王小明　席超強(qiáng)　胡澤安

摘 要：瑞雷面波檢測(cè)方法作為一種較新型的公路工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，利用其頻散特性，可對(duì)地下淺層地質(zhì)信息進(jìn)行科學(xué)、快速、準(zhǔn)確地測(cè)試，在工程勘察中得到廣泛應(yīng)用。但目前存在諸多以混凝土表面且下覆軟土層的測(cè)試條件來(lái)探查基巖的深度及其巖溶特征，可借鑒的資料及經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。文章通過(guò)對(duì)多道瞬態(tài)瑞雷波方法技術(shù)闡述，結(jié)合工程實(shí)例，討論了混凝土下覆軟土層條件下，利用面波法對(duì)鐵路路基基巖面深度及巖溶賦存情況進(jìn)行探查，結(jié)果表明多道瞬態(tài)瑞雷波法是一種高效適用的淺層工程物探方法。

關(guān)鍵詞：地震勘探；瞬態(tài)瑞雷面波法；基巖面；軟土層

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.117

1 引言

瞬態(tài)多道瑞利面波勘探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘探和工程質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比較，該方法具有使用簡(jiǎn)便、非破損性、檢測(cè)成本低且能迅速提取反映地基基礎(chǔ)層狀結(jié)構(gòu)頻散曲線等優(yōu)點(diǎn)。利用其頻散特性，在地表科學(xué)、快速、準(zhǔn)確地測(cè)試出有效地質(zhì)信息是可行的一種方法手段，在工程勘察中應(yīng)用面較為廣泛。瑞雷面波的探測(cè)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)人工激發(fā)的產(chǎn)生多種頻率的面波，利用瑞雷面波在傳播過(guò)程中的頻散特性，研究頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系，從而確定地表巖土的面波速度隨傳播深傳播位置的變化關(guān)系，來(lái)解決淺部工程地質(zhì)和地基巖土的地震工程等問(wèn)題[1～2]。

隨著高速公路、鐵路建設(shè)的如火如荼，大量的高速公路、鐵路修建于巖溶發(fā)育區(qū)，瑞雷面波勘探是探查基巖內(nèi)部巖溶病害的一種無(wú)損、快速、連續(xù)且經(jīng)濟(jì)有效的物探檢測(cè)方法。但混凝土下覆軟土層條件下，對(duì)基巖面的深度及基巖面內(nèi)巖溶的探查，可借鑒性的經(jīng)驗(yàn)較少。相對(duì)于工程中的大量應(yīng)用，檢測(cè)理論的深入研究已大大滯后。本文依據(jù)淮北市境內(nèi)某鐵路路基檢測(cè)實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)瞬態(tài)瑞雷面波在混凝土下覆軟土層條件下探查基巖巖溶及基巖面深度進(jìn)行研究[3～4]，為同類地質(zhì)條件勘探提供參考。

2 瞬態(tài)瑞雷面波法勘探原理

瑞雷面波是在彈性界面附近由壓縮波和型剪切波的干涉疊加產(chǎn)生的一種地滾波，傳播能量集中在一定的范圍內(nèi)，離開界面一定距離后其能量迅速衰減，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為一逆進(jìn)橢圓，即長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為λR（λ波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。其主要特點(diǎn)是能量大，速度低，頻率低，衰減慢，信號(hào)容易被拾取。當(dāng)它在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度與頻率無(wú)關(guān)，但在非均勻介質(zhì)中的面波相速度隨頻率變化而變化（即瑞雷波的頻散性）。這些特性為瑞雷面波勘探提供了物理基礎(chǔ)[5～7]。

瑞雷波沿著地面表面?zhèn)鞑r(shí)，其穿透的深度大約為一個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，因此，同一波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況。在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距設(shè)置 N+1個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到瑞雷波在N長(zhǎng)度范圍內(nèi)的波場(chǎng)。

曲線或-曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演解釋，可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度值，另一方面，值的大小與介質(zhì)的物理特性有關(guān)，據(jù)此可以對(duì)巖土的物理性質(zhì)作出評(píng)價(jià)。目前現(xiàn)場(chǎng)施工主要采用多通道方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖1為現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)示意圖。

3 工程實(shí)例及分析

3.1 工程概況

該段路基位于淮北市境內(nèi)，為客車聯(lián)絡(luò)線?？碧綀?chǎng)區(qū)屬灰?guī)r地層剝蝕區(qū)，地貌單元單一，地勢(shì)平坦開闊，地形略有起伏，地面高程一般在33.4～35.5m之間，高差小于0.5m。根據(jù)該段鐵路設(shè)計(jì)規(guī)劃，測(cè)試區(qū)路基為鐵路排洪設(shè)計(jì)，整段路基在原鐵路路基基礎(chǔ)上下挖10m，下挖范圍內(nèi)均為粉質(zhì)黏土，下挖到位后對(duì)路基進(jìn)行平整與壓實(shí)，澆筑混凝土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料，該段路基上覆為厚混凝土層，中部夾雜粉質(zhì)粘土，下部為白云質(zhì)灰?guī)r，淺部灰?guī)r層風(fēng)化較強(qiáng)，深部灰?guī)r風(fēng)化較弱，灰?guī)r地層中發(fā)育巖溶裂隙，且賦含水。其物性差異明顯，為探查提供基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理

