瞬态面波法摘要.doc

摘要】瞬态面波法是一种新兴岩土原位测试勘探方法，对地层具有薄层分辨能力、定量分析评价能力和通过图象再现地下地层与构造的能力。在工程建设项目的勘察设计中发挥越来越大的作用。 
【关键词】瞬态面波  瑞雷面波 频散曲线  勘察  应用 
与折射波、反射波相比瞬态面波法是一种新兴岩原位测试勘探方法，利用实测瑞雷面波频散曲线，通过定量解释，可以得到各地质层弹性波的传播速度，传播速度的大小，直接反映了地层的“软”、“硬”程度。因此，可以对第四系地层进行划分，确定地基的持力层、土石界面基岩面的起伏变化。瞬态面波勘察技术对地层具有的薄层分辨能力、定量分析评价能力和通过图象再现地下地层与构造的能力。 

一、瞬态面波概要 
试验表明，瑞雷面波某一波长的波速主要与深度小于该波长一半的地层物性有关，这就是用一定波长的瑞雷面波波速来表征一定深度地层物性的实验基础。瞬态面波法是通过锤击、落重及炸药震源，产生一定频率范围的瑞雷面波。再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞雷面波分离开来，从而得到一条VR-f曲线或VR-λR曲线。 
解释方法多采用半波长法，但进一步发现，半波长法解释方法有时不够精确，实际应用中需作修正或改进。推断层厚度的方法目前有一次导数极值点法和拐点法；计算层速度的方法有渐进线法、□VR/□λRH极值法和近似计算法几层厚度、层速度的综合解释法等。通过正反演计算，进行人机联作速度分层，也是日趋常用的处理解释方法。 
瞬态面波处理系统的主要功能模块及处理流程图见图1。 
二、工程应用实例 
1、工程勘察 
图2是兰州-临洮高速公路对临洮县城特大桥采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。此图为波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果，与钻孔验证二者对应良好。节约了三分之二的钻探工作量。 
图3是山丹-临泽高速公路对黑河大桥采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。此图为波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果，与钻孔验证二者对应良好。在地层分层的解释成果图中地层分为大的三层，剪切波速由100m/s变化至500m/s，反映了由地表松散的砂卵石至深部中密-密实的砂卵石的地层变化。 
2、探测地下采空区、防空洞 
图4是刘寨柯-白银高速公路对王家山小煤窑采空区采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得工作成果。波速实测曲线在35-40米左右发生了强烈的频散，层序凌乱。相对横波速度出现负值和较厚的相对低速层，从而判断频散曲线出现相对横波速度负值和较厚的相对低速层为小煤窑开采形成空洞及以后周围土层松动、塌落形成而相对横波速度负值和较厚的相对低速层。在连续彩色剖面中可直观的反映，从而可圈定出小煤窑的采空区、采空区松动圈、采空区影响区。为设计和线路方案的比选提供重要依据。 
图5是兰州-海石湾高速公路对防空洞采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。第一、第二号面波点的频散曲线出现一层较厚的相对低速层，而其它三个面波点的频散曲线没出现相对低速层，层序较好，从而判断第一、第二号面波点的频散曲线出现相对低速层为防空洞开挖及以后废弃周围土层塌落、充填防空洞形成相对低速层。在连续彩色剖面中可直观的反映，从而可圈定出防空洞的影响区，。为设计提供参考依据。 
3、软弱层分布及埋深 
图6是兰州-海石湾高速公路对拟建路基采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。VS（横波速度）98m/s～140m/s，岩性为软土。在连续彩色剖面中可直观的反映出软土层呈透镜体状分布在亚粘土、砂土层中。 
4、确定土石界面 
图7是兰州-海石湾高速公路对深路堑采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。在连续彩色剖面中可直观的反映出基岩面及基岩起伏变化，为设计提供较为准确的土石界面。 
5、探测滑坡体的滑动面 
图8是兰州-临洮高速公路对湾沟深路堑采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。K15+340～+400此段，在VS（横波速度）大于 480m/s的地层中，存在一层很薄且逐渐尖灭的低速层，推断为基岩内的滑动面。滑动面的深度在10.50米～12.50米。在连续彩色剖面中可直观的反映出滑动面、基岩面及基岩起伏变化，为设计提供较为准确的不良地质体情况和土石界面。 
图9是兰州-刘家峡二级公路K34+740～K35+040段，采用锤击震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。在VS（横波速度） 100m/s~340 m/s的地层中，存在一层很薄的低速层，此低速层在黄土与基岩面分界处。推断为基岩面的滑动。滑动面的深度在7.20米～17.00米。在连续彩色剖面中可直观的反映出滑动面、基岩面及基岩起伏变化，为设计提供较为准确的不良地质体情况和土石界面。 
6、检测强夯地基有效加固 
图10是柳沟河-忠和高速公路K3+274-+284强夯地基采用锤击震源和瞬态面波连续剖面法取得的工作成果。在连续彩色剖面中可直观的反映出强夯地基“软”、“硬”变化及确定强夯地基有效加固深度在4.40-4.50米之间。为监理、施工提供较为准确的检测。 
    瞬态面波勘察技术在甘肃省交通规划勘察设计院的运用已取得很好的勘测效果和经济效益。该技术在工程建筑地基勘察、机场、铁路、公路路基勘察、大中桥基础勘察、大坝和路基碾压检测、砼质量检测、桩基检测、地下管道和空洞探察、灾害地质体调查等方面都可取得良好的使用效果。相信在今后将会得到更广泛的应用。

