综合物探方法在填海区密实度检测的应用

肖章寿

(福建省地质测绘院，福州，350011)

现阶段对于填海区密实度的检测，传统手段多采用标准贯入实验，但该方法检测成本高、施工效率低，如遇填石粒径过大时，则无法完成，且不适宜大面积的开展密实度检测。目前世界各国都在发展快速、高效、经济、简便的工程质量无损检测技术[1]。物探技术如地质雷达与微动探测在无损检测领域应用越来越广，对于填埋的砂土可用不同中心频率天线的地质雷达由浅及深进行检测，再通过微动探测对地质雷达异常区进行相互验证，最后布置少量标准贯入实验孔进行校核，对填海区的密实情况进行综合质量评价。经具体实施和验证，综合物探方法在填海区密实度检测取得了较好的效果。

1 密实度检测方法技术

1.1 地质雷达

1.1.1 基本原理

地质雷达是利用超高频(106～109Hz)脉冲电磁波技术探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法[2]。作为一种电磁波探测技术，遵循几何光学原理。它是根据回波的单程旅行时间和电磁波在相应介质中的传播速度确定目标距离，并通过综合分析判断目标性质(图1)。在介质中传播的电磁波，其路径与电磁场强度随所通过的介质的电性、几何形态及尺寸等不同而变化，因此所接收的反射回波的幅度、形状及在横向上的展布特征也随之变化[3]，根据这一特点结合地质资料来综合判定目标地层的密实程度。

地质雷达的探测能力取决于目标体与其上方介质的电性差异、目标体材质、大小及形状等。雷达波传播速度取决于目标体上方的介质及其介电常数，电磁波在介质中的传播速度计算公式：

(1)

其中：v表示雷达波速度；c表示电磁波在真空中传播的速度；ε表示介质的相对介电常数；μ表示介质的相对磁导率。

地质雷达利用电磁波进行勘探时通常认为介质的磁导率变化可以忽略，即μ=1，因此雷达波的传播速度可近似表示：

(2)

图1 地质雷达工作原理示意图Fig.1 Diagram of working principle of geological radar

1.1.2 采集参数选取

数据采集参数的选择与探测对象的埋藏深度、对象的形状大小、介质环境特点、地下水位、探测目标与环境的电导率及相对介电常数等均有关。因此，采集参数的选择尤为重要，既能有效压制电磁干扰信号，提高信噪比，同时还要能探测出一定深度的目标体。

以加拿大Ultra pulseEKKO大深度地质雷达为例加以说明。首先是天线中心频率的选择，天线中心频率决定探测深度及分辨率。中心频率低，探测深度大，分辨率低；反之，中心频率高，探测深度浅，分辨率高。天线中心频率f的选取可参考下式(1)杨勇，纪伟，姜拥政，探地雷达在运营高速公路病害无损检测中的应用， 勘探地球物理2005学术交流会论文集，2005。：

(3)

式中：f为天线的中心频率；x为目标体的分辨率；ε为介质的相对介电常数。

在该次填海区密实度检测中，根据深浅相结合的原则，浅部(0～3 m)密实度检测采用中心频率250 M的天线，中深部(>3 m)检测采用100 M天线。

其次是采集时窗的选择，采集时窗(W)根据目标体最大探测深度(d)以及电磁波在介质中传播的速度(v)决定，为了适应深度和速度的变化以及零点校正等影响因素，通常采集时窗会增加30%，具体计算公式：

(4)

确定采集参数后，根据测区地形(地貌)及地面构(建)筑物合理布设测线。该次检测采用250 M天线进行浅部地层密实度检测，100 M天线进行中深部地层密实度检测，现场初步圈定地质雷达异常区平面位置及大致深度。

1.1.3 资料处理

地质雷达资料的解析依据波形特征判断目标性质，还采用追踪回波在横向和纵向上的延续和变化，对应展现出地质构造在平面和剖面上的形态，尤其在地面进行大面积勘探时，小的孤立目标在平面上不易追踪，这时可采用横向衰减对比处理解释方法，寻找幅度突变点，即目标所在的位置。

地质雷达资料行之有效的处理解释方法有灰度法、变面积法(wiggle)、单点波形法、横向衰减对比法等。地下介质的雷达波传播速度的获取方法有已知钻孔探测法或已知目的层探测法、CDP(共中心点)法或直达波法、公式计算法或经验数据法。

界面的性质、形状、尺寸和产状也直接影响到回波的幅值和形状，例如在单波形或在Wiggle方式下，相对于射入线处于一种理想产状的平整断层面(带)的波形一般比较尖细，含水裂隙带或断层破碎带的波形稍宽一些；空洞或者溶洞的波形钝而宽缓，边缘往往呈不规则。在灰度图方式下，例如相对于介质中的波长较大的空洞，由于空气中的波速较快，相对于周围介质的旅行时间较短，其反射波的正负波上凸弯曲，近似于抛物线，顶端位于洞中心。无论上述哪种方式，物理性质相同的反射波都会形成一套特征相似的波形组合。因此，可根据波形特点、组合特征及其差别，必要时辅助以不同的处理方法来解释反射目标。

