瑞雷波法在路基岩溶注浆质量检测中的应用

孙家俊，卢 松，苏有财

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司，四川成都 610000;2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731)

早在1887年，Rayleigh发现了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在弹性半空间介质中的传播特性。20世纪50年代初人们又发现了瑞雷波的频散特性，随之开始了利用天然地震记录中的瑞雷波探测地球内部结构的研究，但受当时计算机技术的限制，研究所得的结果精度极低。直到70年代初，美国F.K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬态面波来研究浅部地质问题，并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表相关研究成果，堪称开创面波在工程地质方面应用之先河［1］。其后日本VIC株式会社利用稳态面波法于80年代初推出了GR-810全自动地下勘测机，并开始在工程地质领域应用，这种设备虽说设计原理比较先进可靠但却由于笨重并且价格昂贵未能得到进一步推广。

在国内，对瑞雷波在各种不同介质情况下的特性研究相对较晚。1994年，浙江大学夏唐代、吴世明［2］利用解析法和有限单元法研究了流体—固体介质中瑞雷波频散特性及位移分布规律，得到了流体—固体介质中瑞雷波频散特征方程和位移计算公式。1996年夏唐代、蔡袁强等［3］对各向异性成层地基中瑞雷波的频散特性进行了研究;1998年陈龙珠、黄秋菊等［4］推导出了饱和地基中波的频率特征方程，并由此分析了瑞雷波传播速度和衰减系数随振动频率、土渗透系数等的变化规律;2001年凡友华、肖柏勋等［5］在柱坐标下，得出了层状介质中轴对称柱面瑞雷面波的频散函数。由于瑞雷波法具有更多的优点，因此很快成为研究和应用的主要方法。

1 瑞雷波探测原理

面波探测方法一般分为瞬态法和稳态法两种，这两种方法的区别在于振源不同。瞬态法是在激振时产生一定频率范围的面波，并以复频波的形式传播;而稳态法是在激振时产生相对单一频率的面波，并以单一频率波的形式传播，本次检测采用瞬态面波法，亦即落重法，用56磅大锤击振。为了保证激发的质量，采取的措施有:一是激发振源时落锤确保短促有力，避免有回振，而且尽量减小周围环境中的振动影响;二是通过多次信号迭加功能，剔除干扰杂波。瞬态面波法的工作原理如图1所示。

图1 瞬态面波法工作原理

对于瞬态面波勘探法，关键是激发所需范围内的瞬时激励，采用相适应的检波器，利用地震仪将这些信号记录下来。令波形时域函数为d(x，t)，以f-k法提取频散曲线，即利用二维傅里叶变换(公式(1))波形时域函数将信号从时空域转换到频率波数域，计算出信号的频谱，根据面波特性提取f-k函数，再根据公式(2)，(3)，将f-k转换到VR-f空间，即把所有的峰值频率及其对应的相速度值连成线，获取VR-f函数，得出地层层位深度与相速度值。

根据面波的相关特性，研究证明面波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长范围内介质震动的平均传播速度。因此，一般认为面波法的测试深度为半个波长。波长与速度及频率的关系详见公式(2)，(3)，(4)。

式中:D(ω，k)为频率波数域函数;k为波数;VR为面波速度;ω为角速度;f为频率;H为地层深度;λR为波长。

当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。面波法是利用面波的上述运动学特征和动力学特征来进行工程地质勘察的物探方法。面波有3个与被测地层有关的主要特征:

1)在分层介质中，面波具有频散特性;

2)面波的波长不同，穿透深度也不同;

3)面波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。

瞬态面波法检测判定合格标准采用《铁路特殊路基设计规范》(TB 10035—2002)中的路基岩土体注浆质量检测标准(见表1)。

表1 岩溶注浆质量定量评价标准［6］

2 工程概况

新建沪昆铁路贵州段，地处云贵高原低山区地貌，路基主要以填方通过，路基中心填高＜7 m。覆盖层为坡残积红黏土，具有弱膨胀性。下伏基岩为奥陶系下统桐梓组白云岩，浅灰色，隐晶质结构，薄～中厚层状构造，节理裂隙很发育。地下水埋深较大，地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水，地表水入渗是本段岩溶地面塌陷的主要诱因。地表调查确认溶蚀破碎带、溶洞等岩溶现象发育。依据综合分析评价，设计单位对易塌陷区进行岩溶地面塌陷注浆加固，以“边探边灌，探灌结合”的原则，对路基岩溶整治效果进行检测。

