土石方量调查中地质雷达的应用

摘要：以某场地通过瑞雷面波的物探勘察手段测定反压护道及施工围堤人工填土层厚度，进行土石方量计算的工程实例说明了地质雷达的工作原理,操作流程以及检测资料的分析处。

关键词：地质雷达 人工填土土石方量

中图分类号：F407.1文献标识码：A 文章编号：

1、引言

上世纪五十年代以来, 世界各国广泛使用天然地震面波来研究地球内部结构, 发现不同构造环境的地壳上地慢结构有很大差异, 获得了其分层厚度和横波速度。世纪年代初, 日本的株式会社推出了一佐藤式全自动地下勘探机，使面波技术在浅层勘察工作中得以应用。经过多年的发展，面波勘探技术已经广泛应用于工程地质勘察、无损检测和浅层煤炭勘探。在各类能源和工程勘察设计通常需要快速取得覆盖层厚度和地质分层等参数，传统的方法有钻探和静力触探等。钻探方法设备重、施工慢、费用高而且对环境破坏戈。静力触探方法虽然快速，但是设备仍不是很轻便,而且仅能在软土中应用,遇见孤石或卵石就无法推进。面波勘察技术具有经济、快速、高效和对环境无破坏等优点，非常适合用于土石方调查工作。本文结合具体工程实例就该技术进行介绍。

2、基本原理和方法

面波分为瑞雷波和拉夫波，而瑞雷波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘察一般是指瑞雷波勘探。瑞雷面波是指在弹性分界面处由于波的干涉而产生，并且沿界面传播，波动现象集中在界面附近的一种弹性波，其具有以下几种主要特性：

①在均匀介质条件下，瑞雷面波的传播速度VR与其振动频率f（即与面波的波长λR）无关，即面波在均匀介质中传播没有频散性。与此相对应，在不均匀介质中，面波的传播速度VR是频率f的函数，即面波在非均匀介质中具有频散特性。在均匀介质中无频散性和不均匀介质中具频散特性是面波勘探的物理基础。

②在多层介质中，瑞雷面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播，影响表层的深度约为一个波长，因此同一波长面波的传播特性反映了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着不同深度的地质情况。

③瑞雷面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，大部分能量集中在一个波长的深度范围内，即认为面波的穿透深度约为一个波长。

④瑞雷面波波速近似等于横波波速，并具有相关性，因此面波波速与介质的物理力学性质密切相关。瑞利波速和横波波速的关系为：

（为泊松比）

当从0.25至0.5时，Vr/Vs从0.92至0.95。由此可将瑞雷波波速换算成横波波速。

瑞雷面波的野外采集，是在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距设置N+1个检波器，就可以检测到面波在长度范围内的传播过程（见图1）。

设面波的频率为f，相邻检波器记录的面波的时间差为（或相位差为），则相邻道长度内面波的传播速度为：

或

测量范围内平均波速为：

或

在同一地段测量出一系列频率对应的Vr值，就可以得到一条Vr~f曲线，即所谓的频散曲线，频散曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系，通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的面波传播速度Vr值，Vr值的大小与介质的物理特性有关，据此可对岩土的物理性质做出评价。

3、解释方法

瞬态瑞雷面波法是通过人工震源激发，产生一定频率范围的瑞雷面波（图2-1），再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的频散曲线面波分离出来，然后分别对各频率谐波进行互相关运算，计算出各频率谐波的传播速度，从而得到一条称为“频散曲线”的Vr～f曲线，然后根据Vr～f曲线的结果进行反演计算，求取各岩土层的厚度及瑞雷面波速度，整个处理流程如下：

1）对原始资料进行整理，检查核对，编录；

2）计算各频率条件下瑞雷面波的传播速度：

3）确定瑞雷面波时间～空间窗口；

4）在频率～波数域内提取瑞雷面波；

5）进行频散分析并形成频散曲线图（图2-2）；

6）根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释；

7）进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的瑞雷面波层速；

图 2瑞雷面波测试频散曲线图

4、应用实例

4.1工程概况

拟建场地位于深圳市福永镇，原始地貌为海陆交互冲积平原。本次勘察采用瑞雷面波物探勘察手段，通过物探的方法测定反压护道及施工围堤人工填土层厚度，计算人工填土土石方量。

4.2野外地球物理条件

为做好物探工作，应对施测对象的性质、特征了解清楚，以采取合适的方法、参数。同时在解释时采取合适的方法，以提高解释精度。

经了解场区从上至下可分为人工填土石层、淤泥（包括淤泥质土、砂）、残积粘土层，其岩土特性和地球物理特性简单分析如下：

人工填土层：为人工抛填土、石，主要为块石、粘土、砂组成，块石成份占大部分，级配差，孔隙大，大部分地段未进行碾压震动，只有部分地段经车辆走动而有一定压实，因此分析认为其视电阻率根据其含水量不同在50~500Ω·m，填土层块石成份多，孔隙度小的地段相对较高，以土、砂为主或孔隙度大的地段相对较低。其面波波速约为150~400m/s，和其成份和压实度关系大，据了解本层填土层厚度在3~7m间。

淤泥层：为水塘或海底淤泥，含大量腐植质，呈软塑至流塑状，饱和，孔隙大，视电阻率一般

粘土层：位于淤泥层下部，粘土呈可塑至硬塑状，湿，视电阻率一般50~300Ω·m，瑞雷面波速度约为150~300m/s。残积粘土层一般埋深为10m以上。

下部为基岩岩层，由于土层厚度大，基岩埋深较深，本次勘测未涉及基岩层。

以上几层由于成因不同，在层序上有明显分层，对瑞雷波而言有明显波速（波阻抗）差异，在波形上有一定的拐点出现，因此适用瑞雷面波法进行勘察。

4.3测点布设

本次勘察延路基中线，纵向上每20米布置一个面波测点，两端有用仪器测设控制桩控制，控制桩用皮尺量测定测试点。

面波主要的野外采集参数如下：12道检波器，偏移距5m，道间距1m，采样间隔0.5m采样长度256ms，每20m采集一个点。

4.4数据分析结果

经面波物探勘察，根据野外地球物理条件中的岩土划分原则，对各物探勘察断面进行了岩土划分。断面图中路面高程、路面宽度均为实地量测。

图3 物探解释断面图

4.5填土方量计算原则

根据本次勘探及现场已开挖部分的资料，本项目土石方计算遵循以下原则：

土石方计算公式：

其中：

H ——勘测断面间距；

Si——前一断面填土层断面积（单位m2）；

Si+1——后一断面填土层断面积（单位m2）

5.结语

本工程实例采用瑞雷面波法的物探勘察手段来进行道路及施工围堤人工填土方量调查，根据物探解释结果经过计算得出土石方量，结果准确。

从上述工程实例中可以看出，瑞雷面波不光具有经济、高效、无损的勘察特点，而且对浅部地层具有很高的分辨率，解释结果直观、准确，具有较高的工程实用性。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。