采集数据经预处理、零点校正、里程校正、附加高程、噪音干扰消除、空间及时间域滤波处理等步骤后，选择合适的增益输出图像资料，最后根据获取的不同地层电磁波速度进行时深转换，绘制地质解释综合剖面。常用的地质雷达解释软件通常用一个平均速度表示，因此其显示的深度与实际深度存在一定的误差。此次检测中使用的100 M天线是非屏蔽的，现场数据采集时应注意干扰因素，包括地面及地下建(构)筑物，如来自地下基础及地面挡墙的侧反射、地下大粒径的块石、地下暗涵及管道等，在资料解释过程中应加以识别。

1.2 微动探测

1.2.1 基本原理

微动探测也称天然源瑞雷波法，属于弹性波方法范畴，其震源是自然界的各种天然微弱振动和人类活动的复合振动信号(振幅为10-4～10-2mm)[4], 由体波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)组成，其中面波的能量占信号总能量的70%以上[5-6]，而能量构成主要是瑞雷波, 瑞雷波具有频散特性，通过对频散曲线的反演拟合计算出地层的面波速度及相应层深度，获取地下介质的横波速度结构，根据横波速度结构判断地层密实程度。

1.2.2 数据采集

微动探测的技术实现通常是采用二维阵列方式布设低频检波器, 观测天然瑞雷波信号并分析其在不同地下介质中的频散特征来探测目标体或异常。在实际勘探过程中，采用规则布阵，通常以一个拾振器为中心，其它拾振器在周围形成若干个边长不等的正三角形。如受地形条件影响，也可布置“一”字、“田”字、“L”形、“π”形以及嵌套圆形等多种形式的观测台阵，但探测深度及精度有所不同，为保证探测效果及反演深度，此次探测采用10个拾振器组成三重三角嵌套台阵，其工作流程(图2)。

图2 微动探测工作流程图Fig.2 Fretting detection flow chart

1.2.3 资料处理

微动探测资料处理常用的方法有空间自相关法(SPAC法)与频率-波数法(F-K法)。空间自相关法是利用特殊的台阵(如圆形台阵、嵌套三角台阵等)接收天然场源的面波，在时间域进行窄带滤波，求出不同频率的空间自相关系数，加入空间坐标参数提取频散曲线。频率-波数法可采取随机布阵的方式，通过付氏变换对原始数据进行带通滤波，在频率域提取频散曲线。

2 检测工程实侧

2.1 地质概况

检测区位于福建石狮检测区，原为海边剥蚀残丘、海岸带和浅海湾3种地貌单元，地形破碎，地面起伏不定。海边剥蚀残丘范围较小，主要分布于检测区西北侧；海岸带及浅海湾分布于检测区的大部分区域，近岸边区域为砂质浅滩，远离岸边区域存在薄层淤泥质土，最大水深为10.0 m左右。其中海边剥蚀残丘(陆域部分)场地地下水类型主要为上层滞水、孔隙潜水及少量的基岩裂隙水，海岸带和浅海湾(海域部分)场地地下水以孔隙潜水为主，与海水基本连通，互为补给与排泄。

地质勘察资料揭露，填海前区内地层主要由第四系淤泥质土、中粗砂、残积黏性土及下伏花岗岩组成，局部存在有回填土、漂石等。填埋后区内地层自上而下分别为：①块石、碎石、①-1素填土、①-2砾砂、①-3建筑土、①-4碎石素填土；②中粗砂、中砂；③碎石、块石、③-1中粗砂、中砂；④碎石块石；⑤原生土。素填土层主要由块石、碎石、充填砾、砂等人工回填形成，厚度1.0～4.0 m。填砂层主要由中粗砂人工回填形成，厚度2.0～12.0 m。填石层主要由块石中粗砂人工回填形成，海堤下倒滤层由花岗岩碎石人工回填形成，厚度4.0 m左右。

2.2 地球物理特征

检测区东侧靠近海边，造成其填砂层松散的原因主要为海水掏空所致。对于致密的介质，可参考常规的介质介电常数及对应的雷达波传播速度(表1)，当填埋地层存在松散区时，该区域介质的相对介电常数会发生明显改变，对应的雷达波速度及波长同时发生变化，时间剖面的同相轴振幅也发生改变。因此，地质雷达检测填埋区密实度需具备良好的地球物理条件，可快速查明填埋地层松散及稍密区域。

表1 常见介质的相对电常数与电磁波速度对应关系

微动探测利用低频检波器接收自然界的各种天然微弱振动和人类活动的复合振动信号，经反演获取视横波速度，通过其波速值大小来判断地层结构。统计场地内10个钻孔的横波速度：填土层为180～250 m/s，填砂层为220～350 m/s，填石层为250～500 m/s，基岩大于500 m/s。填海地层松散区形成主要原因是海水掏空，该地层主要填埋物为砂土，在涨落潮时砂土被海水带走，松散区与上下地层之间存在明显的密度及波速差异，横波速度一般小于180 m/s，因此具备微动探测地球物理前提。

