天然源面波在削峰填谷場地中的應用

中圖分類號：TU195 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0169-05

Abstract：Withtheincreasingdemandforgeotechnicalengineeringandgeologicalexploration，naturalsourcesurfacewaves， asafastandnon-destructivegeophysicalexplorationtechnology，arelessafectedbytopographyandhavealargeexploration depth，andhavebeenwidelyusedinrecentyears.Thispaperstudiestheaplicationofnaturalsourcesurfacewavesin detectingtheboundaryofgeotechncallayersinhighfillprojectsinpeak-cuingandvallyfilingsites，aimingtoimprovethe identificationabilityandboundaryaccuracyofundergroundstructures.Throughthecombinationoffieldtestinganddilling，the feasibilityandeficiencyofnaturalsourcesurfacewavedetectiontechnologyhavebeenverified，providingnewideasandmethods foraccurate detection of rock and soil boundary.

Keywords：natural sourcesurface wave;highfll;rockandsoilstratfication;apparentshear wavevelocity；unevensettlement少，需根據場平后地基土組成形式以及建筑物的結構形式、荷載，針對每一個建構筑物提出可行的基礎形式及持力層。填方區經施工處理后還會有一定的固結沉降，而地基土的不均勻沉降會造成建筑物結構的破壞。

削峰填谷工程作為一種常見的地形改造和土地利用方式，近年來在城市建設、基礎設施建設和環境保護等領域得到了廣泛應用。然而，隨著工程規模的擴大和技術要求的提高，面臨的工程技術難題也日益復雜。削峰填谷工程通常涉及不同類型的土壤和巖石層，地質條件的多樣性使得施工難度增加。高填方場地面臨的工程技術問題如下。

一是高填方地基的沉降及不均勻沉降問題。高填方突出的巖土工程問題是工后沉降和工后差異沉降，處理和填筑后應保證變形均勻、填筑密實、地基穩定。如何準確評估地質情況，選擇合適的施工方案，成為一個重要的技術挑戰。

本文依托工程實例，應用天然源面波勘探技術通過數據處理與分析，結合場地地質條件系統闡述了高填方場地的面波信號，分析了該類場地視橫波速度的特點與分布規律。在對比測區已有鉆探資料的基礎上，提高了物探成果解譯的準確性，為該類工程提供了一種有效的勘探手段。

1 研究概述

1.1 勘查區概況

二是高填方深厚填土區基礎選型及樁基施工的復雜困難性。多數削峰填谷工程均面臨填方厚度大，屬半挖半填地基。部分建筑跨越挖方區（基巖區）和填方區，因大規模、大厚度的填方沉降變形國內經驗較

擬建場地所在區域原始地貌屬于丘陵低山地貌，山巒起伏、溝谷縱橫，地形起伏較大，原始地面高程范圍在 421.83～648.79m ，最大高差約 226.96m 。原始地形條件下，工程建設的適宜性較差。為了滿足工程建設需要，對整個園區進行削峰填谷場平工作。根據場平設計資料，近期啟動建設的一期主要為填方區域，設計標高在 518.8～554.4m 。

1.2 場地地層分布

根據前期地質調查工作及區域地質資料，結合已施工鉆孔深度范圍內揭示的地層及地層成因顯示，本次探測場區地層分為以下2種。

1.2.1 近期人類活動形成的地層

該層主要由壓實填土（ 構成：為原始場地就地取材削峰填谷，從挖方區轉移到填方區的粗（巨）粒土夯實回填而成。主要成分為強＼～中風化砂巖、頁巖、砂質頁巖，粒徑一般 2～200mm ，最大直徑 1.0m ，堆填時間約 0.1～1.2a ，干燥，經分層強夯處理，結構中密為主，局部稍密或密實，工程力學性質不均勻，欠固結。該層層底埋深 0.50～124.8m ，層厚 0.50～124.80m ，平均厚度 48.0m 。該層主要位于場地中部溝谷地貌，呈南北向分布。

