瑞雷波勘探方法在地震安全性评价项目中的应用与研究

薛晓东，程新原，赵向佳，曾金艳，马秀芳

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

在地震安全性评价项目中，主要应用3种场地波速测量方法：检层法、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种地震波。人工地震勘探中，瑞雷波是一种强干扰波。因此，对瑞雷波的早期研究，人们主要是根据瑞雷波的特点，采取诸多方法来减小它的危害或消除它的影响。直至70年代，出现了利用人工激发的高频（数赫兹—数百赫兹）瑞雷波来解决浅层工程地质问题的方法技术［1］。随着技术的发展和成熟，瑞雷波勘探方法在地震安全性评价项目中也得到了广泛的应用。

1 瑞雷波勘探原理

瑞雷波是一种表面波，其特点是质点在波的传播方向垂直平面内振动，质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆，且振幅随深度呈指数函数急剧衰减，其传播速度略小于横波［2］。瑞雷波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此，同一波长瑞雷波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况。不同波长瑞雷波的传播特性反映不同深度的地质情况［3］。利用人工激发的瑞雷波，在实际工作中可以解决诸多浅层地质问题［4］。

2 瑞雷波勘探方法在地震安全性评价项目中解决的问题

（1）工程地质勘察。利用实测的瑞雷波频散曲线，通过定量解释，可以得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度，传播速度的大小直接反映地层的“软”“硬”程度。因此，可以对第四纪地层进行划分，确定地基的持力层。地层中存在的低速度带反映出地下赋存有软弱夹层，这类地层对建筑物易造成危害，瑞雷波勘探可方便地划分出该软弱层的埋深及范围。

（2）岩土的物理力学参数确定。原位测试波速的大小与介质的物理力学参数，如，密度、剪切模量、压缩模量、泊松比密切相关。因此，通过对实测资料的反演拟合解释，可以得到岩、土层的横波速度、纵波速度、密度等参数，进而计算出其他参数。

（3）饱和砂土层的液化判别。当较松散的饱和砂土层受到振动时，会被振实，体积减小。如果不排水，孔隙水压力就会增高。在连续振动的条件下，砂土层内的孔隙水压力增高到一定程度，孔隙水压力就会等于上覆土压力，在这种情况下，砂土层就不再具有抗剪强度，而处于液化状态。可见，饱和砂土层在振动作用下液化与否，与砂土层的密实度有关，越松散越易发生液化；反之，则不易液化。反应在波速上，波速越低越易液化；反之，不易液化。根据一定场地内饱和砂土层的埋深，地下水位的深浅等地质条件，可以计算出该饱和砂土层的液化临界波速值。实测波速大于该临界值，为非液化层，小于则为液化层。

3 工程项目实例

工程场地所处地貌单元为吕梁山隆起区黄土覆盖基岩丘陵区，场地经人工平整，平坦开阔。据地震勘察钻孔资料，场地北部覆盖土层小于10m，南部覆盖层厚度大于10m（见图1、图2）。据工程地震场地条件，在工程场地布设2个地震钻孔及面波勘测点M1和M2（见图3），对其分别进行测试。地震钻孔岩性和剪切波速测量结果见图1、图2。

图1 钻孔DZK1综合柱状图Fig.1 Synthesis column of borehole DZK1

图2 钻孔DZK2综合柱状图Fig.2 Synthesis column of borehole DZK2

采用地震勘探中的面波法分别对测点M1、M2进行勘探，使用的仪器是美国Geometrics公司设计制造的StrataVisorTMNZ48型浅层地震仪，NZ浅层地震仪具有大动态范围和20kHz带宽，24位∑—△模数转换器和Geometries特有的过采样技术，可广泛应用于折射、反射、面波、地震勘探和地震监测。面波反演得到的剪切波速分布如图4、图5所示，波速测试数据如表1、第30页表2所示。

图3 工程场地面波测试及地震钻孔布置图Fig.3 Surface wave prospecting lines and borehole locations in the engineering site

图4 测点M1土层场地剪切波速分布图Fig.4 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M1

图5 测点M2土层场地剪切波速分布图Fig.5 Shear wave velocities of soil layers in measuring point M2

表1 测点M1场地剪切波速表Table.1 Shear wave velocities of measuring point M1

表2 测点M2场地剪切波速表Table.2 Shear wave velocities of measuring point M2

4 结论

据地震勘察钻孔波速测量及面波勘探结果，可得到如下结论：

（1）判断场地土类型和建筑场地类别。

根据工程场地地震勘察钻孔波速测量结果，计算工程场地松散覆盖层土层等效剪切波速值DZK1为321.11m／s，DZK2为344.83m／s，而面波测量结果M1为319.92m／s，M2为335.51m／s，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）中的规定，地震勘察钻孔波速测量和面波测量场地土类型均为中硬土。据地震勘察钻孔可确定场地覆盖层厚度分别为8.05m和10.93m，综合判定场地类别均为Ⅱ类。

（2）岩土的物理力学参数确定。

通过对实测资料的反演拟合解释，可以得到岩、土层的横波速度、纵波速度、密度等参数，进而计算出剪切模量、压缩模量、泊松比等其他参数，为下一步工程场地地震反应分析中建立场地土层模型做准备。

5 结语

瑞雷波法用于地震工程有如下几方面的特点：

（1）浅层分辨率高。同一介质中，瑞雷波较其他类型的弹性波传播速度小，且只在表层某深度内传播。在稳态激振条件下，频率范围和频率的变化间隔均可根据勘察目的人为确定，需要时，波长变化可控制在毫米级范围，即以深度变化数毫米的间隔由浅向深勘测。所以，该方法可以确定土层厚度及探测到厘米级宽度的裂隙。这样的精度，其他弹性波法是无法与之比拟的。

（2）不受各地层速度关系的影响，瑞雷波法只要求具有波速差异，即使差异只有10%也可以精确进行分辨。

（3）瑞雷波用于地震工程勘探，不仅可以解决诸多的地质问题，且该方法具有省时省力、勘探费用低等优点，在经济效益、社会效益方面具有较好的优势。

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

［2］黄嘉正，周鸿秋，关小平.工程地质中瑞雷波法勘探的理论初探［J］.物探与化探，1991（4）：268－277.

［3］杨成林，张朝峰，张家奇，等.瑞雷面波勘探［M］.北京：地质出版社，1993.

［4］贾贵智.浅论瑞雷波法勘探原理及其应用［J］.西部探矿工程，1997（4）：29－30.