天津华北地质勘查局核工业二四七大队 天津市 301800
摘要：多道瞬态面波技术是近年新兴的技术，在岩土工程勘察中的应用，能有效解决地质问题。本文首先分析了面波的特性和应用原理，然后分析了仪器、资料整理和解释方法，最后总结了多道瞬态面波技术方法在岩土工程勘察中的应用，以供参考。
关键词：多道瞬态面波技术；岩土勘察；特性；应用
在自然地震中，面波是一种严重危害建筑物的地震波，而在早期的人工地震勘探中，面波是以扫帚状的形态呈现的，干扰性强，主张结合面波特征选用各种方法减少危害。近年来，随着先进技术的问世和发展，多道瞬态面波技术得以应用，在改变野外收集方法，拓展应用范围上具有重要作用。
1、面波的特性和应用原理
1.1面波的特性
面波是在弹性分界面受于波干扰后产生的，经由分界面传播，波动现象多集中在界面附近的弹性波，其特性主要包括这样几点：①面波在自由的表面周围传播时，质点多在面波传播方向的垂直面振动，而且振动幅度随着深度变化持续衰减，质点的振动轨迹、面波的传播方向为椭圆形运动；②面波垂直、水平振幅从介质表面向内部减小，多数能量损失一半左右的波长，该现象说明深度在二分之一内的波长和某波长波速的地层物性相关；③在多层的介质中，面波具备频散性。面波沿着地层表面传播，对表层的影响为一个波长，因为波长相同的面波传播特性从某种程度上反映着地质条件在水平方向的变化情况[1]。
1.2多道瞬态面波技术的应用原理
所谓的多道瞬态面波技术，多指借助激振的方式获得面波，不同频率的面波叠加后，用脉冲的形式传播，经由相位谱、频谱分析后，对不同频率下的面波进行分离，绘制合适的频散曲线。该技术的使用期间，在对野外数据进行采集时多为点测，通过对多个点的测量和分析，获得解剖面的速度分布图。如下图，M为测点，△x为两检波器间距，为保证面波信号有着足够的相位差△α，△x必须满足λR/3<△x<λR，而两信号之间的相位差△α则要满足2π/3<△α<2π，由此可见，随着勘探深度的增大，△x距离随之增加。
图1 多道瞬态面波技术原理
2、仪器、资料整理和解释方法
多波列数字图像工程勘探和检测仪的技术参数为24道、2048、512、4096、1024、8192样点选择，采样频率为30μs-8ms，信号增强32bit，宽度处于0.5-4000Hz之间，硬盘容量为HD2.1Gb，使用环境处于零下5度到45度之间。面波勘探所采集的资料是面波沿着地表传播波形，通过对波形进行整理、计算、解释，对其特点进行归纳：①传播速度低，只能在表层某一深度传播；②在均匀的介质中，面波的频率和波速是无关的，也就是不具备频散性；③只要波速差异在10%以内，就能进行精确的分辨；④面波波长不同，所穿透的深度也不同。
考虑到影响面波勘探纵横向的因素比较多，为减少斜坡干扰，保证面波材料的真实性、准确性，野外采集期间必须合理使用已知材料，优选测试参数，直到和已知材料吻合。由于面波每个测点的勘探需要4道左右的记录，原始资料的解释、整理是相对繁琐的工作，主要内容为：整理、核对和编录原始资料；对各频率下的面波传播速度进行计算；明确面波时间；在波数、频率内提取面波；对频散进行分析，并绘制曲线图；根据曲线图的变化情况，定性解释各层的速度变化；明确各层厚度，计算横波的传播速度，拟合解释获得结果，直到得到满意系数；绘制图盘，录入CAD软件中。同时绘制成果表，对相关资料进行解释，评估各层的岩土性质，最后绘制地质剖面图。
3、多道瞬态面波技术方法在岩土工程勘察中的应用
3.1工程概况
某工程是发电清洁型工程，对提高生活质量、促进经济发展具有重要作用。为查明该工程的地址情况和潜在隐患，保证工程质量，于2003年对其进行面波勘探，旨在查明拟建厂区的地层分布和基岩深度，提供场地地脉动周期和波速，根据波速对拟建场地的类别进行划分[2]。根据本次的勘探任务和技术妖气，在拟建厂区布置了两条勘探剖面，长度均为320m，点距为20m，面波物理点34个。
