面波法波速测试在岩土工程勘察中的应用

【摘要】本文简述了面波法波速测试方法的工作原理、现场施测技术以及数据处理和资料分析过程。运用工程实例说明了面波法波速测试技术在岩土工程勘察中的应用和效果。

【关键词】波速测试技术；瑞雷面波；频散曲线

面波法波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个分支，目前已广泛应用于第四系地层的划分，地基处理效果评价探测地下空洞，评价饱和砂土的液化，计算各种弹性动力参数，评价地基的承载力等，并取得了良好的应用效果。

一般来说，面波法波速测试可原位测定瑞雷面波（R波）在岩（土）体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定建筑场地类别能快速、经济的对场地进行分层，并给出每层的剪切波速度等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。

1、面波基本原理及工作方法

1.1基本原理

面波（瑞雷面波）和折射波法、反射波法一样，它也是利用弹性波场特征进行勘探，只不过面波波场特征与体波有较大区别。在相同的介质中，纵波波速最快，横波次之，面波最慢。在层状介质中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）与P波干涉形成的，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（R波长）的圆柱体向外扩散。

面波勘探是按照测网的布置，在测点上逐点进行观测，每一个测点根据地质任务和勘探深度的要求，测得一条频散曲线，利用频散曲线的速度进行分层、计算有关参数等，从而达到岩土工程勘察之目的。

1.2基本工作方法

在外业工作正式开展之前，首先在测区平坦地带上做展开排列试验工作，进行现场干扰波调查，识别地层的各种地震波列信号特征，确定测试方法的观测系统及参数。

在实测工作中，一般把检波器对称埋置在勘探点的两侧，震源点和检波器应布置在同一条直线上，并在排列两侧激振。

2、应用实例

2.1工程概况

广西某基地住宅楼正处于施工图设计阶段，物探任务为通过面波（场地土剪切波速）测试，对该建筑场地类别做出判别。根据地质资料揭示，场地土层主要为第四系人工堆积层（Qml）及中更新统冲积层（Qal），下伏基岩为第三系南湖组（En），主要为泥岩，局部夹有薄层状泥质粉砂岩。场地平整后，地基岩土主要为风化的泥岩、泥质粉砂岩。岩土层间具有一定的波速差异，具备瑞利波勘探的地球物理条件。

2.2工作方法

在测区内的地质勘探钻孔处共布置了3个面波测试点（如图2.2-1），采用了12道4Hz检波器接收，道间距为2m，偏移距为10m～30m，采样间隔为0.25ms～1ms，锤击激发方式，用10.88kg大锤直接锤击厚木板激发。

面波勘探工作使用了重庆水电物探研究所研制的SWS-3型工程勘探与工程检测仪。

2.3资料整理与解释

资料分析和解释使用SWS处理软件，通过对频散曲线进行定量解释，得到面波勘探点处的各地层的厚度及剪切波速度，根据剪切波速平均值与覆盖层平均厚度的情况来确定建筑场地类别。图2.3-1～图2.3-3为面波频散曲线波速计算分层成果图。根据频散曲线特征，把地层分为6-9个波速层。

2.4成果分析

由面波频散曲线波速计算分层成果，并把面波换算成剪切波，对场地土进行剪切波速度统计，剪切波速度加权平均值计算公式如下：

Vse=d0/t

式中：

Vse——土层等效剪切波速（m/s）

t——剪切波从地面至计算深度之间的传播时间

d0——计算深度（m），取覆盖层厚度和20m二者的较小值，其中覆盖层的厚度按地面至剪切波速大于500m/s的地层顶面的距离确定

di——计算深度范围内第i层土层厚度（m）

Vsi——计算深度范围内第i层土层的剪切波速度（m/s）

n——计算深度范围内土层的分层数

计算成果见表2.4。

2.5结论

通过对拟建建筑物场地土的剪切波速测试，提供以下结论：

在测试范围内覆盖层的等效剪切波速平均值为309m/s根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）表4.1.6，本场地属Ⅱ类场地。

3、结束语

通过工程实践面波勘探可以得出如下几点：

（1）面波勘探提高了工作效率，可以解决如探测建筑桩基根部埋深，高速路无损检测、探测地下空洞等地质问题，很好的为地质和设计服务。

（2）面波勘探在进行深部探测时，由于震源能量传播的问题，使得频散曲线深部信息量少，从而降低了深部解释的精度，影响了勘探效果。

（3）面波勘探和折射波法、反射波法相比，具有效率高，资料处理相对简单等优点，但同样存在能量传播的问题和数据处理方法有待提高。