孫家俊，盧 松，蘇有財(cái)

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司，四川成都 610000;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

早在1887年，Rayleigh發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性。20世紀(jì)50年代初人們又發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性，隨之開(kāi)始了利用天然地震記錄中的瑞雷波探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，但受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，研究所得的結(jié)果精度極低。直到70年代初，美國(guó)F.K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬態(tài)面波來(lái)研究淺部地質(zhì)問(wèn)題，并于1973年在第42屆國(guó)際地球物理勘探年會(huì)上發(fā)表相關(guān)研究成果，堪稱開(kāi)創(chuàng)面波在工程地質(zhì)方面應(yīng)用之先河［1］。其后日本VIC株式會(huì)社利用穩(wěn)態(tài)面波法于80年代初推出了GR-810全自動(dòng)地下勘測(cè)機(jī)，并開(kāi)始在工程地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用，這種設(shè)備雖說(shuō)設(shè)計(jì)原理比較先進(jìn)可靠但卻由于笨重并且價(jià)格昂貴未能得到進(jìn)一步推廣。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)瑞雷波在各種不同介質(zhì)情況下的特性研究相對(duì)較晚。1994年，浙江大學(xué)夏唐代、吳世明［2］利用解析法和有限單元法研究了流體—固體介質(zhì)中瑞雷波頻散特性及位移分布規(guī)律，得到了流體—固體介質(zhì)中瑞雷波頻散特征方程和位移計(jì)算公式。1996年夏唐代、蔡袁強(qiáng)等［3］對(duì)各向異性成層地基中瑞雷波的頻散特性進(jìn)行了研究;1998年陳龍珠、黃秋菊等［4］推導(dǎo)出了飽和地基中波的頻率特征方程，并由此分析了瑞雷波傳播速度和衰減系數(shù)隨振動(dòng)頻率、土滲透系數(shù)等的變化規(guī)律;2001年凡友華、肖柏勛等［5］在柱坐標(biāo)下，得出了層狀介質(zhì)中軸對(duì)稱柱面瑞雷面波的頻散函數(shù)。由于瑞雷波法具有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此很快成為研究和應(yīng)用的主要方法。

1 瑞雷波探測(cè)原理

面波探測(cè)方法一般分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩種，這兩種方法的區(qū)別在于振源不同。瞬態(tài)法是在激振時(shí)產(chǎn)生一定頻率范圍的面波，并以復(fù)頻波的形式傳播;而穩(wěn)態(tài)法是在激振時(shí)產(chǎn)生相對(duì)單一頻率的面波，并以單一頻率波的形式傳播，本次檢測(cè)采用瞬態(tài)面波法，亦即落重法，用56磅大錘擊振。為了保證激發(fā)的質(zhì)量，采取的措施有:一是激發(fā)振源時(shí)落錘確保短促有力，避免有回振，而且盡量減小周?chē)h(huán)境中的振動(dòng)影響;二是通過(guò)多次信號(hào)迭加功能，剔除干擾雜波。瞬態(tài)面波法的工作原理如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)面波法工作原理

對(duì)于瞬態(tài)面波勘探法，關(guān)鍵是激發(fā)所需范圍內(nèi)的瞬時(shí)激勵(lì)，采用相適應(yīng)的檢波器，利用地震儀將這些信號(hào)記錄下來(lái)。令波形時(shí)域函數(shù)為d(x，t)，以f-k法提取頻散曲線，即利用二維傅里葉變換(公式(1))波形時(shí)域函數(shù)將信號(hào)從時(shí)空域轉(zhuǎn)換到頻率波數(shù)域，計(jì)算出信號(hào)的頻譜，根據(jù)面波特性提取f-k函數(shù)，再根據(jù)公式(2)，(3)，將f-k轉(zhuǎn)換到VR-f空間，即把所有的峰值頻率及其對(duì)應(yīng)的相速度值連成線，獲取VR-f函數(shù)，得出地層層位深度與相速度值。

根據(jù)面波的相關(guān)特性，研究證明面波能量主要集中在地表下一個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，而傳播速度代表著半個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)介質(zhì)震動(dòng)的平均傳播速度。因此，一般認(rèn)為面波法的測(cè)試深度為半個(gè)波長(zhǎng)。波長(zhǎng)與速度及頻率的關(guān)系詳見(jiàn)公式(2)，(3)，(4)。

式中:D(ω，k)為頻率波數(shù)域函數(shù);k為波數(shù);VR為面波速度;ω為角速度;f為頻率;H為地層深度;λR為波長(zhǎng)。

當(dāng)速度不變時(shí)，頻率越低，測(cè)試深度就越大。面波法是利用面波的上述運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征來(lái)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察的物探方法。面波有3個(gè)與被測(cè)地層有關(guān)的主要特征:

1)在分層介質(zhì)中，面波具有頻散特性;

2)面波的波長(zhǎng)不同，穿透深度也不同;

3)面波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

瞬態(tài)面波法檢測(cè)判定合格標(biāo)準(zhǔn)采用《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10035—2002)中的路基巖土體注漿質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。