1.2.2 三疊系上統須家河組基巖 （T₃xj） ）地層

根據鉆探資料，該層主要由強風化砂巖（場地內局部揭露）中風化砂巖（場地穩定基巖，未揭穿）、中風化頁巖、中風化砂質頁巖（場地局部揭露）組成。

1.3場地地球物理特征

在一定時間范圍內，回填場地因不同深度的回填土受到的上部荷載隨深度而變化，導致其固結程度存在差異；回填土和下伏基巖物性狀態的不同，也造成了其彈性參數各不相同，這些都賦予在地質體的傳播中的微動信號（主要由瑞雷面波組成）具有不同的面波頻譜特性和相速度，而隨著傳播距離的增加，面波的能量會逐漸向外擴散，導致波幅減弱（面波的發散性）。上述特性使得天然源面波中富含了復雜的振幅、路徑等波形信息，由此便可以推斷自標地層的地質體結構信息，達到勘探目的。

本次勘探深度范圍內介質物性參數不同，存在速度差異。統計工作區各地層視橫波速度參數（表1），測區內各地層視橫波速度的特征：填土的視橫波速度通常在 100～500m/s 。這一范圍可能因填土的類型和壓實、固結程度而有所不同。密實的填土波速會相對較高，而松散的填土波速則較低。強風化砂巖的視橫波速度通常在 300～1200m/s 。風化程度較低、致密的砂巖定義的波速會更高，而在較強風化和相對松散的條件下，波速則會降低。分析認為，可以采用天然源面波探測解決相關地質問題。

2 工作方法

2.1 天然源面波探測方法

天然源面波探測是以平穩隨機過程理論為依據，從地球表面的微弱振動信號中提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結構信息的地球物理探測方法。簡而言之，就是從波形信號中提取其攜帶的地層結構信息，達到勘探目的。

2.2 測線布置

工作區經過土石方施工后，場地原始地貌已改變。根據已知資料，工作區原始溝壑呈“Y\"字形展布，此區域填方深度最大?？紤]到本次探測目的，在測區內布置2條測線，測線WD01大致沿“Y\"字形一枝展布，近南北向，沿線經過CK85，DT1、DT2號鉆孔；測線WD02橫跨“Y\"形溝壑分支處展布，近東西向，沿線經過CK47、DT2兩個鉆孔，2條測線有一交點，以達到相互驗證的目的。測線布置如圖1所示，圖中填土等厚度線為根據初勘鉆孔揭露情況模擬得出。

2.3 臺站布設

本次探測采用合肥國為電子有限公司的GN309微動探測系統，采用RTK實地進行定點，確定臺站實際高程及中心位置，本次現場采集采用線性觀測臺陣，此類臺陣與嵌套臺陣類似，即有臺陣中心點為測點樁號，臺陣盡量以等間隔（即道間距）沿某一固定方向布置。本次現場數據采集道間距為 10m ，單個測點采用9個站組成一字型臺陣，觀測半徑 40m_o 共使用20個臺站同時采集數據，即單次排列可測12個測點，待當前排列數據采集完成后，向后滾動12個檢波器，繼續觀測，本次實驗的微動探測觀測系統示意圖如圖2所示。

2.4一致性試驗

本次數據采集系統利用先進的基于互聯網的實時傳輸技術，以及配套的軟件平臺，便于采集人員遠程進行數據的采集和監測。采集時可以自由配置采樣參數，以實時評估所收集數據的質量，從而在需要時及時調整操作模式。此外，來自多個數據采集器的數據可以實時獲取。為了確保所收集數據的真實性和有效性，在正式工作之前對儀器進行了一致性試驗。所有儀器同步運行，共同工作了 15min 。所采集的數據波形在時間域上具有一致性，保證了信號在同一時間基準下處理，確保了數據的可靠性和有效性，達到了探測要求（圖3、圖4）。

2.5 數據處理

從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的2種方法是頻率-波數法（The Frequency-wavenumberPowerSpectralMethod，簡稱F-K法）和空間自相關方法（Spatical Autocorrelation Method，簡稱 SPAC 法）。F-K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時的混頻現象會使其結果惡化；SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經常無法準確提取，因此F-K法適合分析深部土層，而SPAC法適合分析淺部土層。結合本次目標深度，采用空間自相關方法進行數據處理。

首先從時序數據中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對頻散曲線進行反演獲得地下橫波速度結構，最后結合當地的地質背景對橫波速度結構作出地質解釋。

利用實際微動信號中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視橫波速度結構信息。常用的反演算法有半波法經驗公式反演，半波法經驗公式反演是一種采用經驗公式對頻散曲線進行反演計算的方法，探測目標剖面上對應的視S波速度的變化情況，以獲取相應的地層構造。該方法用于剖面上巖性的相對變化而無需反演橫波速度的絕對值。

