面波法在公路工程地质勘察中的应用研究

王景山 王玲玲

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院,河南郑州 450000；2.河南省交通规划勘察设计院有限责任公司,河南郑州 450052)

近年来,全国高速公路发展迅速,各地不断有新的高速公路开工,勘察设计周期极短,尤其是勘察工作时间被大大压缩。传统方法对公路路基的勘察需耗费大量人力、时间,往往跟不上勘察设计的整体进度,导致项目延误。快速、全面、准确地获取沿线工程地质资料是当前形势所迫。

面波勘探技术是近年来新兴的一门技术,与传统勘探方法相结合,具有准确、快速、经济等特点,在高速公路路基勘察中取得了较好的应用效果。在河南省焦作至桐柏高速公路巩义至登封段(以下称巩登高速公路)路基勘察中,采用面波勘察技术,取得了较好的效果。

1 概况

巩登高速公路北起河南省巩义市,南至河南省登封市,路线全长约43 km。该路北段为黄河、伊洛河冲洪积平原,中段为黄土丘陵地貌,南段为嵩山山前丘陵及倾斜平原地貌,地质条件复杂,在河流冲洪积平原、黄土冲沟内发育第四系全新统(Q4al)及其新近沉积土层,土质以粉质黏土、粉土为主,土质软弱,厚度一般在10 m以内,大型勘探设备难以到位。为详细查明该路段软弱土层分布、地层结构及天然地基承载力情况,为路基设计、地基加固处理设计提供依据,勘察中采用了面波法。外业工作于2009年5月10日至2009年5月25日期间完成,2008年6月10日前完成了资料处理、解释和报告编写工作。

2 面波勘察原理

面波存在于地表面附近,沿地表面传播,其穿透深度约相当于它的波长。频率越高的波穿透深度越小,可以利用高频波探测浅部地层；用低频波探测深部地层。在震源激发的能量中,约有2/3的能量转换为面波,且衰减速度比纵波和横波慢。面波的振幅随着距离增大,因此在远离震源处,面波还有较大的振幅。瑞雷面波在分层介质中具有频散特性,利用这种性质,可以根据频散曲线划分层位,求出各层速度。另外,面波的波速与介质的密度紧密相关,波速随介质密度增大而增加,可以利用波速与密度的相关性计算密度。采用面波勘察,主要利用其以下三个基本特征：

图1 面波速度与深度关系曲线示意

①在分层介质中,面波具有频散特性。

波的传播速度与频率有关的现象称为“频散”。在半无限均匀弹性介质中,面波速度约为横波速度的0.9倍,无频散现象；而在分层的层状半空间中,当波长很短时,波速约为上层介质横波速度的0.9倍,当波长较长时,面波的速度约为最下层介质中横波速度的0.9倍,当面波的半波长接近介质的分界面距自由界面的深度时,频散曲线的变化较为显著,如图1所示。该特性是面波勘探的理论基础。

②面波的波长不同,穿透深度也不同。

面波是一种表面波,其振幅随离开自由表面的距离呈指数形式衰减,其能量一般都集中在介质表层约一个波长的深度范围内。所以,一般认为,面波的穿透深度约为一个波长的深度。该特性为利用面波进行浅层勘探提供了依据。在实际应用中,取面波的穿透深度约为0.55～0.875倍的波长深度,具体随地区和岩性的不同而变化。对一般岩石,可取0.65λR；对于土体,可取 (0.79 ～0.84)λR。由 λR=VR/f可知,面波不同的波长对应于介质在不同频率下的面波速度,通过探测不同频率下介质的面波速度,即可得到VR-λR关系曲线,也即频散曲线。再根据面波在不同岩性介质中穿透深度与波长的关系,就可获得VR-h关系曲线,也即速度—深度曲线,该曲线直接反映了地下某一深度范围内的地质构造情况或介质的“软”“硬”分布情况。

③面波传播速度与横波传播速度具有相关性。

实测的VR值直接反映了测试深度以上各层的加权平均波速。而面波速度VR与横波速度VS之间又具有以下确切的对应关系

其中 σ为岩土介质的泊松比,一般在0.25～0.50之间,介质越疏松,σ值越大。根据以上关系式可求得

利用该相关性即可得到地层的横波速度。而横波速度与介质的物理力学参数密切相关,横波速度的大小直接反映了地层介质的“软”、“硬”程度,如

其中E为介质的弹性模量,ρ为介质的密度。

所以,根据以上相关关系,采用经验公式,并以已知的钻孔和静力触探资料作为约束进行标定,即可直接由面波速度近似求取地层的容许承载力等参数。

在实际运用中,面波及横波速度随地下介质的不同而变化的幅度远大于二者之间换算系数引起的波动变化量,所以,一般直接取0.93倍左右的横波速度值作为面波速度值进行反推换算。

3 野外数据采集

通过试验,本次勘探采用24道直线排列,1 m道间距,8 m偏移距,沿排列线两端激发,2次叠加,连续探测观测系统(第一个排列与第二个排列重复1道)。观测排列布置如图2所示。接收采用每道单个速度检波器插置,激发采用63.5 kg标准惯入试验锤落锤激发,记录仪采用GEOPEN2404EP-48浅层地震仪,采样间隔0.2 ms,记录长度400 ms,全波接收(如图3所示)。

图2 野外观测排列布置示意

图3 实测记录

4 资料处理

面波资料处理采用由河南省路通物探科技开发有限公司与中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院联合研制开发的“瑞雷面波资料处理与解释软件”系统。该系统与传统的面波处理方法相比具有以下几个方面的优点：

