瞬态面波法在岩土风化分层中的应用

2017-06-23李建宁席超强丁美青张平松吴荣新

宿州学院学报 2017年4期

关键词：风化层面波检波器

李建宁，席超强，丁美青，张平松，吴荣新

安徽理工大学地球与环境学院，淮南，232001

瞬态面波法在岩土风化分层中的应用

李建宁，席超强，丁美青，张平松，吴荣新

安徽理工大学地球与环境学院，淮南，232001

瞬态面波法在浅层岩土体分层中得到了较为广泛的应用，但对分层特征判定需得到深入研究。利用瑞雷面波在不均匀介质中的频散特性，采用瞬态面波分析技术对浅层风化层进行探测，通过重复激震试验确定特定场地条件下面波法的最佳探测深度，结合区域岩层风化面波速度特征进行相速度划分与评价。结果表明，测区整体风化层厚度约为20m，地层覆盖较为均匀，部分地区残积层较厚，岩土层的分带特征明显，结合钻孔资料表明该方法在研究区的探查效果良好。

瞬态面波；风化层；频散曲线；解释

浅层岩土风化分层作为工程勘察中重要的一项工作，其勘察结果直接影响着后期开发施工的安全性与经济性。浅层风化层结构疏松，极易在边坡地区形成大量的原生与次生结构面，使得土体不均匀，在降雨条件下容易产生失稳现象。若工程建筑需要安置在风化层上，则存在地基失稳、不均匀沉降等安全隐患，因此，在施工前首先需要查明不同风化层的厚度，针对不同风化程度与厚度的风化层进行地基稳定性处理。

自1887年英国学者瑞利从理论上证明了瑞利面波的存在以来，人们曾对面波的形成和传播特征作过许多研究，但是长期以来，一直认为它是地震勘探中的一种干扰波，而忽略了它在其他领域的应用[1]。近年来，国内外学者研究了瑞利面波在表层介质中的分布与传播特征，并利用其频散特性，将瞬态面波勘探法应用于实践，如路基检测、岩溶探测、冻土区与地基回填等方面，取得了较好的效果[2-7]。可见，瞬态面波法目前在工程实践中已得到较为广泛的应用，但在浅层风化分层上应用研究的成果较少，为此，本文借助工程勘察实例，将瞬态面波法应用于风化层分层工程中，为类似工程应用该方法提供参考。

1 多道瞬态面波勘探技术

面波是一种在介质表面传播的弹性波，且在层状介质中传播时具有频散特性，即不同频率的面波具有不同的传播速度，在沿介质层面传播时，衰减速度较慢，而在介质内部传播时衰减速度较快。面波传播时与土层的力学性质密切相关，其传播速度与剪切波波速基本相近，并且随土体泊松比的变化不大[8]，在实际工程应用中，可以通过面波频散特征分析判断地下空间的变化。

图1为瞬态面波勘探现场施工示意图。面波勘探主要有被动源法、稳态法和瞬态法，其中瞬态面波法因为具有操作便捷、成本低等优势，成为了使用最广泛的浅层工程勘探方法之一。该方法通常采用锤击或落重的方式激发地震信号，然后通过低频检波器接收，后期数据处理时，将采集到的数据进行反演

图1 瞬态面波勘探现场施工示意图

可以得到不同测点的频散曲线，再对各点频散曲线的数据进行整理与分析，可以得到测试场区的面波速度结构剖面，从而判断探测场地内地下介质与地质构造的发育和分布情况。

2 研究区探查与应用

2.1 研究区概况

该探查区为福建泉州地区水利枢纽改建工程，场地属于侵蚀性构造丘陵地貌，岩土风化严重，沟谷切割较为强烈，山势较陡，相对高差较大，地表水排泄通畅。测区内茶园与树林交错分布，表面坡残积层与风化层厚度不一，给探测带来一定影响。

根据钻孔资料，从上至下地层依次为第四系堆积风化松散岩层、粉砂岩层、泥岩层、灰岩层等。其中岩土层风化分层包括残积层、强风化层、中风化层和未风化层。根据区域地质资料，风化层厚度约为20 m。