計算視橫波速度半波法經驗公式如下

式中： s 為視橫波速度； v_r 為瑞雷波相速度； t_i=1/f_i 為周期；對應的深度一般取半波長。

計算出視S波速度后，可根據相速度頻散曲線算得視S波速度隨深度的變化曲線（vs-h曲線），再利用光滑差值等計算處理后，即可得到視S波速度的剖面圖。視S波速度不等于實際的S波速度值，是擁有速度量綱的物性參數，其變化趨勢可以反映出實際的S波速度變化，故可通過視S波速度的剖面圖進行地質診斷。

3 成果解譯

通過反演得到的視橫波速度成圖，結合測線范圍內的鉆孔資料、結合工作區已知資料綜合分析作出如下推測。

3.1測線WD01成果

測線里程 625，925，1000m 處分別為鉆孔CK85、

DT1、DT2，鉆孔揭露填土層厚度分別為 118.2、87.8、99.6m （成果圖內黑色豎線表示）。對比鉆探揭露情況，測線WD01成果圖整體趨勢大致分為3層。視橫波速度小于440m/s 劃分為第一層，層厚 20～75m ，為填土層。該層較松散、固結較差或含水率較高;視橫波速度 440～550m/s 劃分為第二層，層厚 25～30m ，為填土層，該層較密實、固結較好、含水率相對較低，鉆探施工時該段相對不易鉆進，表明該段土層相對密實；視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層，推測為填方前原始地層，為強-中風化砂巖。WD01探測成果剖面圖如圖5所示。

測線WD01為由北向南布置，根據已有資料，場地原始現場北端靠近山體，且剖面圖顯示第三層地層沿北邊逐步向淺層發育，與實際情況較為吻合。綜合分析可得填土層由北向南逐漸增厚，末端又有變淺的發展趨勢，整體呈現一凹狀發展形態，測線WD01填土層變化范圍為 36～120m 。

3.2測線WD02成果

測線里程 362，575m 處分別為鉆孔CK47、DT2，鉆孔揭露填土層厚度分別為 73.8，99.6m （成果圖內黑色豎線表示）。對比鉆孔揭露情況，測線WD02成果圖整體趨勢大致分為3層。視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層，層厚 20～65m ，推測為填土層，較松散、固結較差或含水率較高；視橫波速度 440～550m/s 劃分為第二層，層厚15～45m ，推測為填土層，較密實、固結較好，含水率相對較低;視橫波速度 550m/s 以上劃分為第三層，推測為填方前原始地層。WD02探測成果剖面圖如圖6所示。

測線WD02為由西向東進行數據采集，測線里程300.570m 均呈現下凹趨勢，推測為原狀“Y\"型溝壑分支處，測線WD02填土層變化范圍為 40～100m 。

綜上，本次探測成果均呈現較明顯的分層特性，各層速度相對均勻，且橫向呈相對連續特征，推測由于覆土壓力不同造成的固結差異引起。

4結束語

1）本次探測采用GN309微動探測系統，該系統具有基于互聯網的實時傳輸技術以及配套的軟件平臺，便于實時進行數據的采集和監測，數據質量可靠，反演剖面與鉆孔吻合程度較高。

2）根據成果推測，測線覆蓋范圍內填土層有較明顯分層，結合鉆孔成果，視橫波速度小于 440m/s 劃分為第一層，推測該層較松散、固結較差或相對富水； 440～ 550m/s 劃分為第二層，推測該層相對較密實、固結較好。

3）面波的頻譜特性和相速度因地層構造的不同而異，使得其傳播速度與頻率之間存在關系。通過對微動面波的頻散曲線進行分析，能夠有效評估地質情況并提高物探成果的解譯準確性。

4）在高填方場地中，填土的覆土壓力是影響填土固結狀態、進而影響工后沉降的一個重要因素，在實際應用中，可以通過室內大型固結模擬試驗對不同荷載下填土的固結特性加以研究。

5）探測成果表明，天然源面波法用于削峰填谷工程中的地層勘探有較好的應用效果，對于評價場區填土分布、填土固結程度具有現實指導意義，該方法不僅提高了地質條件評估的準確性，還為選擇合適的施工方案提供了重要支持，具有顯著的工程應用價值。

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