面波法在公路工程地質勘察中的應用研究

王景山 王玲玲

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院,河南鄭州 450000；2.河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司,河南鄭州 450052)

近年來,全國高速公路發展迅速,各地不斷有新的高速公路開工,勘察設計周期極短,尤其是勘察工作時間被大大壓縮。傳統方法對公路路基的勘察需耗費大量人力、時間,往往跟不上勘察設計的整體進度,導致項目延誤。快速、全面、準確地獲取沿線工程地質資料是當前形勢所迫。

面波勘探技術是近年來新興的一門技術,與傳統勘探方法相結合,具有準確、快速、經濟等特點,在高速公路路基勘察中取得了較好的應用效果。在河南省焦作至桐柏高速公路鞏義至登封段(以下稱鞏登高速公路)路基勘察中,采用面波勘察技術,取得了較好的效果。

1 概況

鞏登高速公路北起河南省鞏義市,南至河南省登封市,路線全長約43 km。該路北段為黃河、伊洛河沖洪積平原,中段為黃土丘陵地貌,南段為嵩山山前丘陵及傾斜平原地貌,地質條件復雜,在河流沖洪積平原、黃土沖溝內發育第四系全新統(Q4al)及其新近沉積土層,土質以粉質黏土、粉土為主,土質軟弱,厚度一般在10 m以內,大型勘探設備難以到位。為詳細查明該路段軟弱土層分布、地層結構及天然地基承載力情況,為路基設計、地基加固處理設計提供依據,勘察中采用了面波法。外業工作于2009年5月10日至2009年5月25日期間完成,2008年6月10日前完成了資料處理、解釋和報告編寫工作。

2 面波勘察原理

面波存在于地表面附近,沿地表面傳播,其穿透深度約相當于它的波長。頻率越高的波穿透深度越小,可以利用高頻波探測淺部地層；用低頻波探測深部地層。在震源激發的能量中,約有2/3的能量轉換為面波,且衰減速度比縱波和橫波慢。面波的振幅隨著距離增大,因此在遠離震源處,面波還有較大的振幅。瑞雷面波在分層介質中具有頻散特性,利用這種性質,可以根據頻散曲線劃分層位,求出各層速度。另外,面波的波速與介質的密度緊密相關,波速隨介質密度增大而增加,可以利用波速與密度的相關性計算密度。采用面波勘察,主要利用其以下三個基本特征：

圖1 面波速度與深度關系曲線示意

①在分層介質中,面波具有頻散特性。

波的傳播速度與頻率有關的現象稱為“頻散”。在半無限均勻彈性介質中,面波速度約為橫波速度的0.9倍,無頻散現象；而在分層的層狀半空間中,當波長很短時,波速約為上層介質橫波速度的0.9倍,當波長較長時,面波的速度約為最下層介質中橫波速度的0.9倍,當面波的半波長接近介質的分界面距自由界面的深度時,頻散曲線的變化較為顯著,如圖1所示。該特性是面波勘探的理論基礎。

②面波的波長不同,穿透深度也不同。

面波是一種表面波,其振幅隨離開自由表面的距離呈指數形式衰減,其能量一般都集中在介質表層約一個波長的深度范圍內。所以,一般認為,面波的穿透深度約為一個波長的深度。該特性為利用面波進行淺層勘探提供了依據。在實際應用中,取面波的穿透深度約為0.55～0.875倍的波長深度,具體隨地區和巖性的不同而變化。對一般巖石,可取0.65λR；對于土體,可取 (0.79 ～0.84)λR。由 λR=VR/f可知,面波不同的波長對應于介質在不同頻率下的面波速度,通過探測不同頻率下介質的面波速度,即可得到VR-λR關系曲線,也即頻散曲線。再根據面波在不同巖性介質中穿透深度與波長的關系,就可獲得VR-h關系曲線,也即速度—深度曲線,該曲線直接反映了地下某一深度范圍內的地質構造情況或介質的“軟”“硬”分布情況。

③面波傳播速度與橫波傳播速度具有相關性。

實測的VR值直接反映了測試深度以上各層的加權平均波速。而面波速度VR與橫波速度VS之間又具有以下確切的對應關系

其中 σ為巖土介質的泊松比,一般在0.25～0.50之間,介質越疏松,σ值越大。根據以上關系式可求得

利用該相關性即可得到地層的橫波速度。而橫波速度與介質的物理力學參數密切相關,橫波速度的大小直接反映了地層介質的“軟”、“硬”程度,如

其中E為介質的彈性模量,ρ為介質的密度。

所以,根據以上相關關系,采用經驗公式,并以已知的鉆孔和靜力觸探資料作為約束進行標定,即可直接由面波速度近似求取地層的容許承載力等參數。

在實際運用中,面波及橫波速度隨地下介質的不同而變化的幅度遠大于二者之間換算系數引起的波動變化量,所以,一般直接取0.93倍左右的橫波速度值作為面波速度值進行反推換算。

3 野外數據采集

通過試驗,本次勘探采用24道直線排列,1 m道間距,8 m偏移距,沿排列線兩端激發,2次疊加,連續探測觀測系統(第一個排列與第二個排列重復1道)。觀測排列布置如圖2所示。接收采用每道單個速度檢波器插置,激發采用63.5 kg標準慣入試驗錘落錘激發,記錄儀采用GEOPEN2404EP-48淺層地震儀,采樣間隔0.2 ms,記錄長度400 ms,全波接收(如圖3所示)。