現(xiàn)場(chǎng)施工中在路基延展方向布置兩條平行軸線測(cè)線（如圖2所示），分別為路基左、右測(cè)線，兩測(cè)線間距為6m，每條測(cè)線長(zhǎng)度為14m。地震儀使用（Miniseis24）Geopen綜合工程探測(cè)儀，經(jīng)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用小偏移距單邊排列方式連續(xù)采集多道面波數(shù)據(jù)，12道4.5hz的低頻檢波器接收，道間距1m，偏移距4m，移動(dòng)步距1m，采樣間隔0.1ms，采樣點(diǎn)數(shù)為2k，震源用18磅重錘錘擊。現(xiàn)場(chǎng)采用單邊排列觀測(cè)系統(tǒng)布置，其是指僅在接收點(diǎn)排列一側(cè)激發(fā)的觀測(cè)形式。

面波勘探數(shù)據(jù)處理采用Seismic Pro 8.0完成，其關(guān)鍵是頻散曲線提取。目前，頻散曲線的提取方法主要有線性拉東變換、τ-p變換算法、 f-k變換算法和相移法。由于離散化和有限孔徑等原因，提取瑞雷面波的頻散曲線時(shí)存在著假頻現(xiàn)象及某些頻段能量譜分辨率低的問(wèn)題[8～11]。數(shù)據(jù)處理采用f-k法和相位差法聯(lián)合分析來(lái)提取頻散曲線，結(jié)合兩者在提取頻散曲線時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，用f-k法計(jì)算生成頻散譜，用相位差法生成頻散曲線，在頻散譜上提取頻散曲線，此種方法可有效減少頻散曲線的不確定性。

3.3 結(jié)果解釋

（1）該段路基剪切波速度剖面圖大致分為三部分，及上部為高速層，中部為低速層，下部為高速層。結(jié)合地質(zhì)資料，淺部高速區(qū)對(duì)應(yīng)混凝土層，中部低速帶對(duì)應(yīng)粉質(zhì)粘土層，下部高速去對(duì)應(yīng)基巖層?？梢钥闯?，地質(zhì)分層與剪切波速度剖面圖有良好的對(duì)應(yīng)性。粘土層由于經(jīng)過(guò)平整與壓實(shí)，與混凝土層接觸面良好，在速度剖面圖中，混凝土層與粘土層界面非常清晰且水平，與實(shí)際情況較好對(duì)應(yīng)。說(shuō)明，在上覆高速混凝土層下覆軟夾層條件下，瑞雷面波能夠良好的探測(cè)接觸面完整性； （2）根據(jù)鉆孔資料，中間粘土軟夾層厚度大約為4m左右，由于粘土層下覆為分化程度較高的灰?guī)r層，巖土體風(fēng)化程度越高或破碎，其速度越低。在速度剖面圖中，低速帶厚度大約為10m左右，且低速度由上到下速度逐漸增高，下部速度逐漸增大部分推斷為高風(fēng)化灰?guī)r，由于物探資料的多解性，現(xiàn)場(chǎng)資料解釋時(shí)，需緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料； （3）在速度剖面圖中，下部高速層速度分布均勻，未見(jiàn)低速異常區(qū)，可知該探查段路基基巖內(nèi)部巖溶發(fā)育程度差。

4 結(jié)論

文章結(jié)合路基地質(zhì)條件多通道瞬態(tài)面波勘探實(shí)踐，對(duì)混凝土覆蓋條件下基礎(chǔ)條件評(píng)價(jià)取得相應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

（1）通過(guò)選擇合適的觀測(cè)系統(tǒng)及采集參數(shù)，利用多通道瞬態(tài)瑞雷面波可在一定深度范圍內(nèi)對(duì)混凝土夾軟土層條件下的地質(zhì)異常特征進(jìn)行識(shí)別，其結(jié)果可為工程建筑提供佐證； （2）多道面波勘探數(shù)據(jù)處理采用f-k法和相位差法聯(lián)合分析進(jìn)行頻散曲線提取，可降低頻散曲線的不確定性，提高了對(duì)地下地質(zhì)體的橫向及縱向分辨率； （3）在上覆高速層下覆軟夾層條件下，瑞雷面波勘探可對(duì)接觸面完整性及下覆地層的深度及巖溶情況進(jìn)行精準(zhǔn)、高效勘查?，F(xiàn)場(chǎng)需要完成相應(yīng)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)及時(shí)驗(yàn)證實(shí)踐與調(diào)整，進(jìn)一步取得理想的探查效果。

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作者簡(jiǎn)介：王小明（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士，研究方向：地球探測(cè)與信息技術(shù)。