3 注浆效果探测

3.1 设备参数及测点布置

本次瞬态瑞雷波法采用中铁西南科学研究院研制的SF12型多通道瞬态面波仪，配备专用4 Hz面波检波器。该仪器采用最新的高速度、高精度24位A/D转换器，动态范围为120 dB，采样间隔为0.018～600.00 ms分挡可选，采样点数1 024～16 384样点分挡可调，通频带宽0.1～4 000 Hz，信号通道为24道接收。采用人工锤击方式激振、外触发、全通道接收方式。具体测试施工参数如表2。

测点分别沿各注浆整治段的左中线及右中线进行布设，测点间距为10 m;检波器以测点为中心，向测点的两端展布，展布方向则根据测区的地形、地质及场地条件作适当调整，具体测线测点布设如图2所示。

3.2 数据处理及解释

本文针对路基DK604+370—DK604+512段的检测中，瞬态瑞雷波法测点共18个，获取18条频散曲线(典型代表性原始记录曲线见图3)，由于所测瞬态面波VR反演地层结构图较多，现仅选取1个具有代表性的点作详细解释(见图4)。

表2 瞬态瑞雷波法测试施工参数

图2 瞬态瑞雷波法测线布置

图3 瞬态面波检测典型原始记录

图4 检测点DK604+390(左中线)频散曲线反演图

根据设计相关勘察资料以及现场注浆孔、探灌结合孔等成孔资料综合分析，该检测点位于DK604+390(左中线)里程处，结合电阻率测深剖面图，上覆土层主要为杂填土，深度分布在0～－1.7 m;下伏主要为白云岩。由图4分析:该检测部位经注浆加固后频散曲线反演拟合度达0.94，反演效果较佳。浅层深度0～－1.7 m范围内，反演地层速度平均为486 m/s，基本反映了上覆压实杂填土的波速值，与该深度范围内判别标准综合所反映的波速值相比较，波速反映正常;－1.7～－4.2 m范围内，反演地层速度平均值为421 m/s，基本反映了杂填土与下伏基岩的过渡带，波速反映正常;－4.2～－13.3 m范围内，反演地层速度平均值为559 m/s;－13.3 m以下深度范围内，反演地层速度平均值为831 m/s，明显高于该深度范围内判别标准综合所反映的波速值，表明该检测点位注浆效果较理想，达到质量合格要求。

图5为DK640+370—DK640+500里程段路基基底相速度剖面图。

图5 DK640+370—DK640+500左中线反演相速度剖面

从图5可以看出，该段路基分层较明显，且由上至下，相速度值也由小变大，结合岩溶注浆质量定量评价标准，均满足各深度段所对应相速度标准，表明该段路基注浆效果较好。

4 结语

瑞雷面波勘探方法作为一种勘探路基注浆质量效果的手段具有操作方便、快速等特点，同时对测试场地及使用仪器比较宽松，目前已广泛应用于工程勘探及地基评估等领域。本文应用瑞雷面波勘探对DK640+370—DK640+500里程段的注浆质量效果检测表明:①该里程段路基分层较明显，随深度的增加，相速度增大，由400 m/s增至860 m/s;②从单个频散曲线反演图来看，地层杂填土、风化基岩、基岩三个区域的分界面较明显，相速度差别较大;③采用瑞雷面波法检测注浆质量是一种较方便、效果较好的方法之一。

［1］CHANG F K，BALLARD R F.Rayleigh wave dispersion technique for rapid subsurface exploration［C］//第42 届国际地球物理年会论文集.US Vicksburg，1973.

［2］夏唐代，吴世明.流体—固体介质中瑞利波特性［J］.水利学报，1994，1(1):67-75.

［3］夏唐代，蔡袁强，吴世明，等.各向异性成层地基中Rayleigh波的弥散特性［J］.振动工程学报，1996，9(2):191-196.

［4］陈龙珠，黄秋菊，夏唐代.饱和地基中瑞利波的弥散特性［J］.岩土工程学报，1998，20(3):6-9.

［5］凡友华，肖柏勋，刘家琦.层状介质中轴对称柱面瑞利面波频散函数的计算［J］.地震工程与工程振动，2001，21(3):1-5.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10035—2002 铁路特殊路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.