瞬态瑞利面波技术在岩土工程勘察中的应用

张海云

（1.吉林大学建设工程学院,吉林长春130026;2.吉林省建筑科学研究设计院,吉林长春130011）

瞬态瑞利面波技术在岩土工程勘察中的应用

张海云*1,2

（1.吉林大学建设工程学院,吉林长春130026;2.吉林省建筑科学研究设计院,吉林长春130011）

介绍了瞬态面波勘探技术的工作原理与工作方法，并结合工程实例，分析了其在岩土工程勘察中的应用效果。通过瞬态面波法测试，准确地勘探出湿地公园地层内钢渣的厚度和范围，与钻探勘探结果基本一致，提高了勘察效率，为盾构的顺利穿越湿地公园场地提供了钢渣层的工程物性依据。

瞬态面波；工程勘察；波速

瑞利面波勘探技术是一种新的浅层地震勘探方法，瑞利波具有能量强、易于激发与识别、不受地层速度影响和层状介质中瑞利面波的传播具有频散特性的优点，为其应用于浅层地震勘探、结果定量解释提供了依据[1-2]。面波勘探技术可按激振震源形式的不同可分为：稳态激振、瞬态激振、天然面波[3]。稳态激振法测定设备复杂，重量大，且测定时间长，工作量较大，对大面积测试工程不利；而瞬态激振较之于稳态激振，设备轻便，测试速度快，对地层适应性好；天然面波法则目前国内外学者已在研究。近年来，计算机技术和电子信息技术发展迅速，瞬态瑞利面波勘探技术相关的软件和硬件不断发展、改进和完善，已逐渐被广泛应用于岩土工程各领域的工程实践中，如岩土工程勘察、工程质量检测等等，取得的社会效益和经济效益也非常可观。

1 勘探原理

1.1 面波特性

在半无限弹性介质表面，由于横波（P波）和纵波（S波）相互干扰形成了面波，面波是一种沿地表传播的波，传播过程中其质点的运动轨迹基本呈椭圆形，长轴沿铅垂方向，与传播方向呈反向滚动。波在地层传播的过程中，其能量基本上在一个波长深度范围内衰减殆尽。当深度超过一个波长λR时，振幅趋于零[3]。故瑞利波的测试最大有效深度范围不会超过一个波长λR。因此，激振产生一定频率的瑞利波后，在地层中传播的波速代表的是一个波长范围深度内的平均波速。但是由于面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，面波传递大部分能量损失在1/2λR的深度范围内，因此，某一波长的波速主要与深度小于1/2λR的地层物性有关[4]。

1.2 基本原理

瞬态瑞利面波测试其本质就是通过激振产生振动波，从而获得地层的平均波速，反映地层的工程物性。在地表锤击或落锤激振后，产生一定频率范围瑞利面波，测定不同频率情况下地层的瑞利波平均波速，然后由瑞利波波速计算横波的波速，从而来评价岩土体的相关工程性质。

无限空间中弹性介质横波Vs的波速为：

式中：E——弹性模量，MPa；

ρ——密度，kg/m3；

μ——泊松比。对于一般的土而言，泊松比μ介于0.45～0.49之间。

通过瑞利波波动方程可得出瑞利面波和横波波速之间的关系[5]：

若通过锤击后产生的瑞利面波的波速为VR，激振产生的频率为f，如前面波物性特点所述，所测定的波速代表的是测试场地内1/2波长深度内的平均的面波波速，反映的当然基本也是该深度内的地层的工程物性，即测试深度为H=λR/2=VR/2f。因此，锤击激振产生的频率越高，则λR越小，代表所测试的深度也就越浅。

反之，频率越低，λR越长，勘探深度H越深，因此，两个观测点之间的距离L要随着波长的改变而改变。若勘探较深范围内的岩土体状况，为测得较为准确的相位，一般选用低频震动，此时，观测点距离L相对较大。对于勘探深度较浅的高频来说L要变小。

2 瞬态瑞利波勘探工作方法

2.1 测试方法

图1 瞬态面波法测试原理示意图

一般，瞬态瑞利波浅层测试可采用锤击震源，重锤敲击大底面积木板；深层测试时，可采用落锤高速冲击底面积较小的物体激振，产生低频振动。如图1所示，在地表等间距布置N个检波器，设间距为ΔX。重锤或落锤冲击地面激振，形成瞬态的垂直脉冲信号。检波器接收到震源振动经地层传过来的脉冲信号，通过导线将采集过来的信号传递给采集分析系统，然后经A/D转换后，传给计算机。通过计算机软件对采集的面波波形进行分析，显示瑞利波在N个检波器之间，测线长度为(N-1)ΔX的传播过程，并计算瑞利波的波速，得到面波频散曲线。