3 检测结果

3.1 地质雷达检测

此次检测工区共划分10个区域，面积共计60 000多m2，推测松散-稍密异常130处，地质雷达异常长度1.0～38.8 m，深度0.4～15.2 m。填海地层松散介质与致密介质之间存在较大的相对介电常数差异，松散介质在地质雷达图像上表现为振幅较强的界面反射信号。当地质雷达波从相对介电常数较大的介质进入相对介电常数较小的介质时，根据波动方程，在上界面会叠加为负波；反之，从相对介电常数较小的介质进入较大的相对介电常数较大的介质时，在上界面叠加为正波。从典型的地质雷达检测剖面可以看出(图3)，地质雷达探测有效深度超过15 m，地质雷达异常区主要集中在深度4.0～10.0 m，也即是海水涨落潮时的位置(检测时海水潮位约4.0 m)，在该剖面桩号20 m的位置进行了标准贯入实验(ZK12)，验证不同深度的地质雷达异常。从验证结果来看，地质雷达异常与标准贯入实验结果基本一致。

图3 中心频率100 M天线地质雷达检测典型剖面Fig.3 Typical profile of center frequency 100 M antenna of geological radar detection

以检测区域一为例，测区东侧靠近海边，物探测线布置及综合解译结果(图4)。在该测区共布置地质雷达测线8条(含加密测线1条)，测线间距5 m，每条测线分别进行了中心频率250 M和100 M地质雷达探测，其中LD05A、LD20A测线进行了微动探测，LD20A测线桩号30 m位置布设ZK01进行标准贯入实验验证。

图4 区域物探测线布置及综合解译图Fig.4 Line arrangement and comprehensive interpretation diagram of geophysical prospecting in the area

中心频率250 M天线地质雷达检测时间剖面(图5)，在桩号29.0～31.0 m、双程走时17～46 ns位置，地质雷达波振幅明显较强，推测为松散异常区。

图5 LD20A测线250M天线地质雷达检测剖面Fig.5 The detection profile of 250M antenna geological radar in the LD20A line

中心频率100 M天线地质雷达检测时间剖面(图6)，桩号29.4～31.2 m范围内，在不同深度共发现3处松散地质雷达异常：浅部异常与250 M检测发现的异常基本一致；中部异常双程走时在98～126 ns位置；下部异常顶部双程走时在150 ns位置。检测时海水潮位在双程走时88 ns位置。

图6 LD20A测线100 M天线地质雷达检测剖面Fig.6 The detection profile of 100M antenna geological radar in the LD20A line

3.2 微动探测结果

该次共完成微动探测点153个，推测松散-稍密异常18个，异常长度6.1～32.0 m，异常深度2.8～12.0 m。区域LD20A测线微动测深横波速度剖面(图7)，在桩号20.0～40.0 m范围内发现3处明显松散异常，其横波速度小于140 m/s，与周围介质存在明显的速度差异。

图7 LD20A测线微动测深横波速度剖面Fig.7 Micro dynamic depth cross wave velocity section in the LD20A line

3.3 标准贯入实验验证

在地质雷达及微动探测的异常位置，采用标准贯入实验(SPT)进行验证。标准贯入实验采用φ42 mm钻杆，穿心锤重63.5 kg，落距76 cm，标贯器打入填土中150 mm后，开始记录每打入100 mm的锤击数，累计打入300 mm的锤击数为一次标准贯入试验锤击数N。在桩号30.0 m位置布置验证孔(ZK01)，从验证结果来看，深度3.30 m与7.30 m地层为松散地层，深度5.10 m为稍密地层，与地质雷达探测、微动探测结果基本一致。

检测区域一通过地质雷达快速检测，发现QX01、QX02、QX03等3处不密实异常区域，LD05A、LD20A 2条微动剖面进一步划分出了不密实区域的空间分布。3处异常区域东侧与海水连通，推测海水涨落潮带走部分填砂，形成不密实区与局部脱空区，且造成地面局部塌陷。

4 结语

该次填海区密实度大面积检测得出结论如下。

(1)地质雷达与微动探测的物探方法组合评价填海区密实度，是利用先进的物探设备进行的一种全新尝试，标准贯入实验的结果表明其成果是可靠的，有一定的推广价值。

(2)地质雷达与微动探测对一定深度的松散、稍密地层均有良好的探测效果，对场地条件没有特殊要求且不造成破坏。

(3)地质雷达能定性检测出密实度情况，且检测周期短、效率高、成本低。大功率低频天线在海水面以下仍有一定探测深度和效果。

(4)微动探测对填海区密实度情况能定量评价，检测精度高，成果资料直观可靠。

实践表明大功率地质雷达与微动探测2种物探方法组合，可对填海区密实质量进行有效评价，也可对建筑场地及路基碾压密实度进行评价，有较好的应用前景。