瞬態面波及地震影像在巖土工程勘察中的應用

葉 章

(山西省勘察設計研究院，山西 太原 030013)

0 引言

多道瞬態面波法能夠較好地解決巖土工程勘察中淺部的一些疑難雜癥，例如對建設場地進行地層劃分、尋找滑坡體滑動面、地層夯前夯后對比、以及尋找黃土洞等。我院從2005年以來，開展了多項多道瞬態面波工作。本文以某機場為例，在該機場飛行區、航站區及導航工程等巖土工程勘察中進行了物探測試工作，物探工作采用瞬態面波及高密度地震影像，通過面波測試對勘探區內的地層、滑坡體及地層夯前夯后進行物探解釋，通過高密度地震影像對勘探區內的土洞發育情況進行物探解釋，為今后巖土工程勘察提供一定的參考依據。

1 工作原理

面波在地球表層進行傳播，其傳播特點是同等波長能反映出地層巖性在水平方向的規律變化情況，而面波能采集淺層不同深度范圍內的各種波長數據，因而能反映地層從淺到深不同深度范圍內的地質變化情況。

多道瞬態面波法是利用瑞利面波在地下地層傳播過程中，其振幅隨深度衰減能量基本限制在一個波長范圍內，某一面波波長的一半即為地層深度(半波長解釋法)，即同一波長的面波的傳播特性反映地質條件在水平方向的變化情況，不同波長的面波的傳播特性反映不同深度的地質情況。在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產生一定頻率范圍的瑞利面波，再通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞利波分離開來，從而得到Vr—f曲線或Vr—λ曲線,通過解釋,獲得地層深度及面波速度。

2 工程概況

該機場建設場地包括飛行區、航站區及導航工程等。本次物探工作對該機場地基處理及土方工程場地進行了物理勘探工作，主要目的是為了查明各面波點的地層情況及各層深度，通過面波測深剖面對勘探區內的地層及滑坡體進行物探解釋，通過高密度地震影像對勘探區內的土洞發育情況進行物探解釋，為巖土工程勘察提供依據。本次物體測試工作依據JGJ/T 143—2004多道瞬態面波勘察技術規程及有關規范進行。完成工作量包括：面波勘探點31個，高密度地震影像剖面5條。

3 儀器設備

本次物探工作使用北京市水電物探研究所研制生產的SWS-3型多波列數字圖像工程檢測儀，其他輔助設備有筆記本電腦激光彩色打印機。激發震源用24磅大錘，面波接收使用4 Hz檢波器及道距不同的接收電纜。高密度地震影像接收使用28 Hz檢波器及道距不同的接收電纜。

4 勘探成果

4.1 地層劃分

在呂梁民用機場的巖土工程勘察中，通過面波勘探，形成頻散曲線圖，最后繪制了地質剖面圖，圖1和圖2為波速剖面圖及地層剖面圖，圖3～圖6為頻散曲線圖。

在圖1中，地表以下埋深6.0 m～25.0 m，為一黃土層，平均波速190 m/s,下面為粉質粘土層，平均波速250 m/s,M8點20 m以下為粉質粘土夾姜石層，平均波速330 m/s。

在圖2中，上部8.0 m～15.0 m，為黃土層，平均波速200 m/s,下面為粉質粘層，平均波速240 m/s,M18點15 m以下為粉質粘土夾姜石層，平均波速330 m/s。。

4.2 尋找滑坡滑動面

面波頻散曲線的特征及其變化與地下地質條件，如各層的厚度、波速等密切相關，分析這些變化規律和特征，可以初步確定地層的層數以及各層的厚度和速度可能的范圍，再通過對曲線的綜合解釋，并結合已有地質資料，最終可確定出各層的厚度及波速，達到地質分層，尋找滑床等滑坡探測的目的。

本次物探工作，沿滑坡體東西向布置了兩條面波剖面Ⅲ剖面和Ⅳ剖面。

通過分析各面波點的頻散曲線(圖3～圖6)，在Ⅲ剖面上M1,M2,M3,M4點的頻散曲線分別在14 m,20 m,8 m,8 m處出現較強的拐點，波速明顯變小(見頻散曲線)，說明該深度地層出現了低速軟弱層，該層較松散，透水性強，結合鉆孔勘探推斷為滑坡體的滑動面。該滑坡體的滑動面前沿較淺，后部較深。

4.3 夯前與夯后地層對比

為了查明各測試點的地層速度夯前和夯后變化情況及強夯影響深度，我院對某航空運動學校項目試夯工程場地進行了面波測試工作，為試夯檢測提供依據。本次面波測試工作共完成面波測試點4個，其中夯前2個，夯后2個，測試工作依據JGJ/T 143—2004多道瞬態面波勘察技術規程進行。面波測試的頻散曲線夯前后對比見圖7和圖8。

由圖7，圖8可以看出，所測瑞利面波曲線規則清楚。1號點，通過分析曲線，5m以上夯前夯后波速值有明顯提高，由130 m/s～150 m/s提高到140 m/s～180 m/s。5 m以下曲線將近重合，說明強夯影響深度為5 m。2號點，通過分析曲線，4.5 m以上夯前夯后波速值有明顯提高，由130 m/s～160 m/s提高到140 m/s～180 m/s。4.5 m以下曲線將近重合，說明強夯影響深度為4.5 m。

根據瑞利面波測試分析，強夯后，4.5 m～5 m以上強夯加固效果明顯，波速值由130 m/s～160 m/s提高到140 m/s～180 m/s。

4.4 探測黃土洞

本次物探工作的土洞勘察采用了地震影像方法，現場共完成了5條地震影像剖面，分別繪制了地震影像成果圖，如圖9所示。

據圖9剖面分析可知，在該剖面30道～34道上，波形出現了明顯的不延續或繞射，其同相軸呈V字形，推斷分析為土洞的反映，該土洞埋深約6 m～8 m，直徑約1 m～1.5 m。后通過開挖證實了地震影像勘探的正確性。

5 結論

根據瑞利面波勘探分析，由于場地內高差比較大，所以各點地層埋深和厚度相差較大。勘探場地地層情況上部為黃土層，厚度5.0 m～25.0 m不等，下部為粉質粘土層，薄的3.0 m～5.0 m，厚的測試深度范圍內未探測到底部。再下面為粘土夾姜石層，測試深度范圍內未探測到底部；場地內滑坡體滑坡面后部較深，約15 m～20 m，前部較淺，約5 m。

本次土洞的地震影像探測，共發現四個土洞異常，推斷分析埋深6 m～12 m不等，土洞直徑0.5 m～1.0 m。

6 結語

在巖土工程勘察中采用面波及地震影像，開展這些方法進行勘察的不僅工期較短，而且能較好的利用它對場地范圍內地層、地質條件及場地內一些不良地質條件(如滑坡、黃土洞)進行分析解釋。希望本文的試驗數據結果對今后巖土工程勘察手段提供一定的借鑒。