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面波法与单孔检层法波速测试的工程应用(1)程

2014-04-14 02:23

摘要：波速测试技术是地震勘探方法之一，也是一种简便、快速、准确的原位测试技术。通过波速测试可获得岩土体的弹性波速，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。文中简述了面波法与单孔法等波速测试方法的工作原理、现场施测技术以及数据处理和资料分析过程。以工程实例说明了波速测试技术在岩土工程勘察设计中的应用和及其效果。最后就勘探工作的总体安排及其原位测试方法的选择进行了探讨。 

关键词：波速测试技术 瑞雷面波 剪切波 压缩波 岩土工程勘察 地球物理勘探 

0  前言 
波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。
一般来说，波速测试可原位测定压缩波(p波)、剪切波(s波)和瑞雷面波(r波)在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩(土)体质量等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。本文介绍了波速测试技术的工作原理和野外测试方法，并结合工程实例，说明其应用效果。不妥之处，敬请批评指正。
1  工程概况
北大港水库位于天津市东南部大港区境内，东临渤海湾，地貌上属于海积平原的滨海洼地，隶属华北平原一部分。该库地处海河流域的大清河、南运河、子牙河水系，独流减河下游右岸。水库自1954年开始建设，1974年对围堤进行培厚加高加固处理，1976年初步建成，并陆续修建蓄、引、输、排水配套工程，至1980年建成。水库蓄水面积150km2，占地面积164km2，设计堤顶高程9.5m（大沽高程，下同），设计最高蓄水位7.0m，相应总库容5.0×108m3（兴利库容4.41×108m3）。是一座以蓄供水为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合效益的大（2）型平原水库，工程等级为ⅱ类，围堤及主要穿堤建筑物级别为2级，其余次要建筑物级别为3级。

水库枢纽工程主要由围堤、穿堤建筑物（水闸、供水口门等）以及蓄水建筑物（扬水站、尾闸等）组成。其中水库围堤为均质土堤，总长54.511km，堤顶设计高程为9.5m，堤顶宽度10m，迎水坡1：3，背水坡上部1：3，马道以下1：4。主堤前紧接防浪林台，其边坡1：8，林台台顶宽度28～35m不等，台顶高程7.5m。在库内距围堤堤轴线200～1000m处，筑有防浪堤一道，总长36.048km。
勘探深度20.0m范围内堤基地层为第四系全新统第一陆相沉积物（alq43）和第一海相沉积物（mq42）。其中第一陆相层岩性主要为壤土、粘土、局部夹砂壤土透镜体，第一海相层岩性主要为粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥质壤土。该区地层结构多呈层状发育，局部呈透镜体状分布。地下水位埋深一般为2.1～3.5m，水质多为半咸水～咸水。根据1/400万《中国地震动参数区划图》gb18306—2001，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s，按照地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表，本区地震基本烈度为ⅶ度。
受水库管理单位委托，中水北方勘测设计研究有限责任公司勘察院承担了该工程除险加固地质勘察工作，物探总队进行了现场波速测试，其主要目的是对水库围堤及穿堤建筑场地类别及砂性土液化势做出判别。
使用仪器为：美国产r24数字化工程地震仪。面波法采用4hz低频检波器接收，单孔法下孔探头采用三分量检波器接收。测试所用仪器设备均在计量认证有效期内，现场实施期间性能稳定、工作正常。
2  测试方法与技术
2.1  面波法（1）（2）（3）
面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（r波）和拉夫波（l波），而r波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 （科教论文网 lw.NsEac.com编辑整理）
人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。目前常使用瞬态面波法进行勘探。
2.1.1  工作原理
面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的p波和s波不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由sh波（水平方向s波）与p波干涉而形成，而瑞利波是由sv波（垂直方向s波）与p波干涉而形成，且r波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（p、s波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，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（r波长）的圆柱体向外扩散。
在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由miller（1955年）计算出来，即p波占7%、s波占26%、r波占67%，亦就是说，r波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用r波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。
综合分析表明r波具有如下特点：
⑴ 在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；
⑵ 在不均匀介质中r波相速度（vr）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；
⑶ 由p波初至到r波初至之间的1/3处为s波组初至，且vr与vs具有很好的相关性，其相关式为：
        式中：μ为泊松比；
由于第四系地层的泊松比一般为0.37～0.49，故vr=（0.938～0.954）vs，可以认为对土体而言，vr与vs基本相等，其误差只有5%左右。该关系奠定了r波在测定岩土体物理力学参数中的应用；
⑷ r波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；
⑸ 质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；
⑹ r波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λr）尺度范围内。
依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度vr，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。
2.1.2  测试方法
应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的r波，这些不同频率的r波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的r波分离出来，并求得相应的vr值，进而绘制面波频散曲线。
当选取两道检波数据进行反演处理时，应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距△x应满足（λr/3）～λr，即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍，而大于在间距△x内的采样点数的1倍，该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。
当采用多道检波数据进行反演处理时，虽然不受道间距公式的约束，但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，易采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于r波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。
由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际。
本次工作共布置5条测试断面，分别位于水库围堤桩号2+500、14+000、21+250、28+200及45+970处，同时在相应部位布置了单孔剪切波测试（相应孔号为g01～g05）。因进入第一海相层后缩孔严重，除g03、g04孔做了部分钻孔剪切波测试外（孔深小于12m、11m测段），在全部测试断面均布置了瑞雷面波测试剖面以代替钻孔剪切波测试。瑞雷面波测试剖面单一排列长度62m。
面波法采用瞬态瑞雷波探测技术，两端激发多道接收的完整对比观测系统，12道接收、道间距2m，经展开排列试验选择偏移距20m。锤击震源。
2.2  单孔法（4）（5）（6）
单孔检层法，也称弹性波速度测井，是在一个垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。按照震源和检波器在钻孔中所处的位置，可分为①地表激发孔中接收法、②孔中激发地表接收法、③孔中激发孔中接收法、④孔底法等四种测试方法，常用地表激发孔中接收法。

