瞬態(tài)瑞雷面波法在道路工程地質勘察中的應用

馮海 羅大慶 李璐杰

摘要：與常規(guī)的地質勘探技術相比，瞬態(tài)瑞雷面波法具有對場地的要求不高、性價比高、便于激發(fā)與識別、不受地層速度的影響等優(yōu)勢，因此，獲得了業(yè)內廣泛的認可，在解決淺層工程地質問題方面具有重要作用。文章結合實際工程案例，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勘察中的應用。

關鍵詞：道路工程;瞬態(tài)瑞雷面波法;地質勘察;原理;實踐

中圖分類號：U412.22文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.021

文章編號：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，其探測效率高，應用范圍廣，在工程地質勘察以及質量檢測等多個領域都具有應用價值。在道路工程建設過程中，由于工程施工區(qū)區(qū)域跨度大，地質環(huán)境復雜，地形地貌以及地層構造變化，因此，前期的地質勘探工作極為關鍵。常規(guī)的鉆探方式由于成本較高、勘探周期較長，已經(jīng)難以有效滿足現(xiàn)代道路工程建設的要求，而隨著瞬態(tài)瑞雷面波法在道路工程地質勘探中的應用，這些問題得到了有效的解決，充分保障了道路工程建設質量。

1工程概況

某道路改造工程設計在原有道路的基礎上加寬16m，道路靠近河床邊緣地帶，需要對該處地質構造進行全面勘探，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?？紤]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)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

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會出現(xiàn)折射以及反射等情況，并且會在彈性分界面產生面波，以三維空間來看，折射波與反射波歲時間推移會開始向整個彈性空間內所有介質傳播，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)產生在相應頻率范圍內的瑞雷波[2]，此時瑞雷波會沿著介質表面進行傳播，在地表上沿著瑞雷波傳播的方向在一定范圍內設置若干個檢測器，以此探測瑞雷波在該范圍內傳播的過程，如圖1所示。瑞雷波散射特性以及其在介質中傳播的速度均與介質的密實程度、礦物成分以及裂隙發(fā)育的情況等因素有關，利用瑞雷波散射特性、傳播速度與介質物理性質之間的相關性，可以解決諸多地質問題，可以判斷巖土分層、基巖分化帶、不同巖層的埋深、性質以及力學參數(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勘察中的實踐

在本項目中勘察儀器采用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)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

3.1布設勘探點

瞬態(tài)瑞雷面波法勘察的剖面長度以及點距等主要根據(jù)沿線地質情況、物理條件等因素確定，縱剖面勘探點的布設應當與地質剖面保持一致，沿勘察路線的中線進行布設。若勘察區(qū)域的地質條件比較簡單，可以考慮每間隔2個或者3個勘探點布設1個鉆探勘探點;若勘察區(qū)域的地質條件比較復雜，則瑞雷波勘探點與鉆探勘探點需要間隔分[3]。如有必要，可在橫剖面布設勘探點，一般布設2個瑞雷波勘探點，1 個鉆探勘探點。對于施工區(qū)域內比較關鍵的點，可以在勘察路線兩側設置縱剖面。需要注意的是，部分瑞雷波勘測點應當與鉆探勘測點進行重合，這樣便于進行對照分析并驗證勘察結果，可以提升勘察精度?？睖y點的間距按照瞬態(tài)瑞雷面波法的技術規(guī)程以及實際情況合理確定。

3.2激發(fā)和接收

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

3.3采集數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集是地質勘察的關鍵性環(huán)節(jié)之一，采集的數(shù)據(jù)質量直接關系到地質勘察結果的精度以及質量。一般經(jīng)過試驗確定好道間距以及偏移距后，淺部勘察的采樣率為0.25ms，記錄長度為250ms，采樣點數(shù)為512點;中、深部勘察的采樣率為0.5ms，記錄長度為500ms～2s，采樣點數(shù)1024點[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，若一側敲擊后采集到的數(shù)據(jù)質量不佳時，可以把激震點平移到另一側，再次進行敲擊，并將兩次采集到的數(shù)據(jù)進行比對，直到采集到的數(shù)據(jù)質量良好。

3.4資料整理以及解釋

（1）對采集到的面波資料進行整理、核對、檢查以及編錄;（2）將勘探現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)波形進行回放，識別面波，進而確定面波時間域-空間域窗口，并在頻率-波數(shù)域內提取面波;（3）開展頻譜分析，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，對頻散曲線做擬合解釋;（6）利用同一剖面面波點生成的頻散曲線，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)圖示對施工區(qū)域內各層巖土性質進行評價。

3.5勘察成果的應用

根據(jù)相應的計算公式可以得出巖層物理力學各項指標，面波的波速接近于剪切波的波速，且二者存在相關性。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的物理力學指標密切相關，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)濟性方面的優(yōu)勢明顯，瞬態(tài)瑞雷面波法用時約為鉆探的1/10，相關費用約為鉆探勘察的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勘察時間，降低工程地質勘察費用，有助于降低道路工程整體成本投入。

5結語

（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勘察區(qū)域的地層進行劃分，對巖土物理性質進行判斷，勘察效率較高，投入費用較少，可以有效縮短工程地質勘察周期，確?？辈熨|量。若勘察區(qū)域的地形地貌以及地質構造復雜，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）在進行道路工程地質勘察之前，注意收集勘測區(qū)域的地質資料，了解公路沿線巖土分布，為后續(xù)勘察工作奠定基礎。從當前瞬態(tài)瑞雷面波法在工程地質勘察實踐的中的情況來看，其不僅適用于道路地質勘察，同時也適用于路基質量檢測、地下采用區(qū)的探測、滑坡調查以及軟土地基加固效果評估等多方面，并且都具有重要作用。

參考文獻

[1]張幸偉，李修忠，郭士禮，等.相鄰道瞬態(tài)瑞雷波法在黃土區(qū)窯洞探測中的應用[J].公路交通科技（應用技術版），2014，10（6）349-351.

[2]蘭中平，辛小毛，郭正嚴.多道瞬態(tài)瑞雷面波在安徽省公路勘察中的應用[J].采礦技術，2009，9（6）40-41.

[3]付剛飛，楊俊生，王榮.瞬態(tài)瑞雷面波法在公路工程質量檢測中的應用[J].交通世界（運輸·車輛），2011（18）：169-170.

[4]張建智，趙海軍.多道瞬態(tài)瑞雷面波法在烏海某小區(qū)不良地基巖土結構勘察中的應用研究[J].地質調查與研究，2019，42（1）：57-63.

[5]陳濟鋒，黃真萍，鄭素蘋.瞬態(tài)瑞雷面波法在邊坡巖土工程勘察中的應用研究[J].西部探礦工程，2008，20（8）：6-8.