基于Rayleigh Wave現(xiàn)場試驗評價場地地基土研究

畢丹BI Dan

（中油遼河工程有限公司，盤錦124010）

0 引言

最近幾年，我國在城市建設(shè)、交通、資源等方面投入了大量的物力與財力，為工程項目的地質(zhì)勘測及項目質(zhì)量檢驗創(chuàng)造了機遇，并且，也向項目地質(zhì)勘測領(lǐng)域發(fā)起了挑戰(zhàn)。對于面波探測技術(shù)來講，其是項目工程地質(zhì)勘測的一項間接方法，不但具備經(jīng)濟性好、操作簡單、效率較高等優(yōu)點，同時還能夠把鉆探中的點勘測拓展成線或面的勘測，能夠更加精準(zhǔn)、客觀的對地下信息進行了解。所以，其被廣泛應(yīng)用到各項工程領(lǐng)域中，發(fā)揮重要的價值。[1-5]。本文結(jié)合遼河油田礦區(qū)4個場地的瑞雷波實測數(shù)據(jù)，建立瑞雷波波速值與相關(guān)土體標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系模型，反演測試場地剪切波速，探索利用瑞雷波評價場地的方法。利用瑞雷波波速的空間分布規(guī)律，對測試場地進行初步分層，并編制了相應(yīng)的分析程序。

1 瑞雷波檢測原理

在不均勻介質(zhì)中傳播的瑞雷波具有一個非常明顯的特性，即頻散，也就是說，在不同頻率介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度也是不同的，此時，我們就可以利用這項特性對介質(zhì)內(nèi)部情況進行相應(yīng)的探測。利用瑞雷波檢測地質(zhì)情況的時候，可以采取以下幾項手段：其一，直接利用瑞雷波頻散曲線的特點對地質(zhì)展開分層處理，之后初步評價地層波速；其二，在同一直線基礎(chǔ)上分析多個測時間，通過追蹤、連接等方法將頻散曲線（vR-H）上的相同特性點描繪到物探剖面上。

1.1 瑞雷波工程勘測原理 在自由界面例如地面上開展縱向激振操作時，都可以在表面形成瑞雷波，同時，瑞雷波存在三個同項目工程質(zhì)檢相關(guān)的重要特性：其一，在分層介質(zhì)內(nèi)，瑞雷波具備頻散的特點；其二，瑞雷波波長不相同，地質(zhì)的穿越深度也不一致；其三，瑞雷波的傳遞速率同介質(zhì)的物理特性質(zhì)檢存在密切關(guān)聯(lián)。通過研究顯示，瑞雷波的能量大約為整體地震波總能量的65%，并且通常聚集在地表下的波長范圍內(nèi)，其傳播速度就是波長的一半。因此，一般而言均是將瑞雷波檢測深度定義成半個波長。除此之外，波長和頻率、速率間的關(guān)系如下，假設(shè)瑞雷波的傳遞速率為 Vr，頻率為 fK，則波長為：λr=Vr/fK（1）

如果傳遞速率不改變，則頻率同測試深度成反比例關(guān)系。瑞雷波測試方法可以劃分成兩種：其一，瞬時法；其二，穩(wěn)態(tài)法。此二者的分別就在于震源。瞬時法就是指在激振階段產(chǎn)生的一定頻率瑞雷波，通過復(fù)波的形式進行傳遞；穩(wěn)態(tài)法就是指在激振階段產(chǎn)生的單一頻率瑞雷波同時持續(xù)以單一的頻率進行傳遞。數(shù)據(jù)的現(xiàn)場收集應(yīng)用豎向排列的形式，先進行現(xiàn)場實驗，依據(jù)現(xiàn)場的實際情況，選取相應(yīng)的工作參數(shù)，例如：長度、間隔、偏移距離等。

圖1 瑞雷波測試原理

室內(nèi)資料處理主要是對道間波形進行互相關(guān)，

由 R21(f)得 Δφ(f)，用 Vr=2πfΔX/Δφ，對不同頻率瑞雷波進行計算，繪制相應(yīng)的頻散曲線，結(jié)合頻散曲線，對分層深度以及速度展開計算。