2.2 探查试验2.2.1 锤击震源效果

在面波勘探中，要求震源能够激发出频带范围较宽并且噪音低的面波。当要求探测深度较大时，就需要震源能量较大且能激发足够的低频信号；当探测要求较浅且浅层分辨率要求较高时，需要以中高频激发信号为主进行勘探。

图2为探区场地条件下的18磅大锤激发、4.5 Hz检波器接收的面波单炮记录与频谱，主频在31 Hz左右，且能量有效频带宽可低达6 Hz左右，从图上可以看出，记录中对低频信号的接收较好。低频区域能量较高，结合其面波传播速度，可得勘探深度达到25～30 m，说明18磅锤击震源激发的频带宽足以满足本次勘察的要求。

图2 场地条件下的锤击震源面波信号

2.2.2 勘探有效深度

为了确定瞬态面波法在该测区的有效探测深度，研究中进行了频散曲线一致性的试验，即对同一排列上多次激发得到的面波数据，按资料处理原则处理后进行对比，频散点离散程度不高即视为有效[9]。试验点选取两处茶园内较平坦处，接收道与震源均布置在平整的软土上，激发条件好，有利于低频信号的产生。

图3中(a)(b)分别为两个不同地区的锤击震源重复激震所获得的频散曲线。可见，图(a)在深度16 m以上频散曲线点密集且一致性较高，16～40 m深度处点逐渐稀疏，但一致性仍较高。图(b)中在深度20 m以上点密集且一致性较高，20～40 m深度处点较为稀疏，且离散程度也不高。由此可见，18磅锤击震源在该采区地质条件下所采集的面波数据，在深度20 m以上时精确度较高，基本满足本次勘探

图3 锤击震源重复激震频散曲线对比

要求；而在20～40 m深度处的数据由于小的频率变化范围对应大的深度变化范围，频散点逐渐减少，影响了勘探的分辨率，但离散程度不高，仍有一定的可信度。

2.2.3 检波器效果

在面波勘探中，检波器是用来接收由震源激发产生、经过地下介质传播的弹性波，并将其传送记录在采集仪器中。不同频率成分的面波信号会携带有不同勘探深度的信息，而固有频率不同的检波器的频响特性也不同，这对面波信号的接收产生影响。通常来说，检波器的固有频率越低，它对低频信号的压制越小，有效勘探深度也就越大；对高频信号的压制越大，将影响对表层的分辨率[11-12]。

为分析场地条件下不同检波器对面波信号的响应情况，选择合适频率的检波器进行面波勘探，选取4.5 Hz、28 Hz检波器进行现场试验。试验时，采用18磅大锤震源激发，结果表明：28 Hz的检波器对低频信号的压制明显，勘探深度较小，无法达到本次勘察要求；4.5 Hz检波器低频信号能量强且稳定，勘探深度和分辨率满足要求。综合以上分析，选取固有频率较低的4.5 Hz检波器，如需要浅层高精度资料，可使用28 Hz检波器进行补充采集。

2.3 数据采集与处理

为了探查工区岩土分层状况，在探区布置了一条面波测线，采用GenPen SE2404多功能工程地震仪，震源为18磅大锤，检波器为4.5 Hz低频检波器，12道检波器接收，采用点测连线方式进行数据采集。本次探测共完成21个测点，所有采集排列均以测点为中心布置，在排列一端敲击。根据现场采集试验，确定0.5 ms采样间隔，1 m的道间距以及偏移距，每个测点采集5炮数据，以利于消除干扰和对比分析，移动步距为2 m。

数据处理的主要步骤为前期预处理、频谱提取与分析、频散曲线拾取以及后期成图等。本次数据处理采用Geogiga软件中的面波处理模块，该模块的频散速度计算方法主要为F-K法和相位差法。F-K法主要是利用二维傅里叶变换，将时间-空间域转换成频率-速度域、频率-波速域以及频率-慢度域，采用这种方法进行速度分析，相速度稳定，抗噪音能力强。

