应用面波法在混凝土表面测试条件下调查基岩特征

王小明　席超强　胡泽安

摘 要：瑞雷面波检测方法作为一种较新型的公路工程质量检测技术，利用其频散特性，可对地下浅层地质信息进行科学、快速、准确地测试，在工程勘察中得到广泛应用。但目前存在诸多以混凝土表面且下覆软土层的测试条件来探查基岩的深度及其岩溶特征，可借鉴的资料及经验相对较少。文章通过对多道瞬态瑞雷波方法技术阐述，结合工程实例，讨论了混凝土下覆软土层条件下，利用面波法对铁路路基基岩面深度及岩溶赋存情况进行探查，结果表明多道瞬态瑞雷波法是一种高效适用的浅层工程物探方法。

关键词：地震勘探；瞬态瑞雷面波法；基岩面；软土层

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

1 引言

瞬态多道瑞利面波勘探技术已广泛应用于工程地质勘探和工程质量检测等领域中，与传统检测方法相比较，该方法具有使用简便、非破损性、检测成本低且能迅速提取反映地基基础层状结构频散曲线等优点。利用其频散特性，在地表科学、快速、准确地测试出有效地质信息是可行的一种方法手段，在工程勘察中应用面较为广泛。瑞雷面波的探测的实质是根据人工激发的产生多种频率的面波，利用瑞雷面波在传播过程中的频散特性，研究频率与波长的关系，从而确定地表岩土的面波速度随传播深传播位置的变化关系，来解决浅部工程地质和地基岩土的地震工程等问题[1～2]。

随着高速公路、铁路建设的如火如荼，大量的高速公路、铁路修建于岩溶发育区，瑞雷面波勘探是探查基岩内部岩溶病害的一种无损、快速、连续且经济有效的物探检测方法。但混凝土下覆软土层条件下，对基岩面的深度及基岩面内岩溶的探查，可借鉴性的经验较少。相对于工程中的大量应用，检测理论的深入研究已大大滞后。本文依据淮北市境内某铁路路基检测实验成果，对瞬态瑞雷面波在混凝土下覆软土层条件下探查基岩岩溶及基岩面深度进行研究[3～4]，为同类地质条件勘探提供参考。

2 瞬态瑞雷面波法勘探原理

瑞雷面波是在弹性界面附近由压缩波和型剪切波的干涉叠加产生的一种地滚波，传播能量集中在一定的范围内，离开界面一定距离后其能量迅速衰减，质点运动轨迹为一逆进椭圆，即长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（λ波长）的圆柱体向外扩散。其主要特点是能量大，速度低，频率低，衰减慢，信号容易被拾取。当它在均匀介质中传播时，传播速度与频率无关，但在非均匀介质中的面波相速度随频率变化而变化（即瑞雷波的频散性）。这些特性为瑞雷面波勘探提供了物理基础[5～7]。

瑞雷波沿着地面表面传播时，其穿透的深度大约为一个波长的长度，因此，同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地质情况。在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距设置 N+1个检波器，就可以检测到瑞雷波在N长度范围内的波场。

曲线或-曲线的变化规律与地下介质条件存在着内在联系，通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度值，另一方面，值的大小与介质的物理特性有关，据此可以对岩土的物理性质作出评价。目前现场施工主要采用多通道方式进行数据采集，图1为现场探测示意图。

3 工程实例及分析

3.1 工程概况

该段路基位于淮北市境内，为客车联络线。勘探场区属灰岩地层剥蚀区，地貌单元单一，地势平坦开阔，地形略有起伏，地面高程一般在33.4～35.5m之间，高差小于0.5m。根据该段铁路设计规划，测试区路基为铁路排洪设计，整段路基在原铁路路基基础上下挖10m，下挖范围内均为粉质黏土，下挖到位后对路基进行平整与压实，浇筑混凝土。根据现场钻孔资料，该段路基上覆为厚混凝土层，中部夹杂粉质粘土，下部为白云质灰岩，浅部灰岩层风化较强，深部灰岩风化较弱，灰岩地层中发育岩溶裂隙，且赋含水。其物性差异明显，为探查提供基础。

3.2 数据采集和处理

现场施工中在路基延展方向布置两条平行轴线测线（如图2所示），分别为路基左、右测线，两测线间距为6m，每条测线长度为14m。地震仪使用（Miniseis24）Geopen综合工程探测仪，经前期现场试验，采用小偏移距单边排列方式连续采集多道面波数据，12道4.5hz的低频检波器接收，道间距1m，偏移距4m，移动步距1m，采样间隔0.1ms，采样点数为2k，震源用18磅重锤锤击。现场采用单边排列观测系统布置，其是指仅在接收点排列一侧激发的观测形式。

