中圖分類號:TU195 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2025)18-0169-05
Abstract:Withtheincreasingdemandforgeotechnicalengineeringandgeologicalexploration,naturalsourcesurfacewaves, asafastandnon-destructivegeophysicalexplorationtechnology,arelessafectedbytopographyandhavealargeexploration depth,andhavebeenwidelyusedinrecentyears.Thispaperstudiestheaplicationofnaturalsourcesurfacewavesin detectingtheboundaryofgeotechncallayersinhighfillprojectsinpeak-cuingandvallyfilingsites,aimingtoimprovethe identificationabilityandboundaryaccuracyofundergroundstructures.Throughthecombinationoffieldtestinganddilling,the feasibilityandeficiencyofnaturalsourcesurfacewavedetectiontechnologyhavebeenverified,providingnewideasandmethods foraccurate detection of rock and soil boundary.
Keywords:natural sourcesurface wave;highfll;rockandsoilstratfication;apparentshear wavevelocity;unevensettlement少,需根據(jù)場平后地基土組成形式以及建筑物的結(jié)構(gòu)形式、荷載,針對每一個建構(gòu)筑物提出可行的基礎(chǔ)形式及持力層。填方區(qū)經(jīng)施工處理后還會有一定的固結(jié)沉降,而地基土的不均勻沉降會造成建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。
削峰填谷工程作為一種常見的地形改造和土地利用方式,近年來在城市建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境保護等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,隨著工程規(guī)模的擴大和技術(shù)要求的提高,面臨的工程技術(shù)難題也日益復(fù)雜。削峰填谷工程通常涉及不同類型的土壤和巖石層,地質(zhì)條件的多樣性使得施工難度增加。高填方場地面臨的工程技術(shù)問題如下。
一是高填方地基的沉降及不均勻沉降問題。高填方突出的巖土工程問題是工后沉降和工后差異沉降,處理和填筑后應(yīng)保證變形均勻、填筑密實、地基穩(wěn)定。如何準(zhǔn)確評估地質(zhì)情況,選擇合適的施工方案,成為一個重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。
本文依托工程實例,應(yīng)用天然源面波勘探技術(shù)通過數(shù)據(jù)處理與分析,結(jié)合場地地質(zhì)條件系統(tǒng)闡述了高填方場地的面波信號,分析了該類場地視橫波速度的特點與分布規(guī)律。在對比測區(qū)已有鉆探資料的基礎(chǔ)上,提高了物探成果解譯的準(zhǔn)確性,為該類工程提供了一種有效的勘探手段。
1 研究概述
1.1 勘查區(qū)概況
二是高填方深厚填土區(qū)基礎(chǔ)選型及樁基施工的復(fù)雜困難性。多數(shù)削峰填谷工程均面臨填方厚度大,屬半挖半填地基。部分建筑跨越挖方區(qū)(基巖區(qū))和填方區(qū),因大規(guī)模、大厚度的填方沉降變形國內(nèi)經(jīng)驗較
擬建場地所在區(qū)域原始地貌屬于丘陵低山地貌,山巒起伏、溝谷縱橫,地形起伏較大,原始地面高程范圍在 421.83~648.79m ,最大高差約 226.96m 。原始地形條件下,工程建設(shè)的適宜性較差。為了滿足工程建設(shè)需要,對整個園區(qū)進行削峰填谷場平工作。根據(jù)場平設(shè)計資料,近期啟動建設(shè)的一期主要為填方區(qū)域,設(shè)計標(biāo)高在 518.8~554.4m 。
1.2 場地地層分布
根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查工作及區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合已施工鉆孔深度范圍內(nèi)揭示的地層及地層成因顯示,本次探測場區(qū)地層分為以下2種。
1.2.1 近期人類活動形成的地層
該層主要由壓實填土( 構(gòu)成:為原始場地就地取材削峰填谷,從挖方區(qū)轉(zhuǎn)移到填方區(qū)的粗(巨)粒土夯實回填而成。主要成分為強\~中風(fēng)化砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖,粒徑一般 2~200mm ,最大直徑 1.0m ,堆填時間約 0.1~1.2a ,干燥,經(jīng)分層強夯處理,結(jié)構(gòu)中密為主,局部稍密或密實,工程力學(xué)性質(zhì)不均勻,欠固結(jié)。該層層底埋深 0.50~124.8m ,層厚 0.50~124.80m ,平均厚度 48.0m 。該層主要位于場地中部溝谷地貌,呈南北向分布。
1.2.2 三疊系上統(tǒng)須家河組基巖 (T3xj) )地層
