中国化学工程第一岩土工程有限公司 河北省沧州市 061001
摘要：面波勘探是近几年发展起来的一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点。文章介绍了面波勘探技术的探测原理、主要特点以及野外测试方法，并通过在强夯地基检测中的应用实例说明其在工程中的应用效果。
关键词：瑞利面波；瞬态法；强夯地基检测；对比试验
一、面波勘探技术概述
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。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。
二、勘探原理
面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（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波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV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。
三、野外工作方法
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。
四、工程应用
中国海洋石油总公司惠州炼油项目地处广东省惠州市大亚湾经济技术开发区中北部，占地面积约2500亩。受中国海洋石油总公司惠州炼油项目组委托，我检测公司承担了厂外工程20002单元至码头线路地基强夯处理后的效果检测。本工程采用10000kN•m能级强夯法进行地基处理，设计要求有效加固深度≥11m。
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本次面波法采用瞬态瑞利波探测技术，采用北京市水电物探研究所生产的SWS型面波仪，该型仪器具有瞬时浮点放大，Ａ／D转换为20bit，信号迭加增强为32bit、具有全通、高通、低通模拟滤波功能、仪器通频带为0.5HZ～4000HZ，24道接收、道间距为1m，经展开排列试验选择偏移距8～12m，锤击震源。
数据信号处理采用频率波数谱分析法，输入地震记录后，确定瑞雷波时域窗口，经过二维傅立叶变换，把记录数据由时间—空间域转换到频率—波数域，得到二维振幅谱图象，在振幅谱图中拾取面波振幅等值线图的极大值，根据拾取的极大值求得面波频散曲线。
面波频散曲线是对地层速度结构分层的基础。在层状介质中，面波能量的传播深度和它的波长有关，波长越长的面波，它的能量传至地表以下的深度也越大。面波沿地表传播的速度与面波传播深度内介质的弹性参数有关，包括介质的密度、压缩波和剪切波速度，而主要的影响参数是介质的剪切波速度。研究水平地层面波的频散特征，可以求得地层内部不同深度的弹性参数，通过反演分析即可对岩土层的速度和厚度进行划分。面波频散曲线是对地层速度结构分层的基础。若对每个面波测试点的频散曲线以一定的数学模型进行分层速度计算，确定不同深度的面波层视速度，即可达到定量解释的效果。
总之，在测区中，无论垂直向还是水平向都存在局部的不均匀性，这主要是由于填料性质、颗粒大小、级配、含水量、填土厚度、夯点与夯间以及天然地基土性质影响，故存在场地不均匀沉降问题，因此建议根据建筑物重要性以及建筑物对沉降敏感性进行局部加固处理，并加强沉降观测。
五、试验的对比
为了进一步了解中海油惠州炼油项目厂外工程20002单元至码头线路工程场地的均匀性，强夯地基处理前后，根据要求，我公司对其分别进行了面波测试。
在面波勘探中，通过对夯前夯后所测试的频散曲线对比分析可知，场地整体的视速度在强夯后均有不同程度的提高。在对比曲线中，由于强夯效应，0-2米范围内的土体受到冲击，土体含水量低，夯后恢复时间短，夯后的视速度比夯前偏低，随着时间的推移，土体的强度会逐步增强；2-5米的范围内，强夯对其加固效果最为明显，强夯过程中的填料等的充填，使得该范围的土体非常密实，视速度比夯前提高了很多；5-11米范围内，强夯地基处理也对其加固有一定的处理效果，土体的密实度得到了提高，视速度比强夯前有所提高；9-12米范围内，夯前及夯后的频散曲线基本重合，视速度基本相同，反映出本次强夯的加固深度基本在此深度范围内。
本次强夯地基处理后，强夯的加固深度通过面波勘探可知，基本达到11米，满足设计要求。
六、结论与建议
（1）通过对本场地的夯前、夯后的频散曲线的对比分析可知，强夯后的频散曲线中剪切波波速比强夯前的频散曲线中剪切波波速均有明显的提高。并以此判定，地基土强夯加固9米深度范围加固效果很明显，剪切波速提高较大，9-12米深度范围地基土的性状也有一定的改善，剪切波速提高较小，故加固深度达到设计要求的11米。
（2）因土质、夯点、夯间的差异性，强夯后地基土强度在水平、垂直方向上存在局部差异。
（3）建议施工开槽后加强验槽工作，查明建筑物范围内地基土的均匀程度，消除地基土不均匀性对建构筑物产生的影响。
七、发展方向
面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点，但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断总结、完善和提高。
参考文献：
[1]刘康和 《瞬态面波勘探及应用》2006年
[2]胡钧等 《岩土工程瑞利波勘探新进展》《上海地质》1996年
[3]王向军 《中海油惠州炼油项目厂外工程20002单元至码头管廊线路强夯地基检测报告》 2008年
论文作者:王向军
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/11
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