圖2 野外觀測排列布置示意

圖3 實測記錄

4 資料處理

面波資料處理采用由河南省路通物探科技開發有限公司與中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院聯合研制開發的“瑞雷面波資料處理與解釋軟件”系統。該系統與傳統的面波處理方法相比具有以下幾個方面的優點：

①以人機交互方式,對面波在 τ-p域與時空域聯合提取,使得波場分離效果更佳。

②采用相鄰道法計算頻散曲線,提取的信息量更大,橫向分辨率得到明顯提高。

③以取對數積分方式代替傳統的富士變換方法,使得頻率或深度間隔可任意給定,提高了對深層的縱向分辨率。

通過以上改進,該處理系統在去除干擾和提高縱、橫向分辨率方面較傳統的處理方法有了質的飛躍,將其用于天然地基勘察、高填路堤壓實效果檢測、復合地基處理效果評價等方面的資料處理,均取得了較好的效果(如圖4所示)。

圖4 頻散曲線顯示

根據實測頻散曲線按以下計算公式進行地層劃分

式中 ：VR為面波速度/(m/s)；VRN、VR(N-1)為面波平均速度/(m/s)；HRN、HR(N-1)為層底深度/m 。

由計算出的面波層速度數據,即可繪制沿線20 m深度范圍內的面波速度剖面(如圖5所示)。

圖5 瑞雷波速度剖面(單位：m/s)

作為路基勘察的最終成果,往往直接用于描述地層巖土物理力學參數(如地層承載力等)。面波速度或橫波速度的大小雖然也直接反映了地層的軟硬程度,但為了便于工程運用,有必要將面波速度或橫波速度轉換為地層的承載力。從理論上講,由于影響地層承載力的因素較多,這種轉換關系是相當復雜的。經過多個勘察項目的實踐,總結出了如下經驗公式

式中：fk為天然地基容許承載力；VR為實測面波的速度；h為地層的埋藏深度；a為常系數；b和c為指數參數。

根據沿線鉆孔資料和靜力觸探資料,按以上關系式進行標定,也即解多元聯立方程,可求得適用于該工區的關系參數 a、b和c。

根據式(6),即可由面波速度直接近似求取沿線20 m深度范圍內的各地層容許承載力,并繪制出承載力分布剖面圖(如圖6所示),供設計人員參考。

圖6 地層承載力剖面(單位：k Pa)

5 資料對比解釋

將通過瞬態面波法勘探獲得的地層承載力剖面與通過鉆孔取芯試驗或靜力觸探試驗提取的地層承載力資料進行對比(如圖7),二者基本吻合,地層的“軟”、“硬”趨勢符合得較好。

圖7 面波資料與靜力觸探資料對比

從圖7可以看出,由面波速度根據近似經驗公式求取的地層承載力剖面,能較好地反映地層承載力在橫向上的變化趨勢,但因其加權平均效應使得在縱向上的分辨率較傳統方法低,這是該方法本身所固有的缺陷,從理論上很難完全克服。所以,就目前對面波法研究的現狀來看,縱向分層精度的提高是亟待解決的技術難題。根據面波法求取的地層承載力剖面,全面反映了該路段地基承載力的橫向分布情況,發現了不少低承載力異常段,如圖6的樁號K22+030～K22+090段,現場地表略微洼陷,而面波法勘探結果顯示地下1～5 m有明顯的低承載力異常。有關資料表明該處在20世紀70年代為一條灌溉溝,溝寬約15 m,深約5 m,后填平。測線與該溝呈約20°夾角斜交穿過,低承載力異常得到證實。這些低承載力異常段有時范圍很小,僅采用傳統的鉆井取芯或靜力觸探等方法進行勘察很容易被漏掉。如果這些低值異常恰好位于高填土路段或橋涵等構筑物部位,而在勘察和設計階段又被遺漏掉,就很容易造成日后的工程隱患。

6 結束語

本次面波法勘探在資料處理時采用 τ-p域與時空域聯合提取面波的方法,使波場分離效果相對于傳統的f-k域濾波有了明顯改善,提高了勘探成果的可靠性；采用相鄰道法計算頻散曲線提高了橫向分辨率。勘探成果經與鉆孔資料及靜力觸探資料對比基本吻合,能夠較真實地反映沿線地基承載力的連續變化情況,對局部的地質異常體也做出了明確的判斷,使工程設計和施工技術人員對沿線地基承載力的分布情況有了一個完整的把握,對高速公路的設計與施工具有很好的指導作用。

面波法用于路基勘察具有高效、低耗、全面、完整等優點,是傳統的工程勘察方法所無法具備的。在路基初勘階段,可考慮先進行面波勘查,在此基礎上再有針對性地布置部分鉆井取芯孔或靜力觸探試驗點,以完成驗證性勘查,這樣可大大縮短勘察周期,降低勘察成本。

面波法目前仍存在一些難以解決的技術問題,如層速度的計算問題、縱向加權平均效應問題等。為使該方法更加完善,更好地用于工程地質勘察,進一步的深入研究工作是必不可少的。但就目前已獲得的較高橫向分辨率來講,將該方法用于高速公路路基勘察,并結合少量的鉆孔或靜力觸探試驗工作來劃分軟基路段已基本成熟。相信該方法在高速公路路基勘察領域必將取得較好的經濟效益。

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