表1 巖溶注漿質(zhì)量定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6］

2 工程概況

新建滬昆鐵路貴州段，地處云貴高原低山區(qū)地貌，路基主要以填方通過(guò)，路基中心填高＜7 m。覆蓋層為坡殘積紅黏土，具有弱膨脹性。下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)桐梓組白云巖，淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育。地下水埋深較大，地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，地表水入滲是本段巖溶地面塌陷的主要誘因。地表調(diào)查確認(rèn)溶蝕破碎帶、溶洞等巖溶現(xiàn)象發(fā)育。依據(jù)綜合分析評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)單位對(duì)易塌陷區(qū)進(jìn)行巖溶地面塌陷注漿加固，以“邊探邊灌，探灌結(jié)合”的原則，對(duì)路基巖溶整治效果進(jìn)行檢測(cè)。

3 注漿效果探測(cè)

3.1 設(shè)備參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

本次瞬態(tài)瑞雷波法采用中鐵西南科學(xué)研究院研制的SF12型多通道瞬態(tài)面波儀，配備專用4 Hz面波檢波器。該儀器采用最新的高速度、高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器，動(dòng)態(tài)范圍為120 dB，采樣間隔為0.018～600.00 ms分擋可選，采樣點(diǎn)數(shù)1 024～16 384樣點(diǎn)分擋可調(diào)，通頻帶寬0.1～4 000 Hz，信號(hào)通道為24道接收。采用人工錘擊方式激振、外觸發(fā)、全通道接收方式。具體測(cè)試施工參數(shù)如表2。

測(cè)點(diǎn)分別沿各注漿整治段的左中線及右中線進(jìn)行布設(shè)，測(cè)點(diǎn)間距為10 m;檢波器以測(cè)點(diǎn)為中心，向測(cè)點(diǎn)的兩端展布，展布方向則根據(jù)測(cè)區(qū)的地形、地質(zhì)及場(chǎng)地條件作適當(dāng)調(diào)整，具體測(cè)線測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

本文針對(duì)路基DK604+370—DK604+512段的檢測(cè)中，瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)點(diǎn)共18個(gè)，獲取18條頻散曲線(典型代表性原始記錄曲線見(jiàn)圖3)，由于所測(cè)瞬態(tài)面波VR反演地層結(jié)構(gòu)圖較多，現(xiàn)僅選取1個(gè)具有代表性的點(diǎn)作詳細(xì)解釋(見(jiàn)圖4)。

表2 瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)試施工參數(shù)

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)線布置

圖3 瞬態(tài)面波檢測(cè)典型原始記錄

圖4 檢測(cè)點(diǎn)DK604+390(左中線)頻散曲線反演圖

根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)勘察資料以及現(xiàn)場(chǎng)注漿孔、探灌結(jié)合孔等成孔資料綜合分析，該檢測(cè)點(diǎn)位于DK604+390(左中線)里程處，結(jié)合電阻率測(cè)深剖面圖，上覆土層主要為雜填土，深度分布在0～－1.7 m;下伏主要為白云巖。由圖4分析:該檢測(cè)部位經(jīng)注漿加固后頻散曲線反演擬合度達(dá)0.94，反演效果較佳。淺層深度0～－1.7 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均為486 m/s，基本反映了上覆壓實(shí)雜填土的波速值，與該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常;－1.7～－4.2 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為421 m/s，基本反映了雜填土與下伏基巖的過(guò)渡帶，波速反映正常;－4.2～－13.3 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為559 m/s;－13.3 m以下深度范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為831 m/s，明顯高于該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值，表明該檢測(cè)點(diǎn)位注漿效果較理想，達(dá)到質(zhì)量合格要求。

圖5為DK640+370—DK640+500里程段路基基底相速度剖面圖。

圖5 DK640+370—DK640+500左中線反演相速度剖面

從圖5可以看出，該段路基分層較明顯，且由上至下，相速度值也由小變大，結(jié)合巖溶注漿質(zhì)量定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，均滿足各深度段所對(duì)應(yīng)相速度標(biāo)準(zhǔn)，表明該段路基注漿效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

瑞雷面波勘探方法作為一種勘探路基注漿質(zhì)量效果的手段具有操作方便、快速等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)測(cè)試場(chǎng)地及使用儀器比較寬松，目前已廣泛應(yīng)用于工程勘探及地基評(píng)估等領(lǐng)域。本文應(yīng)用瑞雷面波勘探對(duì)DK640+370—DK640+500里程段的注漿質(zhì)量效果檢測(cè)表明:①該里程段路基分層較明顯，隨深度的增加，相速度增大，由400 m/s增至860 m/s;②從單個(gè)頻散曲線反演圖來(lái)看，地層雜填土、風(fēng)化基巖、基巖三個(gè)區(qū)域的分界面較明顯，相速度差別較大;③采用瑞雷面波法檢測(cè)注漿質(zhì)量是一種較方便、效果較好的方法之一。

［1］CHANG F K，BALLARD R F.Rayleigh wave dispersion technique for rapid subsurface exploration［C］//第42 屆國(guó)際地球物理年會(huì)論文集.US Vicksburg，1973.

［2］夏唐代，吳世明.流體—固體介質(zhì)中瑞利波特性［J］.水利學(xué)報(bào)，1994，1(1):67-75.

［3］夏唐代，蔡袁強(qiáng)，吳世明，等.各向異性成層地基中Rayleigh波的彌散特性［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1996，9(2):191-196.

［4］陳龍珠，黃秋菊，夏唐代.飽和地基中瑞利波的彌散特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(3):6-9.

［5］凡友華，肖柏勛，劉家琦.層狀介質(zhì)中軸對(duì)稱柱面瑞利面波頻散函數(shù)的計(jì)算［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(3):1-5.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10035—2002 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.