1） 多道瞬态瑞雷面波法和地震折射波法进行探测。
①该探测方法基本原理简述如下：
瑞雷波勘探是基于瑞雷波的如下特性的一种勘探方法，
   A 在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；
   B 瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同，不同波长的瑞雷波反映不同深度的介质情况；
   C 瑞雷波传播速度与剪切波速具有密切相关性；
根据弹性波在半无限空间的传播规律，设计最佳面波接受窗口，提取频散曲线后反演出地层层速度，利用地层层速度和频散曲线拐点判断地层分布情况。
地震折射波法是利用地震波由上部低波速介质向下部高波速介质中传播过程中，当入射角达到临界角时，波沿高波速介质表面滑行产生滑行波，从而形成折射波往地面方向传播，来勘查目的层埋深、产状及其界面速度的一种地震勘探方法，它具有工效高，能判定目的层岩性等优点。
2） 高密度电阻率映象法探测。
①该基本原理简述如下：
岩石（土）具有非常复杂的结构与组份，在勘探中，为了方便可以一级近似地把岩石模型看成是由两相介质构成的，即矿物骨架固相）和水（液相）。因此不同组份的岩石（土）会有不同的电阻率，即使组份相同的岩石，也会由于结构和含水情况的不同而使电阻率在很大的范围内变化。
地质解释的第一步即电阻率剖面中岩性与电阻率之间关系分析，依据电阻率值的等级划分不同电性层。分析不同电性层与地质层位、构造破碎、裂隙等之间的关系。在上述分析解释的基础上确定不同剖面的不同部位电性变化与地质层位、构造发育、地下水活动用电性剖面图展示最终的工作成果。
3） 地质雷达探测。
①该基本原理简述如下：
地质雷达（GPR）是利用超高频短脉冲（1～1000 MHZ）电磁波探测地下介质分布的一种高精度的物探方法。发射天线将高频电磁波以宽频短脉冲的形式发射到地下，电磁波在地下介质中传播时，会因介质电性的不同发生不同程度的衰减，遇到不同介电性质的分界面时会发生反射，反射信号为接收天线接收，经数字信号处理即可得到反映地下介质的电性分布的雷达图像。可结合具体地质情况加以分析验证，从而探明地层分层及破碎带构造变化，为地质分层，寻找地层破碎带，构造起伏提供依据。
4） 声波测井。
①该基本原理简述如下：
土层动力学参数测试技术分为剪切波速测试和地脉动测试，本次工程将主要介绍前者提供的地层波速和动剪、动弹模。剪切波速测试技术（主要在钻孔中进行）又分单孔法和跨孔法。目前我国常用单孔法技术成熟，单孔法测试它是弹性波测试方法之一，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播特性上，采用频率主要为1K～30KHZ和50K～1000KHZ两个频段。该方法方法就是把井中三分量检波器放在孔中自下而上提升检波器探头，以人工激振的方法向介质发射声波，在地面距井口约五米放置一块木板，沿木板纵轴线水平敲击板端，这样就有地震波传到孔中被检波器所接收，收受介质物理特性调制后的声波，然后通过电缆线传回地面控制仪器接收其振动信号，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等参数解决工程问题。