根據(jù)鉆探資料,該層主要由強風(fēng)化砂巖(場地內(nèi)局部揭露)中風(fēng)化砂巖(場地穩(wěn)定基巖,未揭穿)、中風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖(場地局部揭露)組成。
1.3場地地球物理特征
在一定時間范圍內(nèi),回填場地因不同深度的回填土受到的上部荷載隨深度而變化,導(dǎo)致其固結(jié)程度存在差異;回填土和下伏基巖物性狀態(tài)的不同,也造成了其彈性參數(shù)各不相同,這些都賦予在地質(zhì)體的傳播中的微動信號(主要由瑞雷面波組成)具有不同的面波頻譜特性和相速度,而隨著傳播距離的增加,面波的能量會逐漸向外擴散,導(dǎo)致波幅減弱(面波的發(fā)散性)。上述特性使得天然源面波中富含了復(fù)雜的振幅、路徑等波形信息,由此便可以推斷自標(biāo)地層的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)信息,達到勘探目的。
本次勘探深度范圍內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)不同,存在速度差異。統(tǒng)計工作區(qū)各地層視橫波速度參數(shù)(表1),測區(qū)內(nèi)各地層視橫波速度的特征:填土的視橫波速度通常在 100~500m/s 。這一范圍可能因填土的類型和壓實、固結(jié)程度而有所不同。密實的填土波速會相對較高,而松散的填土波速則較低。強風(fēng)化砂巖的視橫波速度通常在 300~1200m/s 。風(fēng)化程度較低、致密的砂巖定義的波速會更高,而在較強風(fēng)化和相對松散的條件下,波速則會降低。分析認(rèn)為,可以采用天然源面波探測解決相關(guān)地質(zhì)問題。
2 工作方法
2.1 天然源面波探測方法
天然源面波探測是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù),從地球表面的微弱振動信號中提取面波(瑞雷波)的頻散曲線,通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法。簡而言之,就是從波形信號中提取其攜帶的地層結(jié)構(gòu)信息,達到勘探目的。
2.2 測線布置
工作區(qū)經(jīng)過土石方施工后,場地原始地貌已改變。根據(jù)已知資料,工作區(qū)原始溝壑呈“Y\"字形展布,此區(qū)域填方深度最大??紤]到本次探測目的,在測區(qū)內(nèi)布置2條測線,測線WD01大致沿“Y\"字形一枝展布,近南北向,沿線經(jīng)過CK85,DT1、DT2號鉆孔;測線WD02橫跨“Y\"形溝壑分支處展布,近東西向,沿線經(jīng)過CK47、DT2兩個鉆孔,2條測線有一交點,以達到相互驗證的目的。測線布置如圖1所示,圖中填土等厚度線為根據(jù)初勘鉆孔揭露情況模擬得出。
2.3 臺站布設(shè)
本次探測采用合肥國為電子有限公司的GN309微動探測系統(tǒng),采用RTK實地進行定點,確定臺站實際高程及中心位置,本次現(xiàn)場采集采用線性觀測臺陣,此類臺陣與嵌套臺陣類似,即有臺陣中心點為測點樁號,臺陣盡量以等間隔(即道間距)沿某一固定方向布置。本次現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集道間距為 10m ,單個測點采用9個站組成一字型臺陣,觀測半徑 40mo 共使用20個臺站同時采集數(shù)據(jù),即單次排列可測12個測點,待當(dāng)前排列數(shù)據(jù)采集完成后,向后滾動12個檢波器,繼續(xù)觀測,本次實驗的微動探測觀測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
2.4一致性試驗
本次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用先進的基于互聯(lián)網(wǎng)的實時傳輸技術(shù),以及配套的軟件平臺,便于采集人員遠程進行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測。采集時可以自由配置采樣參數(shù),以實時評估所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量,從而在需要時及時調(diào)整操作模式。此外,來自多個數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)可以實時獲取。為了確保所收集數(shù)據(jù)的真實性和有效性,在正式工作之前對儀器進行了一致性試驗。所有儀器同步運行,共同工作了 15min 。所采集的數(shù)據(jù)波形在時間域上具有一致性,保證了信號在同一時間基準(zhǔn)下處理,確保了數(shù)據(jù)的可靠性和有效性,達到了探測要求(圖3、圖4)。
2.5 數(shù)據(jù)處理
從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的2種方法是頻率-波數(shù)法(The Frequency-wavenumberPowerSpectralMethod,簡稱F-K法)和空間自相關(guān)方法(Spatical Autocorrelation Method,簡稱 SPAC 法)。F-K法頻散曲線集中在低頻段,而高頻時的混頻現(xiàn)象會使其結(jié)果惡化;SPAC法頻散曲線集中在高頻段,而低頻段經(jīng)常無法準(zhǔn)確提取,因此F-K法適合分析深部土層,而SPAC法適合分析淺部土層。結(jié)合本次目標(biāo)深度,采用空間自相關(guān)方法進行數(shù)據(jù)處理。