2.2.1  工作原理

以岩(土)体的弹性特征为基础，通过测定不同岩(土)层的s波、p波的传播速度，计算岩(土)体的动弹性参数，据此判定岩(土)体的工程性质，为工程设计提供可靠的科学依据。

实测一般采用单孔检层的地表激发孔中接收法，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生s波，利用剪切波震相差180⁰的特性来识别s波的初至时间。

2.2.2  测试方法

实测通常由震源和记录仪器组成，叩板震源设置一般距孔口2～7m，平放一块压重物的木板，测试孔应位于木板长轴的中垂线上，使木板与地面紧密接触。木板长2.5～3.0m，宽0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上压约500～1000kg的重物。当分别水平敲击木板两端时，产生弹性波(此时以s波为主)。记录仪器由井中三分量检波器和工程地震仪构成，三分量检波器放置井中某一深度，接收由震源产生的弹性波信号，并通过连接电缆输送给地震仪，再由地震仪记录并存储以备后期数据处理之用，图1为单孔检层法测试示意图。

单孔检层法测试弹性波时，由于震源板离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波的非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时，计算公式如下：

式中：t’—纵测线旅行时(s);    t—非纵测线旅行时(s);

h—测点孔深(m)；       x—震源板距孔口的距离(m)。

由校正后的纵测线旅行时即可求得各测试地层的弹性波速度。

现场测试过程中应注意以下特征：

(1) p波传播速度较s波速度快，p波为初至波；

(2) 震源板两端分别作水平激发时，s波相位反向，而p波相位不变；

(3) 检波器下孔一定深度后，p波波幅变小，频率变高，而s波幅度相对较大，频率相对较低。

(4) 最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。

本次钻孔剪切波测试采用单孔检层地表激发孔中接收法，使用叩板震源，震源距孔口分别为2.8m、6.5m，孔内测点间距为1.0m，自下而上逐点施测。各点采用正、反向两次激发。由于第一海相层缩孔严重，仅在g03(21+250)、g04(28+200)两孔实施了部分孔段的剪切波测试(孔深分别为0～12m、0～11m测段)。

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