浅谈瑞雷波法在岩土工程检测中的应用

李明

（重庆市地质矿产测试中心　重庆　渝中　400017）

浅谈瑞雷波法在岩土工程检测中的应用

李明

（重庆市地质矿产测试中心重庆渝中400017）

新时期，科学技术不断发展，对于瑞雷波法的应用研究取得了很大进步，为工程检测解决了很多难点。经过研究发现，瑞雷波法与力学性质以及不同的波长的传播介质密切相关。通过该方法进行传播，对其本身的频散性进行分析、利用，能够在岩土工程检测中发挥重要作用。对此，本文将详细探究瑞雷波法在岩土工程检测中的应用。

瑞雷波法；岩土工程检测；应用

引言

在工程实际勘测过程中，岩体的密实程度、承载能力以及岩土体的物理学性能与应力波的传播特性存在着较大的相关性，由此可以将瑞雷波的传播速度作为指标，对岩土工程填土密实程度、路基承载能力以及施工质量进行评价。

1　瞬态瑞雷波的特点及测试原理

1.1瑞雷波的特点

瑞雷波的能量很高，约占全部波动能量的60～70%，并且其主要能量都集中在0.8λR（λR为瑞雷波波长）深度内。当瑞雷波的波动传播到一个波长深度时，能量就会被全部衰减。通常情况下，波的频率成分会直接影响瑞雷波测试深度，对此，可以通过控制频率测定不同深度介质的平均速度VR。

1.2瞬态瑞雷波测试原理

瑞雷波勘探可以根据激励方式的不同分为瞬态和稳态两种方法，其中瞬态瑞雷波法又被称为表面波频谱分析法，简记为SASW法。瞬态法与稳态法的区别在于震源不同，前者是在地面上产生一瞬时冲击力，生成一定频率范围的瑞雷波，而后者则产生单一频率的瑞雷波。

瑞雷波主要具有以下主要特性：

（1）当瑞雷波在自由表面附近传播时，在波传播方向的垂直面上，质点会不断发生振动，并且随着传播深度的增加，振幅会越来越小，质点的振动轨迹在波的传播方向上作顺时针或逆时针的椭圆运动；

（2）瑞雷波大部分能量损失在1/2波长的深度范围内，这说明某一波长的波速主要与深度小于1/2波长的地层物性有关；

（3）在均匀介质中，瑞雷波并不具备频散特性，但是在多层非均匀介质中，瑞雷波却具有明显的频散特性，瑞雷波沿地面表层传播，影响表层的深度约一个波长，不同波长的瑞雷波的传播特性反映出不同深度的地质情况。

2　瑞雷波的主要检测方法

2.1稳态法

图1为稳态瑞雷波的勘探原理示意图，当激振器在地面上施加相应频率的简谐竖向激振的情况下，该频率下的瑞雷波是以一定的方向沿着表层进行传播的，通过设置在地面上的检波器，能够对相邻瑞雷波的同相位时间差△t进行测量，并根据公式VR=△x/△t，计算出瑞雷波的传播速度。如果相应的改变地面激振器的振动频率，就能够测算出当前频率下的VR值。根据此项原则，如果将振动器的振动频率设置为从高到低的逐步变化，就会相应的得出一条不同频率下的瑞雷波传播速度曲线。

图1　稳态法原理示意图

对于稳态瑞雷波来说，其主要优势在于能够采用较低的频率，从而进行较大深度的岩土工程勘测。另外，从对各频点资料的实测过程分析来看，其同样也具有着施工速度较慢、施工效率较低的特点，从本质上来说稳态瑞雷波是属于弹波的应用范畴，但是与瞬态法不同的是，稳态瑞雷波探测需要配置相应的激振系统，而瞬态法则需配备具有较强信号处理功能的计算机系统。

2.2瞬态法

图2为瞬态法的勘探原理示意图，相对于稳态法来说，瞬态法主要是采用在地面上造成瞬间的冲击力，从而产生相应频率范围的瑞雷波，并通过不同频率的瑞雷波相互叠加，最终以脉冲的形式向前传播。与稳定法不同的是，瞬态法所记录的信号要经过相应的频谱分析，才能将不同频率的瑞雷波区分开来，最终得出一条不同频率下的瑞雷波传播速度曲线。瞬态法具有着仪器设备较为轻便、施工速度相对较快的优势，但是在当前应用过程中，其所亟需解决的问题是如何通过低频率信号的激发，从而进一步增强其勘测深度。

