基于Rayleigh Wave现场试验评价场地地基土研究

摘要： 本文结合辽河油田矿区4个场地的瑞雷波实测数据，建立瑞雷波波速值与相关土体标贯击数的关系模型，反演测试场地剪切波速，探索利用瑞雷波评价场地的方法。利用瑞雷波波速的空间分布规律，对测试场地进行初步分层，并编制了相应的分析程序。

关键词： 瑞雷波；场地地基土；频散特性；标贯击数；回归分析；剪切波速

中图分类号：TU431 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）01-0111-02

0 引言

最近几年，我国在城市建设、交通、资源等方面投入了大量的物力与财力，为工程项目的地质勘测及项目质量检验创造了机遇，并且，也向项目地质勘测领域发起了挑战。对于面波探测技术来讲，其是项目工程地质勘测的一项间接方法，不但具备经济性好、操作简单、效率较高等优点，同时还能够把钻探中的点勘测拓展成线或面的勘测，能够更加精准、客观的对地下信息进行了解。所以，其被广泛应用到各项工程领域中，发挥重要的价值。[1-5]。本文结合辽河油田矿区4个场地的瑞雷波实测数据，建立瑞雷波波速值与相关土体标贯击数的关系模型，反演测试场地剪切波速，探索利用瑞雷波评价场地的方法。利用瑞雷波波速的空间分布规律，对测试场地进行初步分层，并编制了相应的分析程序。

1 瑞雷波检测原理

在不均匀介质中传播的瑞雷波具有一个非常明显的特性，即频散，也就是说，在不同频率介质中，瑞雷波的传播速度也是不同的，此时，我们就可以利用这项特性对介质内部情况进行相应的探测。利用瑞雷波检测地质情况的时候，可以采取以下几项手段：其一，直接利用瑞雷波频散曲线的特点对地质展开分层处理，之后初步评价地层波速；其二，在同一直线基础上分析多个测时间，通过追踪、连接等方法将频散曲线（vR-H）上的相同特性点描绘到物探剖面上。

1.1 瑞雷波工程勘测原理 在自由界面例如地面上开展纵向激振操作时，都可以在表面形成瑞雷波，同时，瑞雷波存在三个同项目工程质检相关的重要特性：其一，在分层介质内，瑞雷波具备频散的特点；其二，瑞雷波波长不相同，地质的穿越深度也不一致；其三，瑞雷波的传递速率同介质的物理特性质检存在密切关联。通过研究显示，瑞雷波的能量大约为整体地震波总能量的65%，并且通常聚集在地表下的波长范围内，其传播速度就是波长的一半。因此，一般而言均是将瑞雷波检测深度定义成半个波长。除此之外，波长和频率、速率间的关系如下，假设瑞雷波的传递速率为Vr，频率为fK，则波长为：λr=Vr/fK（1）

如果传递速率不改变，则频率同测试深度成反比例关系。瑞雷波测试方法可以划分成两种：其一，瞬时法；其二，稳态法。此二者的分别就在于震源。瞬时法就是指在激振阶段产生的一定频率瑞雷波，通过复波的形式进行传递；稳态法就是指在激振阶段产生的单一频率瑞雷波同时持续以单一的频率进行传递。数据的现场收集应用竖向排列的形式，先进行现场实验，依据现场的实际情况，选取相应的工作参数，例如：长度、间隔、偏移距离等。

室内资料处理主要是对道间波形进行互相关，

由R21（f）得Δ？准（f），用Vr=2πfΔX/Δ？准，对不同频率瑞雷波进行计算，绘制相应的频散曲线，结合频散曲线，对分层深度以及速度展开计算。

1.2 通过频散曲线进行直接分层 在以瑞雷波速度-频率为坐标系的瑞雷波频散曲线上，每一点都表示一个频率瑞雷波的传播速度。一般而言，瑞雷波曲线均是一vR为横坐标，深度为纵坐标，如图2所示，在曲线中某一点瑞雷波的速度均表示在此点以上地层速度的平均值，所以，曲线随着深度变化的情况，在某种程度上体现了地层波速变化的情况。进而利用此项特点勘探地层。如图2所示，将地质钻探结果和工程实测频散曲线进行比较，可以了解到图中左侧是实际测量结果，根据拐点进行分层，右侧是钻孔描述的分层情况，这两种情况非常接近。钻探的结果超过2.0m的为粉质粘土层。2.0m至7.0m为细砂，松散。7.0m以下为细砂，中密。图2为工程某一个测点的频散曲线图。如果在勘探现场沿着某一个测试剖面进行滚动，按照一定的距离展开多点测试，就可以得到相应的频散曲线，其中在水平方向之上的一些有规律的特征点，就可以充分体现测试场区地层的实际情况，将这些特征点进行一定的连接，就可以形成相应的地层分界面。

1.3 反演分析及绘制地层波速vs曲线图 在地质较为均匀的基础上，例如：平原冲击形成的厚层粘土等，通过瑞雷波的相关公式以及半波长原理，可以对vs值展开一定的估算，进而取得相应的测定结果。但是在进行检测的时候，一般都会遇到一些层状的地质。一定要通过反演分析软件展开模拟，对各个土层的剪切波速vs进行计算。

2 瑞雷波速与标贯击数之间关系模型研究

近些年来，瑞雷波地基承载力的测试方法在我国得到了广泛的应用，并且已经成为一种全新的测试方法。现阶段，通过相关实践测试说明，瑞雷波的标准贯入击数和剪切波速度之间呈现服从指数关系，即：VS=ANB（5）

式中，N-标准贯入击数；VS-剪切波速度；A、B-待定系数，针对不同的区域或者同一区域的不同土层而言，A、B系数的取值均是不相同的，因此，根据实践结论规定了一些经验公式。通过瑞雷波速度与标准贯入击数的相关关系。通过对辽河油田矿区4个典型场地进行测试，回归分析，获得了场地粉质粘土、砂土的标贯击数与瑞雷波速之间的回归方程。

其相关系数为：R=0.82

砂土：N63.5=-215.31+47.3651n（VR） n=30（7）

其相关系数为：R=0.89

3 结论

对于瑞雷波勘探技术而言，特别是多道瞬态形式的技术，其已经成为了最近几年比较新型的一种工程物探技术，主要就是因为其各方面的优点深受相关工作人员的喜爱与关注。①瑞雷波的传播速率和传播介质动泊松比有着一定的关系，并且和介质剪切波速度也有着一定的关系，能够良好的将传播介质的物理学性质反应出来。②通过对辽河油田矿区4个典型场地的瑞雷波测试，获得了粉质粘土和砂土的标贯击数与瑞雷波速之间的关系方程，标贯击数与瑞雷波速之间表现出良好的相关性。③基于测试结果利用VC++语言编制了辽河油田矿区共层场地特性瑞雷波评价应用程序。

参考文献：

[1]刘云桢，王振东.瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J].物探与化探，1996，20（1）.

[2]黄嘉正，周鸿秋，关小平.工程地质中瑞利波勘探的理论初探[J].物探与化探，1991，15（4）.

[3]建设部.多道瞬态面波勘察技术规程（JGJ/T 143-2004）[S].北京：中国建筑工业出版社.

[4]关小平，黄嘉正，周鸿秋.工程勘探中稳态瑞利波法解释理论的探讨[J].地球物理学报，1993，36（1）.

[5]杨成林.瑞利波勘探[M].北京：地质出版社，1993.