首先從時序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波,獲得其相速度頻散曲線,再對頻散曲線進行反演獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu),最后結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景對橫波速度結(jié)構(gòu)作出地質(zhì)解釋。
利用實際微動信號中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視橫波速度結(jié)構(gòu)信息。常用的反演算法有半波法經(jīng)驗公式反演,半波法經(jīng)驗公式反演是一種采用經(jīng)驗公式對頻散曲線進行反演計算的方法,探測目標(biāo)剖面上對應(yīng)的視S波速度的變化情況,以獲取相應(yīng)的地層構(gòu)造。該方法用于剖面上巖性的相對變化而無需反演橫波速度的絕對值。
計算視橫波速度半波法經(jīng)驗公式如下
式中: s 為視橫波速度; vr 為瑞雷波相速度; ti=1/fi 為周期;對應(yīng)的深度一般取半波長。
計算出視S波速度后,可根據(jù)相速度頻散曲線算得視S波速度隨深度的變化曲線(vs-h曲線),再利用光滑差值等計算處理后,即可得到視S波速度的剖面圖。視S波速度不等于實際的S波速度值,是擁有速度量綱的物性參數(shù),其變化趨勢可以反映出實際的S波速度變化,故可通過視S波速度的剖面圖進行地質(zhì)診斷。
3 成果解譯
通過反演得到的視橫波速度成圖,結(jié)合測線范圍內(nèi)的鉆孔資料、結(jié)合工作區(qū)已知資料綜合分析作出如下推測。
3.1測線WD01成果
測線里程 625,925,1000m 處分別為鉆孔CK85、
DT1、DT2,鉆孔揭露填土層厚度分別為 118.2、87.8、99.6m (成果圖內(nèi)黑色豎線表示)。對比鉆探揭露情況,測線WD01成果圖整體趨勢大致分為3層。視橫波速度小于440m/s 劃分為第一層,層厚 20~75m ,為填土層。該層較松散、固結(jié)較差或含水率較高;視橫波速度 440~550m/s 劃分為第二層,層厚 25~30m ,為填土層,該層較密實、固結(jié)較好、含水率相對較低,鉆探施工時該段相對不易鉆進,表明該段土層相對密實;視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層,推測為填方前原始地層,為強-中風(fēng)化砂巖。WD01探測成果剖面圖如圖5所示。
測線WD01為由北向南布置,根據(jù)已有資料,場地原始現(xiàn)場北端靠近山體,且剖面圖顯示第三層地層沿北邊逐步向淺層發(fā)育,與實際情況較為吻合。綜合分析可得填土層由北向南逐漸增厚,末端又有變淺的發(fā)展趨勢,整體呈現(xiàn)一凹狀發(fā)展形態(tài),測線WD01填土層變化范圍為 36~120m 。
3.2測線WD02成果
測線里程 362,575m 處分別為鉆孔CK47、DT2,鉆孔揭露填土層厚度分別為 73.8,99.6m (成果圖內(nèi)黑色豎線表示)。對比鉆孔揭露情況,測線WD02成果圖整體趨勢大致分為3層。視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層,層厚 20~65m ,推測為填土層,較松散、固結(jié)較差或含水率較高;視橫波速度 440~550m/s 劃分為第二層,層厚15~45m ,推測為填土層,較密實、固結(jié)較好,含水率相對較低;視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層,推測為填方前原始地層。WD02探測成果剖面圖如圖6所示。
測線WD02為由西向東進行數(shù)據(jù)采集,測線里程300.570m 均呈現(xiàn)下凹趨勢,推測為原狀“Y\"型溝壑分支處,測線WD02填土層變化范圍為 40~100m 。
綜上,本次探測成果均呈現(xiàn)較明顯的分層特性,各層速度相對均勻,且橫向呈相對連續(xù)特征,推測由于覆土壓力不同造成的固結(jié)差異引起。
4結(jié)束語
1)本次探測采用GN309微動探測系統(tǒng),該系統(tǒng)具有基于互聯(lián)網(wǎng)的實時傳輸技術(shù)以及配套的軟件平臺,便于實時進行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測,數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,反演剖面與鉆孔吻合程度較高。
2)根據(jù)成果推測,測線覆蓋范圍內(nèi)填土層有較明顯分層,結(jié)合鉆孔成果,視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層,推測該層較松散、固結(jié)較差或相對富水; 440~ 550m/s 劃分為第二層,推測該層相對較密實、固結(jié)較好。
3)面波的頻譜特性和相速度因地層構(gòu)造的不同而異,使得其傳播速度與頻率之間存在關(guān)系。通過對微動面波的頻散曲線進行分析,能夠有效評估地質(zhì)情況并提高物探成果的解譯準(zhǔn)確性。
4)在高填方場地中,填土的覆土壓力是影響填土固結(jié)狀態(tài)、進而影響工后沉降的一個重要因素,在實際應(yīng)用中,可以通過室內(nèi)大型固結(jié)模擬試驗對不同荷載下填土的固結(jié)特性加以研究。
5)探測成果表明,天然源面波法用于削峰填谷工程中的地層勘探有較好的應(yīng)用效果,對于評價場區(qū)填土分布、填土固結(jié)程度具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義,該方法不僅提高了地質(zhì)條件評估的準(zhǔn)確性,還為選擇合適的施工方案提供了重要支持,具有顯著的工程應(yīng)用價值。
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