面波勘探数据处理采用Seismic Pro 8.0完成，其关键是频散曲线提取。目前，频散曲线的提取方法主要有线性拉东变换、τ-p变换算法、 f-k变换算法和相移法。由于离散化和有限孔径等原因，提取瑞雷面波的频散曲线时存在着假频现象及某些频段能量谱分辨率低的问题[8～11]。数据处理采用f-k法和相位差法联合分析来提取频散曲线，结合两者在提取频散曲线时的优点，用f-k法计算生成频散谱，用相位差法生成频散曲线，在频散谱上提取频散曲线，此种方法可有效减少频散曲线的不确定性。

3.3 结果解释

（1）该段路基剪切波速度剖面图大致分为三部分，及上部为高速层，中部为低速层，下部为高速层。结合地质资料，浅部高速区对应混凝土层，中部低速带对应粉质粘土层，下部高速去对应基岩层。可以看出，地质分层与剪切波速度剖面图有良好的对应性。粘土层由于经过平整与压实，与混凝土层接触面良好，在速度剖面图中，混凝土层与粘土层界面非常清晰且水平，与实际情况较好对应。说明，在上覆高速混凝土层下覆软夹层条件下，瑞雷面波能够良好的探测接触面完整性； （2）根据钻孔资料，中间粘土软夹层厚度大约为4m左右，由于粘土层下覆为分化程度较高的灰岩层，岩土体风化程度越高或破碎，其速度越低。在速度剖面图中，低速带厚度大约为10m左右，且低速度由上到下速度逐渐增高，下部速度逐渐增大部分推断为高风化灰岩，由于物探资料的多解性，现场资料解释时，需紧密结合现场地质资料； （3）在速度剖面图中，下部高速层速度分布均匀，未见低速异常区，可知该探查段路基基岩内部岩溶发育程度差。

4 结论

文章结合路基地质条件多通道瞬态面波勘探实践，对混凝土覆盖条件下基础条件评价取得相应的认识。

（1）通过选择合适的观测系统及采集参数，利用多通道瞬态瑞雷面波可在一定深度范围内对混凝土夹软土层条件下的地质异常特征进行识别，其结果可为工程建筑提供佐证； （2）多道面波勘探数据处理采用f-k法和相位差法联合分析进行频散曲线提取，可降低频散曲线的不确定性，提高了对地下地质体的横向及纵向分辨率； （3）在上覆高速层下覆软夹层条件下，瑞雷面波勘探可对接触面完整性及下覆地层的深度及岩溶情况进行精准、高效勘查。现场需要完成相应的探测实验，通过及时验证实践与调整，进一步取得理想的探查效果。

参考文献：

[1]张华为.公路路基填筑厚度检测的瑞雷面波方法及理论研究[D].中南大学，2012.

[2]刘远，孙进忠，赵体等.强夯地基处理效果的多道瞬态瑞雷波检测[J].地球物理学进展，2014，29（06）：2910-2916.

[3]杨耀.瞬态瑞雷波在工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报， 2013，10（06）：873-879.

[4]郑立宁，谢强，冯治国等.瞬态瑞雷面波法岩溶路基注浆质量检测现场试验研究[J].岩土工程学报，2011，12（12）：1934-1937.

[5]柴华友，汪江波，周一勤等.瑞利波分析方法及应用进展[J].岩石力学与工程学报，2002，21（01）：119-125.

[6]贾辉，陈义军，张辉等.多道瞬态面波法在回填地基调查中的应用[J].物探与化探，2012，36（05）：884-886.

[7]林承灏，张平松，郭立全等.利用多道面波勘探技术调查路基岩溶地质条件[J].工程地球物理学报，2012（05）：595-599.

[8]刘占兴，单娜琳，王少卿等.层状介质瑞利面波的波形模拟研究[J].工程地球物理学报，2012，9（01）：5-11.

[9]张海云.瞬态瑞利面波技术在岩土工程勘察中的应用[J].西部探矿工程，2015（05）：11-12.

[10]杨耀.瞬态瑞雷波在工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报， 2013，10（06）：873-879.

[11]齐建国.多道瞬态面波法在岩土工程勘察中的应用[J].电力勘测设计，2004（03）：24-26.

作者简介：王小明（1989-），男，甘肃兰州人，硕士，研究方向：地球探测与信息技术。