1.2 通過頻散曲線進行直接分層 在以瑞雷波速度-頻率為坐標(biāo)系的瑞雷波頻散曲線上，每一點都表示一個頻率瑞雷波的傳播速度。一般而言，瑞雷波曲線均是一vR為橫坐標(biāo)，深度為縱坐標(biāo)，如圖2所示，在曲線中某一點瑞雷波的速度均表示在此點以上地層速度的平均值，所以，曲線隨著深度變化的情況，在某種程度上體現(xiàn)了地層波速變化的情況。進而利用此項特點勘探地層。如圖2所示，將地質(zhì)鉆探結(jié)果和工程實測頻散曲線進行比較，可以了解到圖中左側(cè)是實際測量結(jié)果，根據(jù)拐點進行分層，右側(cè)是鉆孔描述的分層情況，這兩種情況非常接近。鉆探的結(jié)果超過2.0m的為粉質(zhì)粘土層。2.0m至7.0m為細砂，松散。7.0m以下為細砂，中密。圖2為工程某一個測點的頻散曲線圖。如果在勘探現(xiàn)場沿著某一個測試剖面進行滾動，按照一定的距離展開多點測試，就可以得到相應(yīng)的頻散曲線，其中在水平方向之上的一些有規(guī)律的特征點，就可以充分體現(xiàn)測試場區(qū)地層的實際情況，將這些特征點進行一定的連接，就可以形成相應(yīng)的地層分界面。

圖2 利用頻散曲線的明顯拐點進行分層

1.3 反演分析及繪制地層波速vs曲線圖 在地質(zhì)較為均勻的基礎(chǔ)上，例如：平原沖擊形成的厚層粘土等，通過瑞雷波的相關(guān)公式以及半波長原理，可以對vs值展開一定的估算，進而取得相應(yīng)的測定結(jié)果。但是在進行檢測的時候，一般都會遇到一些層狀的地質(zhì)。一定要通過反演分析軟件展開模擬，對各個土層的剪切波速vs進行計算。

圖3為縱波、剪切波和瑞利波速度與波松比關(guān)系，從圖中可以看出，剪切波速與瑞雷波速基本上呈線性關(guān)系，所以通過瑞雷波速評價場地土類型也是可行的。

2 瑞雷波速與標(biāo)貫擊數(shù)之間關(guān)系模型研究

近些年來，瑞雷波地基承載力的測試方法在我國得到了廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)成為一種全新的測試方法。現(xiàn)階段，通過相關(guān)實踐測試說明，瑞雷波的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和剪切波速度之間呈現(xiàn)服從指數(shù)關(guān)系，即：VS=ANB（5）

式中，N-標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；VS-剪切波速度；A、B-待定系數(shù)，針對不同的區(qū)域或者同一區(qū)域的不同土層而言，A、B系數(shù)的取值均是不相同的，因此，根據(jù)實踐結(jié)論規(guī)定了一些經(jīng)驗公式。通過瑞雷波速度與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的相關(guān)關(guān)系。通過對遼河油田礦區(qū)4個典型場地進行測試，回歸分析，獲得了場地粉質(zhì)粘土、砂土的標(biāo)貫擊數(shù)與瑞雷波速之間的回歸方程。

其相關(guān)系數(shù)為：R=0.82

其相關(guān)系數(shù)為：R=0.89

圖5 砂土標(biāo)貫擊數(shù)與VR的擬合曲線

3 結(jié)論

對于瑞雷波勘探技術(shù)而言，特別是多道瞬態(tài)形式的技術(shù)，其已經(jīng)成為了最近幾年比較新型的一種工程物探技術(shù)，主要就是因為其各方面的優(yōu)點深受相關(guān)工作人員的喜愛與關(guān)注。①瑞雷波的傳播速率和傳播介質(zhì)動泊松比有著一定的關(guān)系，并且和介質(zhì)剪切波速度也有著一定的關(guān)系，能夠良好的將傳播介質(zhì)的物理學(xué)性質(zhì)反應(yīng)出來。②通過對遼河油田礦區(qū)4個典型場地的瑞雷波測試，獲得了粉質(zhì)粘土和砂土的標(biāo)貫擊數(shù)與瑞雷波速之間的關(guān)系方程，標(biāo)貫擊數(shù)與瑞雷波速之間表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。③基于測試結(jié)果利用VC++語言編制了遼河油田礦區(qū)共層場地特性瑞雷波評價應(yīng)用程序。

[1]劉云楨,王振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用實例[J].物探與化探,1996,20(1).

[2]黃嘉正,周鴻秋,關(guān)小平.工程地質(zhì)中瑞利波勘探的理論初探[J].物探與化探,1991,15(4).

[3]建設(shè)部.多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 143-2004)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

[4]關(guān)小平,黃嘉正,周鴻秋.工程勘探中穩(wěn)態(tài)瑞利波法解釋理論的探討[J].地球物理學(xué)報,1993,36(1).

[5]楊成林.瑞利波勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.