2.4 风化分层解释

根据钻孔资料以及以往勘察经验，结合场地内岩土地质条件以及《岩土工程勘察规范》地方标准，建立各地层与面波速度的对应关系：(1)残积层以腐殖土和碎石土为主，抗剪强度较低，面波速度约为50～250 m/s；(2)强风化层抗剪强度较低，面波速度约为250～350 m/s；(3)中风化层的面波速度约为350～500 m/s；(4)弱、未风化层基岩介质稳定，面波速度大于500 m/s。在面波测点速度剖面上，垂向上的速度差异主要是岩土层介质变化，具体表现为从上到下波速逐渐变大，而水平方向的速度差异主要为地层的起伏和人工采集产生的误差。

对各个测点进行整理，并选取三个测点的单点数据制成面波解释柱状图(图4)，其中测点AK63+815高程为301.45 m，残积层、强风化层与中风化层厚度分别约为6.0、7.9、6.1 m；测点AK65+555高程为279.98 m，残积层、强风化层与中风化层厚度分别约为4.2、4.2、8.5 m；测点AK66+225高程为284.39 m，残积层、强风化层与中风化层厚度分别约为5.5、6、5 m。

图4 单点面波解释柱状图

图5为对各测点反演分析结果进行处理所生成的测点连线剖面图。从图5可以看出，面波整体呈现出速度随深度的增加而不断加大的特征，综合测点解释柱状图分析，测点经过地段残积层厚度为4～9 m，且大部分测点厚度集中在6 m左右，变化不均匀，主要成分为第四系堆积土和一定厚度的腐殖层；强风化层厚度为3～9 m，大部分测点厚度为5 m左右，为侏罗系上统长林组的风化岩层，主要为凝灰质砾砂岩、角砾凝灰岩和流纹质凝灰熔岩，风化后呈现土黄色和浅灰色，较为松散，力学强度低；中风化层厚度为4～11 m，大部分测点厚度集中在5 m左右，主要成分为细粉砂岩、粉砂质泥岩以及部分硅质岩和燧石灰岩；未风化基岩面大部分位于20 m以下，主要由石英斑岩、凝灰岩以及部分细砂岩及层状灰岩组成，介质稳定且分布均匀。测线整体风化层厚度约为20 m，个别测点处达到25 m以上，地层覆盖较为均匀，部分地区表层堆积土较厚。将以上各点的勘探结果与该地区的钻孔资料图相对比，可知波速在500 m/s以下的风化层勘探结果较为理想。

图5 面波测点连线剖面图

3 结束语

面波勘探经过十几年的快速发展，在实践应用中已较为成熟，且有成本低、采集便捷等特点，已逐渐成为一种常用的地球物理勘探新方法。前期锤击震源试验与重复激震试验表明：18磅大锤激发能量满足本次岩土风化分层勘察要求，勘探准确深度在15～20 m之间，而根据区域岩层风化面波速度特征划分所获得的测点连线剖面解释图，可知整体风化层厚度在20 m左右，风化层波速在500 m/s以下，其中各层位的划分与后期的钻孔资料对比较为吻合，说明瞬态面波法在岩土风化分层勘测中有效、可靠。但在对风化岩层的分层勘探中，仍需注意以下几个方面：

(1)面波法在锤击震源条件下的准确勘探深度在15～20 m之间，且在不同的地质条件下探测精度存在差异，在20～40 m内的频散曲线的点变得稀疏，虽然数据仍有一定的可靠性，但分辨率逐渐降低，且受后期处理时人为拾取频散点的影响，因此应谨慎对待。

(2)在进行风化分层结果解释时，应结合区域地质条件、地层岩性特征和钻探数据等资料，建立准确的面波速度模型，才能保证后期分层解释的准确性。

(3)瞬态面波勘探法无论是在理论研究还是实际应用中都存在一定的局限性，如探勘分辨率较低、后期结果多解性等问题，都影响着勘探的结果，因此，在实际应用中，需要与钻孔资料以及其他勘探方法相互印证，才能保证后期结果的有效性。

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