瞬态瑞雷波主要是一种在地面上一点激发出不同频率的瞬态瑞雷波，在沿着地面表层传播的过程中，其同一频率的波长传播特性能够有效的反应出岩土地介质在水平方向上的变化情况，而不同频率的传播特性则是对介质深度变化情况的有效反应。瞬态瑞雷波法的最佳探测深度为30m以内，其横向分辨率主要取决于采样点的距离，为了提升纵向的分辨率，可以采用增加相应的低频成分的方法。

3　瑞雷波测试在岩土工程中的应用实例

某岩土工程场区主城区约15km，距火车站约8km，离机场约20km，与高速相隔约16km，场区东西宽约277～401m，南北长约740m，占地面积约0.23km2。

图2　瞬态瑞雷波产生频率

该项目采用的瞬态瑞雷波法是在激振时，产生一定频率范围内的瑞雷波，并以复频形式传播。勘测现场采用纵排列接收瑞雷波，通过现场勘测试验，并结合场地实际情况进行详细分析，选择合适的采集间隔、道间距、记录长度、偏移距等参数。

该岩土工程勘测选用的现场瑞利面波数据采集记录仪器为WZG6-24土程数字地震仪，处理软件为SWS瑞雷波处理软件包。仪器主要参数如下：

（1）通道数：24道；

（2）采集点数：512，1024，2048可选；

（3）放大器：瞬时一浮点放大器；

（4）A/D转换：16位；

（5）动态范围：120dB；

（6）滤波：带通、陷波；

（7）仪器通频带：0.5～5000Hz。

根据对该工程的实际调查发现，强夯厚度在15m以内，因此，本次面波测试每点为一个排列，每一排列为12道，道间距离设置为2.5m，排列长度21m，并且采用人土单边锤击激发采数。

对于该岩土工程勘察，现场采数方面应用4Hz面波令用检波器，并且根据工程实际情况，对于瑞雷波的激发可以使用锤击震源或落重震源，道间距设定为2.3m、偏移距设定为8m左右，对于测试参数的设定，必须保证检测深度达到进入强风化层1～2m要求。

对于检测点的布设，应该尽量选择填方厚度较大的区域，另外还应该对N120动力触探试验进行有针对性布点。

瑞雷波在岩土工程中的检测作用主要有以下几点：

3.1地层划分

为了明确不同地层的厚度以及波在传播时的速度，必须合理的解释一些特殊变化，即瑞波频散的曲线，只有明确曲线的意义，才能对底层进行有效划分。

3.2地基加固处理效果评价

在岩土工程实际勘测的过程中，应该通过相应的措施对地基的加固情况进行持续跟进。通常情况下，波速的不同主要是因为受到了地基加固的影响，而这一结果需要进行科学合理的地质勘测才能获得，通过测试结果，能够详细分析地基加固之前和加固之后的不同状况。在实际应用中，其物理学的性质改善的程度一般是显而易见的。

3.3岩土的物理力学参数原位测试

在岩土工程实际勘测过程中，确定岩土层的S波速度、P波速度及密度等参数至关重要，与地质勘测密切相关。因此，工作人员在完成勘测后，应该立即掌握第一手勘测资料，并且对勘测资料进行详细分析和反演解释，最终得出相关数据。

3.4公路、机场跑道质量无损检测

这是高频瑞雷波的一种应用形式，但是此类瑞雷波需要经过人为激发，使用该种高频瑞雷波，能够快速、准确的确定路面的抗折、抗压强度，路基的载荷能力，以及各结构层厚度。除此以外，采取稳态法进行监测至关重要。近年来，对于机场跑道以及公路质量的监控离不开稳态法的支持。

3.5地下空洞及掩埋物的探测

与传统的勘探方法相比，采用稳态法进行勘探优势明显，主要体现在对于掩埋物以及地下空洞的勘探方面效果十分显著，只要瑞雷波与地下空洞和掩埋物的深度一样，频散的曲线就会发生不正常的现象。因此，瑞雷波法在地下空洞和掩埋物的勘测上具有十分广阔的应用前景。

3.6饱和砂土层的液化判别

根据一定场地内的饱和砂土层的埋深、地下水位的深浅等地质条件，可以计算出饱和砂土层的液化临界波速值。

4　结语

瑞雷波法具有着传播速度低、传播过程中衰减较小且抗干扰能力相对较强的特点，是一种具有经济性和快捷性的检测手段。将瑞雷波法应用于岩土工程勘测中，主要是因为其能够凭借着频散特征对岩土工程的地质介质结构进行分析和推测，并在地基加固深度以及承载力的大面积检测方面有较为独特的优势，能够大大提升岩土工程检测的效率。

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TU195

A

1673-0038（2015）43-0178-02

2015-10-3

李明（1971-），女，中级工程师，大学本科，主要从事岩土工程检测工作。