摘要：

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波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是一種簡便、快速、準(zhǔn)確的原位測試技術(shù)。通過波速測試可獲得巖土體的彈性波速，為工程設(shè)計提供所需的動彈性力學(xué)參數(shù)、劃分建筑物場地類別、評價地震效應(yīng)、進行場地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢分析等。文中簡述了面波法與單孔法等波速測試方法的工作原理、現(xiàn)場施測技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和資料分析過程。以工程實例說明了波速測試技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計中的應(yīng)用和及其效果。最后就勘探工作的總體安排及其原位測試方法的選擇進行了探討。

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關(guān)鍵詞：波速測試技術(shù)瑞雷面波剪切波壓縮波巖土工程勘察地球物理勘探

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前言

波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術(shù)的一個重要分支，目前已廣泛應(yīng)用于水利水電工程、石油工程、鐵路工程、冶金工程、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。

一般來說，波速測試可原位測定壓縮波、剪切波和瑞雷面波在巖體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質(zhì)問題，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度、評價巖體質(zhì)量等；并可計算工程動力學(xué)參數(shù)，如動剪切模量、動彈性模量等。本文介紹了波速測試技術(shù)的工作原理和野外測試方法，并結(jié)合工程實例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，敬請批評指正。

工程概況

北大港水庫位于天津市東南部大港區(qū)境內(nèi)，東臨渤海灣，地貌上屬于海積平原的濱海洼地，隸屬華北平原一部分。該庫地處海河流域的大清河、南運河、子牙河水系，獨流減河下游右岸。水庫自1954年開始建設(shè)，1974年對圍堤進行培厚加高加固處理，1976年初步建成，并陸續(xù)修建蓄、引、輸、排水配套工程，至1980年建成。水庫蓄水面積150km2，占地面積164km2，設(shè)計堤頂高程9.5m，設(shè)計最高蓄水位7.0m，相應(yīng)總庫容5.0×108m3。是一座以蓄供水為主，兼有防洪、澆灌、養(yǎng)殖等綜合效益的大型平原水庫，工程等級為Ⅱ類，圍堤及主要穿堤建筑物級別為2級，其余次要建筑物級別為3級。

水庫樞紐工程主要由圍堤、穿堤建筑物以及蓄水建筑物組成。其中水庫圍堤為均質(zhì)土堤，總長54.511km，堤頂設(shè)計高程為9.5m，堤頂寬度10m，迎水坡1：3，背水坡上部1：3，馬道以下1：4。主堤前緊接防浪林臺，其邊坡1：8，林臺臺頂寬度28～35m不等，臺頂高程7.5m。在庫內(nèi)距圍堤堤軸線200～1000m處，筑有防浪堤一道，總長36.048km。
勘探深度20.0m范圍內(nèi)堤基地層為第四系全新統(tǒng)第一陸相沉積物和第一海相沉積物。其中第一陸相層巖性主要為壤土、粘土、局部夾砂壤土透鏡體，第一海相層巖性主要為粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥質(zhì)壤土。該區(qū)地層結(jié)構(gòu)多呈層狀發(fā)育，局部呈透鏡體狀分布。地下水位埋深一般為2.1～3.5m，水質(zhì)多為半咸水～咸水。根據(jù)1/400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306—2001，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，按照地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表，本區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

受水庫治理單位委托，中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司勘察院承擔(dān)了該工程除險加固地質(zhì)勘察工作，物探總隊進行了現(xiàn)場波速測試，其主要目的是對水庫圍堤及穿堤建筑場地類別及砂性土液化勢做出判別。
使用儀器為：美國產(chǎn)R24數(shù)字化工程地震儀。面波法采用4Hz低頻檢波器接收，單孔法下孔探頭采用三分量檢波器接收。測試所用儀器設(shè)備均在計量認(rèn)證有效期內(nèi)，現(xiàn)場實施期間性能穩(wěn)定、工作正常。

測試方法與技術(shù)

面波法

面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波和拉夫波，而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，輕易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。

人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩(wěn)態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無源法。它們的測試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。目前常使用瞬態(tài)面波法進行勘探。

工作原理

在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個圓形基礎(chǔ)上下運動時，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller計算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。

綜合分析表明R波具有如下特點：

⑴在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強；
⑵在不均勻介質(zhì)中R波相速度具有頻散特性，此點是面波勘探的理論基礎(chǔ)；
⑶由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：
式中：μ為泊松比；
由于第四系地層的泊松比一般為0.37～0.49，故VR=VS，可以認(rèn)為對土體而言，VR與VS基本相等，其誤差只有5%左右。該關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；
⑷R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；
⑸質(zhì)點運動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運動；
⑹R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長尺度范圍內(nèi)。
依據(jù)上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計算相應(yīng)地層的動力學(xué)特征參數(shù)，達到巖土工程勘察之目的。

測試方法

應(yīng)用瞬態(tài)面波法進行現(xiàn)場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時，就可以產(chǎn)生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動信號后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進而繪制面波頻散曲線。

當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距△x應(yīng)滿足～λR，即在一個波長內(nèi)采樣點數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點數(shù)的3倍，而大于在間距△x內(nèi)的采樣點數(shù)的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。

當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當(dāng)探測較淺部的地層介質(zhì)特性時，易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強的高頻信號，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測較深部的地層介質(zhì)特性時，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達到巖土工程勘察之目的。
震源點的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發(fā)，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結(jié)果。

