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(jì)提供所需的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)、劃分建筑物場地類別、評(píng)價(jià)地震效應(yīng)、進(jìn)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(shí)例說明了波速測試技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)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(píng)價(jià)巖體質(zhì)量等；并可計(jì)算工程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)剪切模量、動(dòng)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(shí)例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，敬請(qǐng)批評(píng)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(yùn)河、子牙河水系，獨(dú)流減河下游右岸。水庫自1954年開始建設(shè)，1974年對(duì)圍堤進(jìn)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(jì)堤頂高程9.5m，設(shè)計(jì)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(jí)為Ⅱ類，圍堤及主要穿堤建筑物級(jí)別為2級(jí)，其余次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

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(jì)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(tái)，其邊坡1：8，林臺(tái)臺(tái)頂寬度28～35m不等，臺(tái)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(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306—2001，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，按照地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對(duì)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(jì)研究有限責(zé)任公司勘察院承擔(dān)了該工程除險(xiǎn)加固地質(zhì)勘察工作，物探總隊(duì)進(jìn)行了現(xiàn)場波速測試，其主要目的是對(duì)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(jì)量認(rèn)證有效期內(nèi)，現(xiàn)場實(shí)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(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，輕易識(shí)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(jìn)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(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller計(jì)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(huì)大大提高。

綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：

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(qiáng)；
⑵在不均勻介質(zhì)中R波相速度具有頻散特性，此點(diǎn)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(duì)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；
⑹R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)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(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。

測試方法

應(yīng)用瞬態(tài)面波法進(jìn)行現(xiàn)場測試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)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(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。

當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠的相位差，其間距△x應(yīng)滿足～λR，即在一個(gè)波長內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對(duì)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(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shí)，易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，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(shí)，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(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。
震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對(duì)稱激發(fā)，有利于R波的對(duì)比、分辨和識(shí)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(yàn)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(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)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(shí)，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(shí)際。
本次工作共布置5條測試斷面，分別位于水庫圍堤樁號(hào)2+500、14+000、21+250、28+200及45+970處，同時(shí)在相應(yīng)部位布置了單孔剪切波測試。因進(jìn)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(duì)比觀測系統(tǒng)，12道接收、道間距2m，經(jīng)展開排列試驗(yàn)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(gè)垂直鉆孔中進(jìn)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(jì)算巖體的動(dòng)彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

實(shí)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(shí)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(shí)別S波的初至?xí)r間。

測試方法

實(shí)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(shí)，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(hào)，并通過連接電纜輸送給地震儀，再由地震儀記錄并存儲(chǔ)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(shí)，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計(jì)算測段內(nèi)地層波速時(shí)需將彈性波的非縱測線旅行時(shí)校正為縱測線旅行時(shí)，計(jì)算公式如下：

式中：

t’—縱測線旅行時(shí);t—非縱測線旅行時(shí);
h—測點(diǎn)孔深；x—震源板距孔口的距離。
由校正后的縱測線旅行時(shí)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(shí)，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(duì)較大，頻率相對(duì)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(diǎn)間距為1.0m，自下而上逐點(diǎn)施測。各點(diǎn)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(shí)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(yàn)和實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)探測的巖土層介質(zhì)較為均一時(shí)，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(shí)，頻散曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(diǎn)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(shí)測頻散曲線的“Z”字型變化點(diǎn)來劃分地下巖性變化的分界面。

由野外獲得的面波時(shí)程曲線原始記錄，使用SFKSWS軟件進(jìn)行分析解釋，劃分地層層位求解厚度并計(jì)算各層R波速度，然后由求得R波速度后，按公式計(jì)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(shí)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(jì)算對(duì)應(yīng)地層S波速度→繪制S波測試成果圖。

單孔法

在野外實(shí)測單孔剪切波測試波形記錄上可直接讀取各測點(diǎn)正、反向激發(fā)所獲得的剪切波初至旅行時(shí)，由此取得非縱測線各測點(diǎn)的旅行時(shí)，按式校正后得到縱測線對(duì)應(yīng)深度旅行時(shí)，繪制時(shí)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(duì)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(duì)比試驗(yàn)，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(jì)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(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實(shí)測獲得的彈性波速即可計(jì)算巖體的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)。計(jì)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
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成果分析

剪切波速度統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)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.