上部土層分布的特征;確定基巖沿江分布的情況，明確基巖厚度與下伏地層的特征。考慮到施工條件以及本工程的工期要求，擬采用瞬態(tài)瑞雷面波法進(jìn)行勘察，儀器采用SWS-II型多波列工程勘探儀，采用專用的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2瞬態(tài)瑞雷面波法的原理

彈性波在遇到巖層彈性分界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)折射以及反射等情況，并且會(huì)在彈性分界面產(chǎn)生面波，以三維空間來(lái)看，折射波與反射波歲時(shí)間推移會(huì)開(kāi)始向整個(gè)彈性空間內(nèi)所有介質(zhì)傳播，此類波稱之為體波[1]。除此之外，彈性分界面還有另一種波，被稱之為面波，主要包括瑞雷波與拉夫波，瞬態(tài)瑞雷面波法主要是利用錘擊、炸藥以及落重等震源激發(fā)產(chǎn)生在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的瑞雷波[2]，此時(shí)瑞雷波會(huì)沿著介質(zhì)表面進(jìn)行傳播，在地表上沿著瑞雷波傳播的方向在一定范圍內(nèi)設(shè)置若干個(gè)檢測(cè)器，以此探測(cè)瑞雷波在該范圍內(nèi)傳播的過(guò)程，如圖1所示。瑞雷波散射特性以及其在介質(zhì)中傳播的速度均與介質(zhì)的密實(shí)程度、礦物成分以及裂隙發(fā)育的情況等因素有關(guān)，利用瑞雷波散射特性、傳播速度與介質(zhì)物理性質(zhì)之間的相關(guān)性，可以解決諸多地質(zhì)問(wèn)題，可以判斷巖土分層、基巖分化帶、不同巖層的埋深、性質(zhì)以及力學(xué)參數(shù)，從而為工程施工提供必要的參考。

3瞬態(tài)瑞雷面波法在道路工程地質(zhì)勘察中的實(shí)踐

在本項(xiàng)目中勘察儀器采用SWS-II型多波列工程勘探儀，激發(fā)震源采用18磅大錘錘擊;采用專用的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1布設(shè)勘探點(diǎn)

瞬態(tài)瑞雷面波法勘察的剖面長(zhǎng)度以及點(diǎn)距等主要根據(jù)沿線地質(zhì)情況、物理?xiàng)l件等因素確定，縱剖面勘探點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)當(dāng)與地質(zhì)剖面保持一致，沿勘察路線的中線進(jìn)行布設(shè)。若勘察區(qū)域的地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，可以考慮每間隔2個(gè)或者3個(gè)勘探點(diǎn)布設(shè)1個(gè)鉆探勘探點(diǎn);若勘察區(qū)域的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，則瑞雷波勘探點(diǎn)與鉆探勘探點(diǎn)需要間隔分[3]。如有必要，可在橫剖面布設(shè)勘探點(diǎn)，一般布設(shè)2個(gè)瑞雷波勘探點(diǎn)，1 個(gè)鉆探勘探點(diǎn)。對(duì)于施工區(qū)域內(nèi)比較關(guān)鍵的點(diǎn)，可以在勘察路線兩側(cè)設(shè)置縱剖面。需要注意的是，部分瑞雷波勘測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與鉆探勘測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重合，這樣便于進(jìn)行對(duì)照分析并驗(yàn)證勘察結(jié)果，可以提升勘察精度?？睖y(cè)點(diǎn)的間距按照瞬態(tài)瑞雷面波法的技術(shù)規(guī)程以及實(shí)際情況合理確定。

3.2激發(fā)和接收

要確保面波勘探質(zhì)量，瑞雷波激發(fā)的頻率以及接受檢波器的頻率極為關(guān)鍵，針對(duì)淺部工程地質(zhì)勘探，一般在0.5～10m處，需要激發(fā)高頻信號(hào)，接受檢波器頻率控制在30～100Hz范圍內(nèi)，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行接收。這對(duì)深部地質(zhì)勘察問(wèn)題，一般深度在20～40m時(shí)，接收檢波器頻率采用4Hz或者10Hz均可。若勘探深度不超過(guò)20m，-般采用20磅以下大錘進(jìn)行錘擊即可;若勘探深度在20～40m，可采用炸藥爆破或者落錘進(jìn)行激發(fā)。