由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點的解釋結(jié)果。實際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測場地地下介質(zhì)水平方向變化較大時，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀實際。
本次工作共布置5條測試斷面，分別位于水庫圍堤樁號2+500、14+000、21+250、28+200及45+970處，同時在相應(yīng)部位布置了單孔剪切波測試。因進入第一海相層后縮孔嚴(yán)重，除G03、G04孔做了部分鉆孔剪切波測試外，在全部測試斷面均布置了瑞雷面波測試剖面以代替鉆孔剪切波測試。瑞雷面波測試剖面單一排列長度62m。
面波法采用瞬態(tài)瑞雷波探測技術(shù)，兩端激發(fā)多道接收的完整對比觀測系統(tǒng)，12道接收、道間距2m，經(jīng)展開排列試驗選擇偏移距20m。錘擊震源。

單孔法

單孔檢層法，也稱彈性波速度測井，是在一個垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。按照震源和檢波器在鉆孔中所處的位置，可分為①地表激發(fā)孔中接收法、②孔中激發(fā)地表接收法、③孔中激發(fā)孔中接收法、④孔底法等四種測試方法，常用地表激發(fā)孔中接收法。

工作原理

以巖體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過測定不同巖層的S波、P波的傳播速度，計算巖體的動彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

實測一般采用單孔檢層的地表激發(fā)孔中接收法，即地面激發(fā)以產(chǎn)生彈性波，孔內(nèi)由檢波器接收彈性波。當(dāng)?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生S波，利用剪切波震相差1800的特性來識別S波的初至?xí)r間。

測試方法

實測通常由震源和記錄儀器組成，叩板震源設(shè)置一般距孔口2～7m，平放一塊壓重物的木板，測試孔應(yīng)位于木板長軸的中垂線上，使木板與地面緊密接觸。木板長2.5～3.0m，寬0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上壓約500～1000kg的重物。當(dāng)分別水平敲擊木板兩端時，產(chǎn)生彈性波。記錄儀器由井中三分量檢波器和工程地震儀構(gòu)成，三分量檢波器放置井中某一深度，接收由震源產(chǎn)生的彈性波信號，并通過連接電纜輸送給地震儀，再由地震儀記錄并存儲以備后期數(shù)據(jù)處理之用，圖1為單孔檢層法測試示意圖。

單孔檢層法測試彈性波時，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計算測段內(nèi)地層波速時需將彈性波的非縱測線旅行時校正為縱測線旅行時，計算公式如下：

式中：

t’—縱測線旅行時;t—非縱測線旅行時;
h—測點孔深；x—震源板距孔口的距離。
由校正后的縱測線旅行時即可求得各測試地層的彈性波速度。
現(xiàn)場測試過程中應(yīng)注重以下特征：
P波傳播速度較S波速度快，P波為初至波；
震源板兩端分別作水平激發(fā)時，S波相位反向，而P波相位不變；

檢波器下孔一定深度后，P波波幅變小，頻率變高，而S波幅度相對較大，頻率相對較低。
最小測試深度應(yīng)大于震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速地層界面可能造成的折射波影響。
本次鉆孔剪切波測試采用單孔檢層地表激發(fā)孔中接收法，使用叩板震源，震源距孔口分別為2.8m、6.5m，孔內(nèi)測點間距為1.0m，自下而上逐點施測。各點采用正、反向兩次激發(fā)。由于第一海相層縮孔嚴(yán)重，僅在G03、G04兩孔實施了部分孔段的剪切波測試。

資料整理與解釋

面波法

R波在非均勻介質(zhì)中傳播具有頻散特性，所以不同頻率的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實測結(jié)果表明，當(dāng)探測的巖土層介質(zhì)較為均一時，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時，頻散曲線會出現(xiàn)一個所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉(zhuǎn)入下一層漏能型面波，且此轉(zhuǎn)折點與兩介質(zhì)間的界面埋深有密切的關(guān)系，由此可依據(jù)實測頻散曲線的“Z”字型變化點來劃分地下巖性變化的分界面。

由野外獲得的面波時程曲線原始記錄，使用SFKSWS軟件進行分析解釋，劃分地層層位求解厚度并計算各層R波速度，然后由求得R波速度后，按公式計算相應(yīng)地層的S波速度。具體流程為：輸入面波記錄文件→顯示和檢查實測曲線數(shù)據(jù)→圈定面波數(shù)據(jù)窗口→在F—K域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數(shù)據(jù)→按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍→生成面波頻散曲線→地質(zhì)分層→繪制反演擬合曲線→打印輸出面波解釋結(jié)果→利用式計算對應(yīng)地層S波速度→繪制S波測試成果圖。

單孔法

在野外實測單孔剪切波測試波形記錄上可直接讀取各測點正、反向激發(fā)所獲得的剪切波初至旅行時，由此取得非縱測線各測點的旅行時，按式校正后得到縱測線對應(yīng)深度旅行時，繪制時距曲線并求取各測試地層的彈性波速度，最后繪制彈性波測試成果圖。

兩種方法測試結(jié)果對比

分別在G03、G04鉆孔孔深0～12m、0～11m做了單孔剪切波與地面面波測試的對比試驗，測試結(jié)果表明：使用兩種不同方法所測剪切波速度值及其變化規(guī)律基本一致。在以下的計算、分析中，所使用的剪切波速度值均由瑞雷面波測試結(jié)果換算而得。

利用波速計算動力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實測獲得的彈性波速即可計算巖體的動彈性力學(xué)參數(shù)。計算公式如下：
式中：ρ—介質(zhì)密度；Vp—壓縮波速度；
Vs—剪切波速度；μ—泊松比
Ed—動彈性模量；Gd—動剪切模量；

成果分析

剪切波速度統(tǒng)計

統(tǒng)計內(nèi)容包括各測試斷面剪切波速度范圍值和等效剪切波速度，其中等效剪切波速度按式61～64.