综合面波法在岩土工程中的应用

殷 成，柴绪令

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130000）

面波勘探历经几十年的发展，其技术方法已经相当成熟，处理方法也日趋完善。其中，主动源面波勘探早在20世纪60年代由美国人提出，从开始的稳态面波到瞬态面波，再到多道瞬态面波勘探，多年来不断地提高勘探精度和效率，应用广泛[1]；天然源面波勘探起步相对较晚，最早由Aki提出[2]，但近些年发展迅速，方法也不断成熟，如频率波数法（F-K法）、空间自相关法（SPAC）、扩展的空间自相关法（ESPAC）、HV谱比法等[3]，从而提高了复杂环境的适应性和探测精度的准确性[4]。人工源与天然源面波相结合的综合面波法，对解决电磁干扰严重、勘探深度大、勘探精度高等复杂地区的勘探任务有明显的优势和应用前景[5]。

1 原理

1.1 主动源面波勘探

弹性波在传播过程中，在介质分界面处会发生反射、透射和折射现象，伴随产生界面波。这类界面波在界面附近传播，振幅随深度衰减，称之为瑞利波[6]。瑞利波的频散特性和传播速度特性是面波勘探的两大关键，反映了不同深度介质的地质条件。

主动源面波勘探是通过锤击、落重等震源激发，产生一定频率范围内的瑞利波，沿介质表面传播。沿波的传播方向以一定的道间距铺设N+1个检波器，记录一定范围内的传播信号。

道间距△x内瑞利波的传播速度为

式中：f是瑞利波的频率；△φ是相邻检波器所记录的信号相位差。

测线N△x内瑞利波的传播速度为

在地层不均匀且地下介质变化时，瑞利波会发生频散现象，得到速度与频率（或波长）的变化曲线，通过反演处理，计算出不同深度对应的面波速度，为解译、推断下覆地层结构提供依据。

1.2 天然源面波勘探

天然面波实质上是指地球表面一种连续的微弱振动，又称微动。微动伴随产生P波、S波和面波，其中面波能量占比总能量70%以上[6]。微动信号的大小和形态因时间和空间的改变而发生变化，同时也具有一定时空范围的平稳随机规律[7，8]。在微动信号中，经过空间自相关法数据处理得到面波的频散曲线[9]，选取合适的反演计算，获取地下介质的横波速度[10]。结合已知地质资料，对横波速度结构进行分析和解译。

2 工作方法

为了查清覆盖层厚度及结构分层，兼顾勘探深度和精度，分别布设人工源、天然源面波测线。

人工源面波勘探：以测点位置为中心，沿测线铺设12道检波器，其中相邻道间距2 m，偏移距分别为4，6，8，10 m进行重锤激发，采集数据。如图1所示。

图1 人工源面波勘探采集方式

天然源面波勘探：单点采集以测点位置为中心，采用嵌套式铺设方式，在同心圆周边测点位置均匀放置仪器。如图2所示。

图2 天然源面波勘探单点采集方式

剖面采集方式：将单点采集方式沿着测线移动，相邻单点采集有公共仪器点位置。如图3所示。圆心处仪器到圆周上仪器的距离称为观测半径R。一般有效探测深度为（3～5）R。

图3 天然源面波勘探剖面采集方式

3 数据处理

野外数据采集时，尽可能保证周边安静，保证采集的数据质量。

人工源面波数据的能量谱如图4（A）所示，在高频部分能量高，能量也很集中；在低频部分能量比较低，也比较散。天然源面波数据的能量谱如图4（B）所示，在低频部分能量高，能量集中；在高频部分能量低，能量分散。

将人工源和天然源面波数据，进行整合处理，高频部分采用人工源，低频部分采用天然源的数据，可以找到1条能量高且集中的最优曲线，如图4（C）所示。

图4 测点的能量谱曲线

同样，人工源面波数据经频率域-波数法（FK法）得到频散曲线，反演后转化成深度-速度曲线。天然源面波数据经过扩展的空间自相关法（ESPAC法）得到频散曲线，反演后转化成深度-速度曲线。将人工源和天然源面波数据进行整合处理后的综合面波法，兼顾二者优点，满足勘探要求。

4 工程应用

4.1 工程概况

吉林省某桥梁工程地处松嫩平原南部，地势平坦、开阔，覆盖层深度较厚，成分复杂，包括砂壤土、细砂、砂砾石等，勘察要求查清岩面位置、划分地层结构等。根据已知地质条件，工程所在位置覆盖层可分为中砂、粘土、粗砂，基岩为白垩系的泥岩。

4.2 案例分析

工作开展沿着大桥轴线分别布设面波法测线和高密度电法测线，其中选取桩号0+000～0+751 m段进行研究和分析。在面波测线中的测点中，人工源面波法道间距为2 m，12个检波器，偏移距取8 m。天然源面波法，最大观测半径R=50 m，满足100 m范围勘探深度的要求。高密度电法，最小电极距为5 m，采集层数为24层，滚动采集。

根据深度-速度曲线的拐点、疏密程度等特征，大致划分地层结构。根据H/V谱比法，先得到振幅最大峰值对应频率值，峰值频率为1，5 Hz，根据反演结果计算出的频散曲线，找到特定频率对应的横波速度值[11]。利用半波长法计算出界面深度位置[12]，最终结合各个测点，完成剖面分析和解译。

根据已知地质资料和面波反演计算出波速Vr，经分析可知，第1层为细砂，Vr=100～230 m/s；第2层为粘土，Vr=200～380 m/s；第3层为粗砂，Vr=350～480 m/s；第4层为泥岩，Vr＞450 m/s。

同样的桩号位置对应的高密度电法剖面如图5所示，可以清晰地划分地层位置，其中，细砂呈现高电阻率，粘土呈现低电阻率，粗砂呈现高电阻率，泥岩成岩差，呈现低电阻率。划分不同地层的结构，同综合面波法划分结果大致相同，从而验证了面波方法的准确性。

图5 高密度电法物探剖面图

根据表1所列钻孔信息，覆盖层浅层中砂深度为13.0～19.0 m，粘性土深度为13.0～35.0 m，粗砂深度为30.0～77.0 m，同综合面波法和高密度电法联合反演的结构分析相一致，验证了两种方法结果的准确性、有效性。

表1 钻孔信息表m

同时，根据钻孔信息可以更准确地找到分层位置、层面对应的波速范围及电阻率范围，从而完善物探成果，使得结果更准确、更接近真实结构。

5 结语

该测区处于松嫩冲积平原，覆盖层厚70.0～80.0 m，普通人工锤击的震源产生能量有限，由于覆盖层厚且松散，能量损失快，导致探测深度受限。微动勘察，浅部信息少，存在盲区，无法精准勘察。利用人工源和天然源结合的综合面波法，结合各自的优点，既保证了探测深度，又提高了浅部数据的分辨率，通过对面波的频散曲线及速度范围的分析，可以大致对地下结构进行划分。

利用天然源面波的H/V频谱分析，根据H/V谱比峰值确定场地的卓越频率，采用半波长法计算沉积层厚度，实现成果再校正。通过同直流电法成果相结合对比，地层划分一致性较好，吻合度较高，验证了综合面波法成果的可靠性。通过已知钻孔验证，在不同介质界面处，综合面波法的成果均有明显物性差异，再次验证了成果的准确性。综合面波法，弥补了人工源和天然源面波法的缺点，利用各自的优势，在工程勘察中具有高效性、准确性的特点，对后期施工具有一定的指导意义。