利用地震映像技术确定地基覆盖层厚度研究

张俊烽，张建根，盛群陆

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

在基岩埋深较浅的地区，大型构筑物的基础设计、抗震设计以及场地类别的确定等均需要利用覆盖层厚度资料[1,2]。因此，覆盖层厚度的确定是基岩埋深较浅地区岩土工程勘察的重要内容。

常规的勘察手段是通过钻探取芯判断岩层的风化程度来确定基岩面。在工程可行性勘察阶段和初步勘察阶段由于钻孔数量较少，在基岩面起伏较大的地区难以准确的确定基岩埋深。甚至有些情况下受条件限制无法采取钻探的情况下，只能借助于工程物探的手段来实现对基岩面埋深的探测。常用的物探方法有电法、电磁法、地震法等[3]，各方法均有其特点和不同的适用范围。笔者结合京秦高速公路某大型桥梁地基覆盖层的勘察，综合运用高密度地震映像法和瞬态面波测试，较为准确的得到了基岩面埋深，取得了一定的工程实效。

1 工程概况

本次勘察的拟建桥梁为跨线立交，桥长630m，桥面高在11～25 m之间，桥梁下部结构拟采用矩形墩柱，钻孔灌注桩群桩基础。桥址位于为半山区向平原过渡地带，地面相对平坦，所经地段主要为耕地、苗圃、民房、厂房等。根据已有资料，所揭示地层差异较大，地质情况较为复杂。根据其他标段的钻探成果结合已有的地质资料，区域内自上而下的主要地层分布见表1。

表1 （DQ58～DQ131）地层情况说明表

根据勘察要求，需要查明路基基岩面、强风化与中风化地层界面等，为桥梁桩基和抗震设计提供依据。现场由于征地、地形等原因，部分地段暂时无法进行钻探，为了摸清地基覆盖层厚度，为桥梁的初步设计和工程预算提供依据，决定采取以高密度地震映像为主，瞬态面波为辅的测试方法。

2 地球物理特征

覆盖层是经过各种地质作用而堆积在基岩上的松散堆积物，一般是指第四纪地层。其地球物理特征为：岩性相对松散，具有差异风化，弹性波波速明显低于基岩，一般认为剪切波速不超过500m/s[2]。质量密度低于基岩，同下卧基岩具有不同的波阻抗，具备地震勘探的基本地球物理条件。

3 技术路线与勘探原理

3.1 技术路线

由于本次勘察的标段现场大部分区域无法进行钻探，且场地中有较大范围的树林、灌木、和苗圃，难以在整个场地采用排列较长的常规反射波法和面波勘探。

通过高密度地震映像测试可以得到测线下地层剖面的断面图，通过波阻抗界面的双程走时和波速来推断基岩面的准确位置。地震波在覆盖层内的传播时间可以直接得到，但是如何得到测线下地层不同深度处的波速分布情况，是一个重要问题。因为没有足够的现场波速测试资料，故选择利用现场瞬态Rayleigh面波测试结果来反演土层剪切波速的分布，再与高密度地震映像测试结果相结合来综合判断基岩面的确切位置。

考虑到基岩的可能最大埋深会超过30 m，本次高密度地震映像主要依靠纵波反射法，纵波反射法相对横波反射来说具有更强的穿透性，但是其分层能力要弱于横波，因此本次勘测辅以瞬态瑞雷面波来对地震映像的结果加以验证，并提供浅层土的波速信息。

地震映像测试中‘时-深’转换处理的一个重要因素是转换速度。速度的变化对于深度的转换很敏感，处理时使用的转换速度应尽可能接近地层的真实速度。地震测井是准确求取时深转换速度的最好办法，从地震测井中可得到地层的平均速度和层速度数据。若没有地震测井时，也可用均方根速度（叠加速度或等效速度）求取层速度和平均速度，见图1。

图1 技术路线示意图

3.2 理论原理

3.2.1 地震映像

地震映像法属于地震勘探中的反射波法，其理论基础是反射波法中的最佳偏移距技术。所谓最佳偏移距法，就是在最佳窗口内选择公共偏移距，每激发一次用一道接收，然后按如图2所示同步移动震源和传感器，保持所选定的偏移距不变。将每一次激发的波动信号自动记录下来，最后得到多道记录，各道具有相同的偏移距。利用这种共偏移距地震剖面，容易正确识别同相轴，由于偏移距相同，不需作时差校正，具有简便直观特点，可以实现现场实时发现异常的技术目标。

图2 地震映像数据采集方法

由于反射波在向下的传播过程中，在两种地层的分界面上，无论界面的波阻抗增大还是减小，都能够产生反射波。即使波速相同，只要密度不同也会产生反射波。因此，相对折射波等方法来说，其具有更强的分层能力[3]。

