基于Rayleigh Wave現場試驗評價場地地基土研究

畢丹BI Dan

（中油遼河工程有限公司，盤錦124010）

0 引言

最近幾年，我國在城市建設、交通、資源等方面投入了大量的物力與財力，為工程項目的地質勘測及項目質量檢驗創造了機遇，并且，也向項目地質勘測領域發起了挑戰。對于面波探測技術來講，其是項目工程地質勘測的一項間接方法，不但具備經濟性好、操作簡單、效率較高等優點，同時還能夠把鉆探中的點勘測拓展成線或面的勘測，能夠更加精準、客觀的對地下信息進行了解。所以，其被廣泛應用到各項工程領域中，發揮重要的價值。[1-5]。本文結合遼河油田礦區4個場地的瑞雷波實測數據，建立瑞雷波波速值與相關土體標貫擊數的關系模型，反演測試場地剪切波速，探索利用瑞雷波評價場地的方法。利用瑞雷波波速的空間分布規律，對測試場地進行初步分層，并編制了相應的分析程序。

1 瑞雷波檢測原理

在不均勻介質中傳播的瑞雷波具有一個非常明顯的特性，即頻散，也就是說，在不同頻率介質中，瑞雷波的傳播速度也是不同的，此時，我們就可以利用這項特性對介質內部情況進行相應的探測。利用瑞雷波檢測地質情況的時候，可以采取以下幾項手段：其一，直接利用瑞雷波頻散曲線的特點對地質展開分層處理，之后初步評價地層波速；其二，在同一直線基礎上分析多個測時間，通過追蹤、連接等方法將頻散曲線（vR-H）上的相同特性點描繪到物探剖面上。

1.1 瑞雷波工程勘測原理 在自由界面例如地面上開展縱向激振操作時，都可以在表面形成瑞雷波，同時，瑞雷波存在三個同項目工程質檢相關的重要特性：其一，在分層介質內，瑞雷波具備頻散的特點；其二，瑞雷波波長不相同，地質的穿越深度也不一致；其三，瑞雷波的傳遞速率同介質的物理特性質檢存在密切關聯。通過研究顯示，瑞雷波的能量大約為整體地震波總能量的65%，并且通常聚集在地表下的波長范圍內，其傳播速度就是波長的一半。因此，一般而言均是將瑞雷波檢測深度定義成半個波長。除此之外，波長和頻率、速率間的關系如下，假設瑞雷波的傳遞速率為 Vr，頻率為 fK，則波長為：λr=Vr/fK（1）

如果傳遞速率不改變，則頻率同測試深度成反比例關系。瑞雷波測試方法可以劃分成兩種：其一，瞬時法；其二，穩態法。此二者的分別就在于震源。瞬時法就是指在激振階段產生的一定頻率瑞雷波，通過復波的形式進行傳遞；穩態法就是指在激振階段產生的單一頻率瑞雷波同時持續以單一的頻率進行傳遞。數據的現場收集應用豎向排列的形式，先進行現場實驗，依據現場的實際情況，選取相應的工作參數，例如：長度、間隔、偏移距離等。

圖1 瑞雷波測試原理

室內資料處理主要是對道間波形進行互相關，

由 R21(f)得 Δφ(f)，用 Vr=2πfΔX/Δφ，對不同頻率瑞雷波進行計算，繪制相應的頻散曲線，結合頻散曲線，對分層深度以及速度展開計算。

1.2 通過頻散曲線進行直接分層 在以瑞雷波速度-頻率為坐標系的瑞雷波頻散曲線上，每一點都表示一個頻率瑞雷波的傳播速度。一般而言，瑞雷波曲線均是一vR為橫坐標，深度為縱坐標，如圖2所示，在曲線中某一點瑞雷波的速度均表示在此點以上地層速度的平均值，所以，曲線隨著深度變化的情況，在某種程度上體現了地層波速變化的情況。進而利用此項特點勘探地層。如圖2所示，將地質鉆探結果和工程實測頻散曲線進行比較，可以了解到圖中左側是實際測量結果，根據拐點進行分層，右側是鉆孔描述的分層情況，這兩種情況非常接近。鉆探的結果超過2.0m的為粉質粘土層。2.0m至7.0m為細砂，松散。7.0m以下為細砂，中密。圖2為工程某一個測點的頻散曲線圖。如果在勘探現場沿著某一個測試剖面進行滾動，按照一定的距離展開多點測試，就可以得到相應的頻散曲線，其中在水平方向之上的一些有規律的特征點，就可以充分體現測試場區地層的實際情況，將這些特征點進行一定的連接，就可以形成相應的地層分界面。

圖2 利用頻散曲線的明顯拐點進行分層

1.3 反演分析及繪制地層波速vs曲線圖 在地質較為均勻的基礎上，例如：平原沖擊形成的厚層粘土等，通過瑞雷波的相關公式以及半波長原理，可以對vs值展開一定的估算，進而取得相應的測定結果。但是在進行檢測的時候，一般都會遇到一些層狀的地質。一定要通過反演分析軟件展開模擬，對各個土層的剪切波速vs進行計算。

圖3為縱波、剪切波和瑞利波速度與波松比關系，從圖中可以看出，剪切波速與瑞雷波速基本上呈線性關系，所以通過瑞雷波速評價場地土類型也是可行的。

2 瑞雷波速與標貫擊數之間關系模型研究

近些年來，瑞雷波地基承載力的測試方法在我國得到了廣泛的應用，并且已經成為一種全新的測試方法。現階段，通過相關實踐測試說明，瑞雷波的標準貫入擊數和剪切波速度之間呈現服從指數關系，即：VS=ANB（5）

式中，N-標準貫入擊數；VS-剪切波速度；A、B-待定系數，針對不同的區域或者同一區域的不同土層而言，A、B系數的取值均是不相同的，因此，根據實踐結論規定了一些經驗公式。通過瑞雷波速度與標準貫入擊數的相關關系。通過對遼河油田礦區4個典型場地進行測試，回歸分析，獲得了場地粉質粘土、砂土的標貫擊數與瑞雷波速之間的回歸方程。

其相關系數為：R=0.82

其相關系數為：R=0.89

圖5 砂土標貫擊數與VR的擬合曲線

3 結論

對于瑞雷波勘探技術而言，特別是多道瞬態形式的技術，其已經成為了最近幾年比較新型的一種工程物探技術，主要就是因為其各方面的優點深受相關工作人員的喜愛與關注。①瑞雷波的傳播速率和傳播介質動泊松比有著一定的關系，并且和介質剪切波速度也有著一定的關系，能夠良好的將傳播介質的物理學性質反應出來。②通過對遼河油田礦區4個典型場地的瑞雷波測試，獲得了粉質粘土和砂土的標貫擊數與瑞雷波速之間的關系方程，標貫擊數與瑞雷波速之間表現出良好的相關性。③基于測試結果利用VC++語言編制了遼河油田礦區共層場地特性瑞雷波評價應用程序。

[1]劉云楨,王振東.瞬態面波法的數據采集處理系統及其應用實例[J].物探與化探,1996,20(1).

[2]黃嘉正,周鴻秋,關小平.工程地質中瑞利波勘探的理論初探[J].物探與化探,1991,15(4).

[3]建設部.多道瞬態面波勘察技術規程(JGJ/T 143-2004)[S].北京:中國建筑工業出版社.

[4]關小平,黃嘉正,周鴻秋.工程勘探中穩態瑞利波法解釋理論的探討[J].地球物理學報,1993,36(1).

[5]楊成林.瑞利波勘探[M].北京:地質出版社,1993.