瞬态面波及地震影像在岩土工程勘察中的应用

叶 章

(山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013)

0 引言

多道瞬态面波法能够较好地解决岩土工程勘察中浅部的一些疑难杂症，例如对建设场地进行地层划分、寻找滑坡体滑动面、地层夯前夯后对比、以及寻找黄土洞等。我院从2005年以来，开展了多项多道瞬态面波工作。本文以某机场为例，在该机场飞行区、航站区及导航工程等岩土工程勘察中进行了物探测试工作，物探工作采用瞬态面波及高密度地震影像，通过面波测试对勘探区内的地层、滑坡体及地层夯前夯后进行物探解释，通过高密度地震影像对勘探区内的土洞发育情况进行物探解释，为今后岩土工程勘察提供一定的参考依据。

1 工作原理

面波在地球表层进行传播，其传播特点是同等波长能反映出地层岩性在水平方向的规律变化情况，而面波能采集浅层不同深度范围内的各种波长数据，因而能反映地层从浅到深不同深度范围内的地质变化情况。

多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减能量基本限制在一个波长范围内，某一面波波长的一半即为地层深度(半波长解释法)，即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映不同深度的地质情况。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞利波分离开来，从而得到Vr—f曲线或Vr—λ曲线,通过解释,获得地层深度及面波速度。

2 工程概况

该机场建设场地包括飞行区、航站区及导航工程等。本次物探工作对该机场地基处理及土方工程场地进行了物理勘探工作，主要目的是为了查明各面波点的地层情况及各层深度，通过面波测深剖面对勘探区内的地层及滑坡体进行物探解释，通过高密度地震影像对勘探区内的土洞发育情况进行物探解释，为岩土工程勘察提供依据。本次物体测试工作依据JGJ/T 143—2004多道瞬态面波勘察技术规程及有关规范进行。完成工作量包括：面波勘探点31个，高密度地震影像剖面5条。

3 仪器设备

本次物探工作使用北京市水电物探研究所研制生产的SWS-3型多波列数字图像工程检测仪，其他辅助设备有笔记本电脑激光彩色打印机。激发震源用24磅大锤，面波接收使用4 Hz检波器及道距不同的接收电缆。高密度地震影像接收使用28 Hz检波器及道距不同的接收电缆。

4 勘探成果

4.1 地层划分

在吕梁民用机场的岩土工程勘察中，通过面波勘探，形成频散曲线图，最后绘制了地质剖面图，图1和图2为波速剖面图及地层剖面图，图3～图6为频散曲线图。

在图1中，地表以下埋深6.0 m～25.0 m，为一黄土层，平均波速190 m/s,下面为粉质粘土层，平均波速250 m/s,M8点20 m以下为粉质粘土夹姜石层，平均波速330 m/s。

在图2中，上部8.0 m～15.0 m，为黄土层，平均波速200 m/s,下面为粉质粘层，平均波速240 m/s,M18点15 m以下为粉质粘土夹姜石层，平均波速330 m/s。。

4.2 寻找滑坡滑动面

面波频散曲线的特征及其变化与地下地质条件，如各层的厚度、波速等密切相关，分析这些变化规律和特征，可以初步确定地层的层数以及各层的厚度和速度可能的范围，再通过对曲线的综合解释，并结合已有地质资料，最终可确定出各层的厚度及波速，达到地质分层，寻找滑床等滑坡探测的目的。

本次物探工作，沿滑坡体东西向布置了两条面波剖面Ⅲ剖面和Ⅳ剖面。

通过分析各面波点的频散曲线(图3～图6)，在Ⅲ剖面上M1,M2,M3,M4点的频散曲线分别在14 m,20 m,8 m,8 m处出现较强的拐点，波速明显变小(见频散曲线)，说明该深度地层出现了低速软弱层，该层较松散，透水性强，结合钻孔勘探推断为滑坡体的滑动面。该滑坡体的滑动面前沿较浅，后部较深。

4.3 夯前与夯后地层对比

为了查明各测试点的地层速度夯前和夯后变化情况及强夯影响深度，我院对某航空运动学校项目试夯工程场地进行了面波测试工作，为试夯检测提供依据。本次面波测试工作共完成面波测试点4个，其中夯前2个，夯后2个，测试工作依据JGJ/T 143—2004多道瞬态面波勘察技术规程进行。面波测试的频散曲线夯前后对比见图7和图8。

由图7，图8可以看出，所测瑞利面波曲线规则清楚。1号点，通过分析曲线，5m以上夯前夯后波速值有明显提高，由130 m/s～150 m/s提高到140 m/s～180 m/s。5 m以下曲线将近重合，说明强夯影响深度为5 m。2号点，通过分析曲线，4.5 m以上夯前夯后波速值有明显提高，由130 m/s～160 m/s提高到140 m/s～180 m/s。4.5 m以下曲线将近重合，说明强夯影响深度为4.5 m。

根据瑞利面波测试分析，强夯后，4.5 m～5 m以上强夯加固效果明显，波速值由130 m/s～160 m/s提高到140 m/s～180 m/s。

4.4 探测黄土洞

本次物探工作的土洞勘察采用了地震影像方法，现场共完成了5条地震影像剖面，分别绘制了地震影像成果图，如图9所示。

据图9剖面分析可知，在该剖面30道～34道上，波形出现了明显的不延续或绕射，其同相轴呈V字形，推断分析为土洞的反映，该土洞埋深约6 m～8 m，直径约1 m～1.5 m。后通过开挖证实了地震影像勘探的正确性。

5 结论

根据瑞利面波勘探分析，由于场地内高差比较大，所以各点地层埋深和厚度相差较大。勘探场地地层情况上部为黄土层，厚度5.0 m～25.0 m不等，下部为粉质粘土层，薄的3.0 m～5.0 m，厚的测试深度范围内未探测到底部。再下面为粘土夹姜石层，测试深度范围内未探测到底部；场地内滑坡体滑坡面后部较深，约15 m～20 m，前部较浅，约5 m。

本次土洞的地震影像探测，共发现四个土洞异常，推断分析埋深6 m～12 m不等，土洞直径0.5 m～1.0 m。

6 结语

在岩土工程勘察中采用面波及地震影像，开展这些方法进行勘察的不仅工期较短，而且能较好的利用它对场地范围内地层、地质条件及场地内一些不良地质条件(如滑坡、黄土洞)进行分析解释。希望本文的试验数据结果对今后岩土工程勘察手段提供一定的借鉴。