3.2场地地质分析
拟建厂区地形起伏大，最高差13.4m，地貌单位为河漫滩、I级阶地，土层属于坡积成因、洪冲积，地层由上到下分为耕地、粉质粘土、卵石、砂岩。
3.3地球物理特征
该厂区主要分布卵石、黄土、而叠系砂岩，其中，黄土的剪切波速为每秒150-220m，坡积物的剪切波速为每秒290-320m。不均匀的卵石层波速为每秒290-340m，砂岩的剪切波速为每秒760-810m，卵石层的剪切波速为每秒430-465m。由此可见，不同的岩性在剪切波速上有着显著差异，在对该厂区进行面波勘探时最好具备良好的物理特性。
3.4成果解释
通过对面波勘探结果进行分析得知，I号、II号解剖面的勘探结果基本相同，现从以下几点对解剖面的成果进行解释。
第一点，已知钻孔旁面波的成果解释。通过在通风冷却塔已知的钻孔旁设置测量点，进行了不同的偏移距、道距试验，确定道间距为2.0m，偏移距为10-20m，由此推断出该解释结果：深度0-1.41m时，厚度为1.41m，波速为126m/s，推断地层为黄土、卵石；深度1.41-2.27m时，厚度为0.86m，波速为212.5m/s，推断地层为卵石，但是内有土夹层；深度2.27-3.83m时，厚度为1.56m，波速为222.6m/s，推断地层为卵石，但是内有土夹层；深度3.83-4.58m时，厚度为0.75m，波速为204.6m/s，推断地层为卵石，但是内有土夹层；深度4.58-9.49m时，厚度为4.91m，波速为408.5m/s，推断地层为卵石、砂岩；深度9.49-12.81m时，厚度为3.32m，波速为532.8m/s，推断地层为中风化砂岩；深度12.81-19.70m时，厚度为6.89m，波速为781.6m/s，推断地层为完整砂岩。
通过对钻孔披露的地层岩性结果进行分析发现，深度处于0-0.5m时，地层为黄土，但厚度不大；深度处于0.8-8.0m时，地层为卵石，内部夹有薄土层，通常处于0.1-0.2m之间；深度在8.0m以下时，地层为砂岩，也就是中等风化的二叠系砂岩。
第二点，I号解剖面的成果解释。由I号解剖面的勘探结果得知，黄土厚度为2.0m，西部坡有粘土互层、残破积物。中深部为卵石，厚度为5-9m，和水平分布相似。下部为中风化砂岩，岩石基本完整[3]。
总体而言，该厂区剪切波速大，层位稳定，风化程度中等。20m以上的场地剪切波速为每秒424m，属于中硬场地，地脉动周期为0.323s。而且，拟建厂区也未发现塌陷、空洞等现象。
4、结语
岩土工程勘察中使用多道瞬态瑞雷面波技术，不但能准确区分不同岩层的界面，指出各层厚度和波速，还能清晰、直观的反映岩土的物理特征，满足市政工程、工民建工程的需求。因此，该技术能节约投资，简化工作流程，缩短勘察时间，提高工作效率，相信日后能在勘察领域取得更好成果。
参考文献
[1]陈进华.对岩土工程勘察要点的分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2016, 6(8):1429-1429.
[2]谢进通.公路工程勘察中对多道瞬态面波技术的应用[J].交通世界（建养机械）,2013,15(8):143-143,144.
论文作者:李朋飞,李权达
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/12
标签：波速论文; 地层论文; 卵石论文; 深度论文; 砂岩论文; 厚度论文; 岩土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;