①以人机交互方式,对面波在 τ-p域与时空域联合提取,使得波场分离效果更佳。

②采用相邻道法计算频散曲线,提取的信息量更大,横向分辨率得到明显提高。

③以取对数积分方式代替传统的富士变换方法,使得频率或深度间隔可任意给定,提高了对深层的纵向分辨率。

通过以上改进,该处理系统在去除干扰和提高纵、横向分辨率方面较传统的处理方法有了质的飞跃,将其用于天然地基勘察、高填路堤压实效果检测、复合地基处理效果评价等方面的资料处理,均取得了较好的效果(如图4所示)。

图4 频散曲线显示

根据实测频散曲线按以下计算公式进行地层划分

式中 ：VR为面波速度/(m/s)；VRN、VR(N-1)为面波平均速度/(m/s)；HRN、HR(N-1)为层底深度/m 。

由计算出的面波层速度数据,即可绘制沿线20 m深度范围内的面波速度剖面(如图5所示)。

图5 瑞雷波速度剖面(单位：m/s)

作为路基勘察的最终成果,往往直接用于描述地层岩土物理力学参数(如地层承载力等)。面波速度或横波速度的大小虽然也直接反映了地层的软硬程度,但为了便于工程运用,有必要将面波速度或横波速度转换为地层的承载力。从理论上讲,由于影响地层承载力的因素较多,这种转换关系是相当复杂的。经过多个勘察项目的实践,总结出了如下经验公式

式中：fk为天然地基容许承载力；VR为实测面波的速度；h为地层的埋藏深度；a为常系数；b和c为指数参数。

根据沿线钻孔资料和静力触探资料,按以上关系式进行标定,也即解多元联立方程,可求得适用于该工区的关系参数 a、b和c。

根据式(6),即可由面波速度直接近似求取沿线20 m深度范围内的各地层容许承载力,并绘制出承载力分布剖面图(如图6所示),供设计人员参考。

图6 地层承载力剖面(单位：k Pa)

5 资料对比解释

将通过瞬态面波法勘探获得的地层承载力剖面与通过钻孔取芯试验或静力触探试验提取的地层承载力资料进行对比(如图7),二者基本吻合,地层的“软”、“硬”趋势符合得较好。

图7 面波资料与静力触探资料对比

从图7可以看出,由面波速度根据近似经验公式求取的地层承载力剖面,能较好地反映地层承载力在横向上的变化趋势,但因其加权平均效应使得在纵向上的分辨率较传统方法低,这是该方法本身所固有的缺陷,从理论上很难完全克服。所以,就目前对面波法研究的现状来看,纵向分层精度的提高是亟待解决的技术难题。根据面波法求取的地层承载力剖面,全面反映了该路段地基承载力的横向分布情况,发现了不少低承载力异常段,如图6的桩号K22+030～K22+090段,现场地表略微洼陷,而面波法勘探结果显示地下1～5 m有明显的低承载力异常。有关资料表明该处在20世纪70年代为一条灌溉沟,沟宽约15 m,深约5 m,后填平。测线与该沟呈约20°夹角斜交穿过,低承载力异常得到证实。这些低承载力异常段有时范围很小,仅采用传统的钻井取芯或静力触探等方法进行勘察很容易被漏掉。如果这些低值异常恰好位于高填土路段或桥涵等构筑物部位,而在勘察和设计阶段又被遗漏掉,就很容易造成日后的工程隐患。

6 结束语

本次面波法勘探在资料处理时采用 τ-p域与时空域联合提取面波的方法,使波场分离效果相对于传统的f-k域滤波有了明显改善,提高了勘探成果的可靠性；采用相邻道法计算频散曲线提高了横向分辨率。勘探成果经与钻孔资料及静力触探资料对比基本吻合,能够较真实地反映沿线地基承载力的连续变化情况,对局部的地质异常体也做出了明确的判断,使工程设计和施工技术人员对沿线地基承载力的分布情况有了一个完整的把握,对高速公路的设计与施工具有很好的指导作用。

面波法用于路基勘察具有高效、低耗、全面、完整等优点,是传统的工程勘察方法所无法具备的。在路基初勘阶段,可考虑先进行面波勘查,在此基础上再有针对性地布置部分钻井取芯孔或静力触探试验点,以完成验证性勘查,这样可大大缩短勘察周期,降低勘察成本。

面波法目前仍存在一些难以解决的技术问题,如层速度的计算问题、纵向加权平均效应问题等。为使该方法更加完善,更好地用于工程地质勘察,进一步的深入研究工作是必不可少的。但就目前已获得的较高横向分辨率来讲,将该方法用于高速公路路基勘察,并结合少量的钻孔或静力触探试验工作来划分软基路段已基本成熟。相信该方法在高速公路路基勘察领域必将取得较好的经济效益。

[1]Yamamoto H,Haldorsen J,Mikada H,et al.Fracture imaging from sonic reflections and mode conversion,69th Ann.Internat.Mtg：Soc.of Expl.Geophys.,1999：148-151.

[2]Yi W,Nakagawa S,Nihei K T,et al.Numerical investigation of fracture channel waves,68th Ann.Internat.Mtg：Soc.of Expl.Geophys.,1998：1628-1631.

[3]Wu Y,Mc Mechan G A.Estimation of fracture height using microseismicity associated with hydraulic fracturing：Geophysics,Soc.of Expl.Geophys.,1998,63：908-917.