瑞雷波勘探方法技術及在巖土工程中的應用研究

李永楊 （安徽建筑大學勘測設計研究院，安徽 合肥 230022）

1 研究背景

瑞雷波是沿地表傳播的一種彈性波。1887年英國科學家瑞雷(Rayleigh)在求解自由表面半空間中的平面彈性波場時預言了均勻半空間中存在一種振幅沿縱向呈指數衰減的彈性波，這種彈性波的速度小于同一介質中的縱波和橫波的速度，質點運動軌跡為一逆向橢圓，后來人們從天然地震記錄中證實了這種面波，并稱其為瑞雷波或瑞雷面波。

瑞雷面波勘探技術是一種新的淺層地震勘探技術，該技術利用面波的頻散特性來測試分析地下介質特性。利用瑞雷面波頻譜分析法能測量常見地基工程各分層介質的剛度、強度，基層、墊層壓實度，在評價復合地基承載力以及診斷各種病害體(如下沉、裂縫、缺陷、脫空等)時，不需要鉆孔取樣，只需在結構的表面上用一個力錘施加瞬時的垂直沖擊，產生一組以振源為中心具有各種頻率成份并沿地表一定深度向四周傳播的瑞雷面波，采用調整力錘重量或不同的錘頭可以獲得含有各種頻率成份的瑞雷面波信號，通過頻域的互譜分析和相干分析技術，可以達到測試不同深度分層介質力學參數的目的，實現路面質量無損檢測。與傳統方法比較，瑞雷面波法檢測速度快、效率高，該技術在工程質量探測中有廣闊的應用前景，并具有重大的理論價值和工程實用價值。

2 瑞雷面波的基本原理

在彈性半空間中，除體波外還存在表面波。瑞雷面波是一種重要的表面波。在均勻彈性半空間中，瑞雷面波的質點運動由豎直分量和水平分量組成。實際上瑞雷面波是由縱向傳播的壓縮波和水平面內傳播的SV波耦合而成的。在地表附近，相對于波的傳播方向，質點的運動軌跡表現為一逆行橢圓，在大多數情況下，面波在地面的傳播僅限于一個波長范圍之內。瑞雷面波的振幅隨深度的增加而迅速減小，在1.5倍波長深度處的豎向分量幅值只有地表處的1/10。

Miller(1955)對半空間在表面源荷載作用下的波場給出了Miller的研究成果。體波以半球形的波陣面向外傳播，其振幅在半空間內部和表面分別按和衰減；瑞雷面波以圓柱形波陣面向外傳播，其振幅都按衰減；在半空間表面瑞雷面波產生的振幅遠比剪切波和壓縮波大得多。壓縮波傳播速度最快，剪切波其次，瑞雷面波最慢。Miller還研究了3種彈性波占總輸入能量的百分比：瑞雷面波占67.3%，剪切波占25.8%，壓縮波占6.9%。

不同頻率的波速度有一定的差異性，稱為頻散。瑞雷面波在均勻地層中傳播時，傳播速度不隨頻率的變化而變化，即均勻介質中的瑞雷面波無頻散特性。多層介質條件下瑞雷面波發生頻散，且具有如下特征規律。

①頻散曲線變化規律和層速度的關系：當頻率發生變化時，瑞雷面波速度會隨勘探深度的變化而逐漸趨近該深地層層速度。

②頻散曲線變化規律與層厚度的關系：當層厚度發生變化時，有頻散曲線可知，相應位置的拐點位置明顯向低頻方向移動，即拐點的位置與層厚度存在密切關系。

③對巖石或土體，或其它傳播介質，其礦物成分、結構、密度、空隙度是決定瑞雷面波傳播速度的主要因素，這也是進行瑞雷面波無損檢測的理論依據。不同頻率的瑞雷面波具有不同的波長，其平均速度就反映了不同深度范圍內的介質性質。通過分析頻散曲線圖，用拐點法或漸近線法確定各分層介質的分層界面，然后用等效半空間法計算獲得各層的瑞雷面波波速，再建立瑞雷面波速與路基路面分層介質物理力學參量之間的對應關系式，從而實現由通過實測的瑞雷面波對各類工程進行探測。

3 現場檢測方法

瑞雷波檢測方法分為瞬態法和穩態法兩種，這兩種方法的區別在于震源不同。穩態法是由穩態信號激振器激發出不同頻率面波，形成頻散曲線（速度頻率或波長），可以得出剪切波速度和各種彈性模量。在土壤中測深100m，在巖層能達到200m。穩態法的優點在于具有較大的抗干擾力，高效的信號采集；瞬態法是由人工瞬時激發出瑞雷波信號，通過頻譜分析，計算出各頻率波速，并形成頻散曲線，達到勘測的目的。在土壤中測深50m，在巖層能達到100m。瞬態法的優點在于輕便、高效。

本文勘探實例中采用的是瞬態瑞雷波法，現場數據采集采用縱排列接收瑞雷波。首先做現場試驗，根據場地情況，選擇合適的工作參數，如偏移距、道間距、記錄長度、采集間隔等（見圖1）。

4 工程實例分析

4.1 實例1：地下均勻地層場地和3 層地層場地檢測

如圖2為實測的面波勘探經處理后的頻散曲線。從圖2（a）中可看出隨著勘探深度增加不變，這說明該場地地層為中各向均勻的同一地層。從圖2（b）中可看出隨著深度的增加不斷增加，明顯分為3層，說明該場地由3層介質組成，地質鉆探和靜力觸探的資料也證實了這一點。

以上結論說明，在無限半空間均勻介質中，瑞雷波速度僅取決于介質的性質，此時無頻散現象。當地下為層狀介質或存在速度梯度時，瑞雷波的速度隨著波長的變化而變化，面波的頻散就意味著地下為層狀介質或存在速度梯度，從圖2中可以很明顯的看出來。

4.2 實例2：地基處理質量檢測

某工程場地系軟土地基，需對地基進行處理，經勘察確定此地基為含水量較低的素填土和雜填土，決定采用分層碾壓法進行地基處理。為檢測其地基處理效果，采用瑞雷波勘探法來進行質量評價。圖3（a）為所檢測場地的面波實測信號，經處理后得到頻散曲線圖如圖3（b）所示。由圖可見瑞雷波頻散曲線規則，拐點清楚。分析得出0m～2m深度范圍內波速為265m/s，3m～6m波速為225m/s；6m～9m波速為205m/s，9m～16m波速為185m～210m/s，16m深度下波速變小。可見場地處理加固深度為9m，影響深度為16m。處理后的地基強度增加，瑞雷波速度明顯增大，地基處理取得了良好的加固效果。

5 結 論

瑞雷面波勘探是一種新型的地球物理勘探方法。由于該方法具有操作簡便、探測速度快、對檢測場地要求不高且能一次獲得與深度相關的地層瑞雷面波速度參數的特點，因而在工程地質勘察和工程質量檢測領域得到了廣泛的應用。同時瑞雷面波勘探對工程的質量檢測，具有非破損、大范圍檢測等優點，在工程勘察領域具有良好的應用前景。

[1]楊成林,等.瑞雷波勘探[M].北京：地質出版社,1993.

[2]嚴壽民.瞬態瑞雷波勘探方法[J].物探與化探,1992（2）.

[3]吳世明,曾國熙,陳云敏,等.利用表面波譜分析測定土層波速[J].地質工程與工程振動,1988（9）.

[4]王振東.面波勘探技術的新進展[A].工程物探論文集[C].昆明:云南科技出版社,2006.

[5]王興泰.工程與環境物探新方法新技術[M].北京:地質出版社,2003.