3.2.2 瞬态Rayleigh面波

Rayleigh波由英国学者瑞利（Rayleigh）于1877年发现并证明，Rayleigh面波凭借其衰减小、信噪比高、抗干扰能力强、分辨率高，在层状介质中所具有的频散特性以及传播速度与介质的物理力学性质有密切关系，在工程勘察和无损检测中有着广泛的应用[4,5]。Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用频散曲线，反演地层厚度及剪切波速。

瞬态法又称表面波频谱分析法，测试时将测点布置在地面上沿波的传播方向，按一定距离Δx设置n+1个传感器。当锤头敲击地面时产生一个宽频带的脉冲信号，传感器接收到瑞雷波在n·Δx长度范围内的传播过程。设瑞雷波的频率fR，相邻传感器记录的瑞雷波的时差为Δφ，则相邻Δx长度内瑞利波的传播速度为：

在地面上采用较大振幅的竖向冲击振源，其中包含了丰富的频率成分。由傅立叶变换将两只与振源距离己知的检波器信号作交叉功率谱和相干函数分析，由此求出瑞利波速度，进而得出土层剪切波波速。

4 现场测试及结果分析

4.1 现场测试

现场测试的关键就是测线、勘探点位置的布置和测试参数的合理选取。地震映像勘察测线沿桥梁中心线布置，受场地等现场条件限制，共有长度不等的5条，为配合、验证地震映像的测试，在每条地震映像测线上布置两个面波勘探点。

为了使信号采集过程中能够将有效波（反射纵波）与直达波、反射波、折射波、多次反射波、面波等干扰波有效分离，从而实现或去有效波压制干扰波提高信噪比的目的，通过现场的多次试验、分析，确定最佳窗口设为距激发点25～45 m，决定采用30 m和40 m这2种偏移距。同时考虑到采样长度和频率的要求，确定本次采样间隔0.125 ms，采样点为2048，记录长度为256 ms。

同样，对于瞬态Rayleigh面波的偏移距、道间距等也是在考虑到勘探深度与精度的要求下，通过现场选排试验来确定。本次测试采用偏移距15 m，道间距2 m，采样间隔0.125 ms，采样点4096，记录长度512 ms。

4.2 结果分析

首先根据面波测试结果，根据频散分析得到地层下不同深度处的剪切波速，根据等效剪切波速，得到不同深度内的等效纵波波速，从而为地震映像推断基岩界面提供条件（图3和图4分别是面波的能量谱密度图和频散曲线图）。

图3 Rayleigh面波能量谱密度分析

图4 面波频散曲线分析

根据式（2）计算出不同深度内地层的等效剪切波速：

式中:μ为动泊松比，根据纵波与剪切波波速关系分析计算得到测试区域从地面至各风化层界面的纵波等效波速的范围见表2。

表2 不同深度范围内等效纵波波速（单位：m/s）

利用各层等效纵波波速结合地震映像的测试图可以得到基岩各风化界面的起伏状况。图5～图7为3条测线上的地震映像剖面图。

图5 1#测线的地震映像剖面图

图6 2#测线的地震映像剖面图

图7 3#测线的地震映像剖面图

从图5～图7可以看出，总体来看各条测线地震映像剖面图各同相轴连续性较好，各层波阻抗界面反映清晰。可以为基岩界面及风化层厚度分析提供较好的分析依据。值得注意的是2#起始段（9～17道附近）和3#测线中部（36～50道附近）的风化层内波形较乱，同相轴不连续，可能会有不良地质情况出现，建议结合钻探资料和其他测试手段判定具体情况。

结合测试区地层纵波等效波速得到的覆盖层及各风化界面地质剖面推断见图8～图10。

图8 1#测线的地质解译剖面图

图9 2#测线的地质解译剖面图

图10 3#测线的地质解译剖面图

6 结论

本次测试共3条测线，通过面波结合高密度地震映像达到了摸清覆盖层及各岩石风化层厚度的任务，可作为地质条件分析的参考。但是地震映像的分析界面为波阻抗界面，与地质风化界面虽有相关性却并不完全相同，因此建议结合钻探及其它勘察测试成果进一步分析，以提高分析的有效性。

[1]GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2]GB50021—2001,岩土工程勘察规范[S].

[3]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[4]吕耀志,谭儒蛟,徐鹏逍,等.瞬态瑞雷面波技术在人工填土勘察中的应用[J].工程勘察,2014(1):87-90.

[5]李杰生,钱春宇,廖红建.多道瞬态面波法在铁路路基测试中的应用[J].岩土力学,2003(24):611-615.