多道瞬态二维瑞雷面波在公路病害检测中的应用

摘要：多次覆盖反射波勘探是地震勘探中精度高、应用广的方法。由于浅层地震勘探的反射波信号容易受面波和声波的干扰，使反射波方法在进行浅部探测时不能取较好的效果。瑞雷面波勘探技术作为近几年发展起来的浅层地震勘探方法，在公路路基检测、地基处理和场地评估方面得到比较广泛的应用，本文通过多道瞬态二维瑞雷面波在公路病害检测中的应用试验，验证了该方法在实际应用中的有效性。

关键词：二维瑞雷面波;公路病害;检测

Abstract: many times covered reflected wave exploration in seismic exploration is of high precision, wide application method. Because of the shallow seismic exploration reflected wave signal vulnerable to surface wave and sound waves of interference, make reflection wave method to detect in shallow cannot get better effect. Rayleigh wave exploration technology developed in recent years as the shallow seismic exploration methods, in the highway subgrade detection, foundation treatment and site assessment from a wide range of applications, this article through two-dimensional multi-channel transient Rayleigh wave in the detection of the tests of highway disease, the method is proven to be effective in practical application.

Keywords: 2 d Rayleigh wave. Highway diseases; detection

中图分类号：U457+.2 文献标识码：A文章编号：

瞬态瑞雷波因其具有频散特性、浅层分辨率高、不受地层速度影响等特点，已被广泛应用于工程地质勘察、地基加固处理效果评价、岩土的物理力学参数原位测试、公路和机场跑道质量无损检测、饱和砂土层的液化判别及灾害地质体的调查中。常规的瑞雷面波勘探以1D勘探为主，工作效率低，笔者在京（北京）-承（承德）路进行了多道瞬态二维瑞雷面波测试试验，解释成果得到了钻孔验证，取得了很好的效果。

1、技术简介

多道瞬态二维面波法则是通过点状震源激发产生球面波，将弹性能量向周边介质传递，在地表自由面上，受界面弹性条件的制约，产生沿地表传播的压缩波和 SV 型剪切波，叠合形成瑞雷面波。它的传播规律，反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。 在均匀介质中，面波的振幅随深度增大而减小，其弹性能量的传播深度和它的波长有关，波长越长的面波，它的能量波及地表以下的深度也越大。面波沿地表传播的速度和波及深度内介质的弹性参数有关，包括介质的密度、泊松比和横波速度，而主要的影响参数是介质的横波速度。 通过横波波速分析，可以了解路基的波速分布，进而确定出近地表的地质结构。

2、探测效果

2.1仪器和方法

多道瞬态二维瑞雷面波勘探试验采用日本OYO公司生产的McSEIS-SXW浅层工程地震仪，勘查有效深度从地表往下约20m，其独创的“CMP分析”技术提高了水平分辨率的数据精度，实现了二维监测横波速度模型。

图1为多道瞬态二维瑞雷面波法的工作布置示意图。

图1多道瞬态二维瑞雷面波法工作布置示意图

施工时，24个检波器用电缆并联连接。在两个接收器中间和两端接收器外侧进行触发。触发点数＝接收器数+1。如果测线长度为a,则勘察深度近似为a/2。

测量的几何信息示意图如图2。

图2多道瞬态二维瑞雷面波几何信息图

多道瞬态二维瑞雷面波数据采集时，每个剖面布置检波器24个，检波器间距2m，激发点距2m，检波器用石膏牢固粘合在路面上，激发点放200斤的铁锭，用19磅铁锤锤击铁锭作为激发震源。

图3为典型多道瞬态瑞雷面波监视记录，监视记录中直达波初至清楚，波阶明显。激发点位置在31.0m处。

图3典型的多道瞬态瑞雷面波监视记录

2.2面波资料处理

瑞雷面波在非均匀介质中传播具有频散特性，所以不同频率（波长）的瑞雷面波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明，当探测的岩土层介质较为均一时，瑞雷面波的相速度随深度的加大而按线性增加，只有出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化，该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波，且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系，由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。

图4典型频散曲线图

因此多道瞬态二维瑞雷面波数据处理的主要任务是求取频率-速度频散曲线（如图4）。首先对面波数据资料进行预处理，对每个剖面，依照道的完整、基阶波组份及干扰波的发育情况，挑选出质量好的记录参与后继处理。然后对挑选出的记录用面波专用软件进行频散曲线的提取，在此基础上，依据提取的频散曲线的曲率及疏密变化，对其进行分层并反演出横波波速和层厚。其处理解释流程（如图5）。

图5多道瞬态二维瑞雷面波处理解释流程图

2.3应用效果

面波等速度剖面地层影像图具有形象、直观、彩色剖面显示等优点，能直接地反映出地层弹性分层的剖面特征，可以为认识地层沿剖面的分布及结构特点提供客观的依据。

图6K17+215～310综合解释图

图6是K17+215～310二维瑞雷面波综合解释图，断面图显示路基大部分波速大于250m/s，填筑质量较好，结构稳定，在K17+215～273的0～8米(YC1)、K17+215～222的-15～-19米(YC2)、K17+260～285的-15～-20米(YC3)呈低速异常，根据异常结合实地观察分析认为：YC1为垫层受扰动后含水率增大造成，YC2和YC3为局部松散。

根据波速断面图，在K17+240和K17+300米布置2个钻孔W1和W2，W1揭示地层情况与解释完全一致，W2钻孔钻进到11米时穿过垫层进入风化土，整体填筑质量良好。

本次试验完成二维瑞雷面波1公里，解释异常12处，其中埋深10米内的8处异常得到钻孔验证。

3结语

瑞雷面波是公路无损检测非常有效的方法，二维瑞雷面波更具有采集数据快和较好的分层效果的特点，通过资料的反演计算处理，解释成果对路基病害有很好的控制，并得到钻孔资料的验证，在一定程度上可与钻探等手段相对应，可充分利用物探的特点和优势，适量以物探工作取代钻探工作，以提高勘探工作效率、缩短勘探工作周期、降低勘测费用，达到优势互补，是浅层勘探中较理想的一种手段，具有推广意义。

参考文献

[1]王俊茹.工程与环境地震勘探技术.地质出版社.2002

[2]中国石油天然气总公司人事教育局组织编写.野外地震勘探.石油工业出版社.1992

[3]冯德益.地震波理论与应用.地震出版社.1988

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。