测试时，根据实践经验，一般λR/3＜ΔX＜2λR，间距较为合适。即最少2个波长范围内布置一个采样点，最多不超过3个。检波器采样间距的布置还应根据仪器的分辨率和场地的实际情况，按滤波原则和测试深度要求适当调整。

若激振产生的瑞利面波频率为f，经过测线范围内两相邻检波器拾振记录的时间相差Δt，设两检波器拾到的面波相位差为Δφ，可以求得这2个检波器间距ΔX内频率为f的瑞利波的波速VR为：

则N个检波器范围内的平均速度为：

时间差Δt可通过仪器记录下来，且可以根据实际需要调整，信号分析处理后可以得到相位差Δφ，因此，通过多次不同频率的试验，求得同一地段不同频率的VR值，即可得到VR-f频散曲线。

初始测试时，初设间隔ΔX=0.5m，此时，探测深度较浅，测出的瑞利波波速仅反映靠近地表附近的工程性质，随后，间距可逐步扩大，1m、2m、4m、…，扩大程度视探测深度而定。

2.2 激发与接收

一般来说，浅层探测（0.5～10m）时，ΔX设置较小的间距，得到高频信号，用高频检波器（28～100Hz）接收；深部探测（20～40m）时，ΔX设置成较大的间距，产生低频震动，用低频检波器（4或10Hz）接收。增大间距ΔX，检波器可以接收到更多的低频信号成分，也就能反映更深地层的工程性质。测深20m以内，一般用重锤（10kg左右）敲击木板；测深20～40m，则可采用落锤。仪器现场通过计算机软件得到时域和频域图形，并可现场处理存盘。

3 工程实例

3.1 工程概况

上海市某过江（黄浦江）隧道经过某湿地公园，采用盾构法施工。湿地公园下地层埋存有大量的厚钢渣，据初步调查，其厚度大于4m。钢渣层存在膨胀效应和粉化效应，有可能导致地基土的不均匀的竖向和水平胀缩变形，影响结构的稳定性，造成位移、开裂，甚至破坏。因此，勘察时必须探明湿地公园内盾构穿越范围内钢渣层的深度和范围，以保证盾构施工的顺利完成。

3.2 测试结果

沿盾构施工方向布置测线。通过测试发现面波存在明显速度变化层位，高程在-7～-17m左右，埋深在15～23m左右推断为钢渣层底界面，向下2～8m推断为钢渣层下部土体压实后的速度过渡带（钢渣在土层中分解，铁离子及其他金属离子渗透到下部土体中），其中中间井6+800处深度约15m处速度变化较明显，推断为钢渣底埋深。钢渣埋深最大处位于6+990～7+ 150段。

在瞬态面波法测试结束后，对该场地进行了钻探取样，通过取样结果来看，钢渣层的埋藏范围和深度基本与测试结果一致。

4 结语

（1）通过瞬态面波法测试，准确地勘探出湿地公园地层内钢渣的厚度和范围，与钻探取样的结果一致。瞬态面波法测试提高了勘察效率，且为盾构的顺利穿越湿地公园场地提供了钢渣层的深度和工程物性依据。

（2）瞬态面波法测试较之于岩土工程勘察其它测试手段，测试简单、快捷、直观，成果较精确可靠，缩短了勘察时间。

[1]李永东,赵占厂,姜跃东.多道瞬态面波技术在赛白高速工程地质勘察中的应用[J].勘察科学技术,2011(3):56-58.

[2]苗宇宽.瞬态瑞雷面波勘探技术在工程勘察评价中的应用[J].地质找矿论丛,2006(增刊):178-180.

[3]曹乐辉,左国青,陈程,舒志平.瞬态面波勘探在建筑地基勘察中的应用[J].工程地球物理学报,2012,9(2)：184-187.

[4]林万顺.多道瞬态面波技术在水利及岩土工程勘察中的应用[J].工程勘察,2000(4):38-40.

[5]曹圣华,杨晓东,朱正坤,雷霄.瑞利面波法用于软土地基勘察的试验研究[J].河海大学学报：自然科学版,2003,31(4):419-423.

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1004-5716(2015)05-0011-03

2014-05-16

2014-05-19

张海云（1981-），男（汉族），广西桂林人，工程师，现从事岩土工程勘察与施工工作。