3.3采集數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集是地質(zhì)勘察的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到地質(zhì)勘察結(jié)果的精度以及質(zhì)量。一般經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定好道間距以及偏移距后，淺部勘察的采樣率為0.25ms，記錄長(zhǎng)度為250ms，采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn);中、深部勘察的采樣率為0.5ms，記錄長(zhǎng)度為500ms～2s，采樣點(diǎn)數(shù)1024點(diǎn)[4]。為避免某一頻段波出現(xiàn)抑制，濾波需要選擇全通濾波。需要注意的是，若一側(cè)敲擊后采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳時(shí)，可以把激震點(diǎn)平移到另一側(cè)，再次進(jìn)行敲擊，并將兩次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，直到采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

3.4資料整理以及解釋

（1）對(duì)采集到的面波資料進(jìn)行整理、核對(duì)、檢查以及編錄;（2）將勘探現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行回放，識(shí)別面波，進(jìn)而確定面波時(shí)間域-空間域窗口，并在頻率-波數(shù)域內(nèi)提取面波;（3）開(kāi)展頻譜分析，并繪制頻散曲線圖，如圖2所示;（4）分析頻散曲線變化，針對(duì)各層變化速度以及層數(shù)變化的范圍作定性解釋;（5）利用鉆探資料以及收集的該區(qū)域地質(zhì)資料作定量解釋，明確各層的厚度以及面波波速，如表1所示，對(duì)頻散曲線做擬合解釋;（6）利用同一剖面面波點(diǎn)生成的頻散曲線，采用等速度剖面軟件繪制面波等速度剖面地震影像圖;（7）根據(jù)上述資料繪制出推斷解釋圖，根據(jù)圖示對(duì)施工區(qū)域內(nèi)各層巖土性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.5勘察成果的應(yīng)用

根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式可以得出巖層物理力學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)，面波的波速接近于剪切波的波速，且二者存在相關(guān)性。公式為：

V_n=V_s×（0.87+1.12m）/（1+m）⑴

式中：m——泊松比;

V_n——面波的波速;

V_s——彈性波速橫波速度。

也就是面波的速度與勘察介質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)密切相關(guān)，由完整巖石到流狀土體，面波的波速為0.90m/s，彈性波速橫波速度為0.92。V和貫入擊數(shù)（N_63.5）存在相關(guān)性[6]，按照中科院的推薦公式：V_s=85.34N_53.5^0.348，因此，V_R和路基承載力（f_ak）之間的關(guān)系就可以表示為：f_ak0.02=0.11405×V_R^1.4372，其中f_ak0.02即為地基承載力，計(jì)量單位為kPa。

4勘察效益分析

與常規(guī)鉆探的勘察方式相比，瞬態(tài)瑞雷面波法在勘察效率以及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)明顯，瞬態(tài)瑞雷面波法用時(shí)約為鉆探的1/10，相關(guān)費(fèi)用約為鉆探勘察的1/5。綜合利用瞬態(tài)瑞雷面波法與鉆探法，可以大幅縮短工程地質(zhì)勘察時(shí)間，降低工程地質(zhì)勘察費(fèi)用，有助于降低道路工程整體成本投入。

5結(jié)語(yǔ)

（1）瞬態(tài)瑞雷面波法主要是利用頻散曲線變化規(guī)律，也就是面波波速變化對(duì)勘察區(qū)域的地層進(jìn)行劃分，對(duì)巖土物理性質(zhì)進(jìn)行判斷，勘察效率較高，投入費(fèi)用較少，可以有效縮短工程地質(zhì)勘察周期，確?？辈熨|(zhì)量。若勘察區(qū)域的地形地貌以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，可以綜合化使用瞬態(tài)瑞雷面波法和鉆探法，可顯著提升勘察成果的精度。

（2）在進(jìn)行道路工程地質(zhì)勘察之前，注意收集勘測(cè)區(qū)域的地質(zhì)資料，了解公路沿線巖土分布，為后續(xù)勘察工作奠定基礎(chǔ)。從當(dāng)前瞬態(tài)瑞雷面波法在工程地質(zhì)勘察實(shí)踐的中的情況來(lái)看，其不僅適用于道路地質(zhì)勘察，同時(shí)也適用于路基質(zhì)量檢測(cè)、地下采用區(qū)的探測(cè)、滑坡調(diào)查以及軟土地基加固效果評(píng)估等多方面，并且都具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

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