李凤之 迟永坤 齐霞

(沈阳地球物理勘察院 辽宁沈阳 110121)

1 前言

近年来,随着面波勘探中软件和硬件的发展及面波勘探技术理论的进一步完善,瞬态瑞雷波法越来越引起人们的重视,由于面波勘探与常规的地震勘探相比具有现场场地要求不高、快速经济、易于激发和识别、有效信号能量强、不受各地层速度的影响、浅部地层分辨率高等特点,使得面波勘探技术被广泛地应用于地基场地土类型和建筑场地类别的划分、建筑场地土层的划分、地基加固效果评价、灾害地质体调查等方面。

2 基本原理

瞬态瑞雷波法是通过锤击、落重乃至炸药震源,一般来说产生三种类型的波,即纵波、横波和瑞雷波,可用如下波动方程来描述它们:

式中:φ、Ψ分别为质点位移场的标量位和向量位,Vp、Vs分别为纵波、横波波速。

(1)式中的一个解为:

式中:

k为波数,vr为瑞雷波波速,A、B为常数,(2)式代表一个以速度 vr在介质表层传播的简谐波列,就是瑞雷波。其特征如下:

(1)瑞雷波在层状介质中传播的频散特征

在层状介质条件下,瑞雷波在介质中的传播速度是频率的函数,即瑞雷波速度随激发频率的变化而变化。该特性是瑞雷波勘探的理论基础,由于瑞雷波法不仅利用了波的运动学特征,更重要的是利用了波的动力学特征,而常规地震折射波法和反射波法主要利用波的运动学特征,且要求各层的波速或波阻抗有较大差异,因此瑞雷波对介质反映更细微。

(2)瑞雷波的穿透深度与波长的关系

瑞雷波水平振幅和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数衰减,主要能量集中在一个波长范围内。因此,可以认为瑞雷波的穿透深度为1个波长。根据瑞雷波理论,当深度 Z为λr的1/2时,瑞雷波某一波长的波速主要与深度小于λr/2的地层物性有关,该特性为利用瑞雷波进行浅层勘探提供了理论依据。

(3)瑞雷波振幅的特性

在同一激振条件下,瑞雷波的振幅与1/r成正比,体波的振幅与1/r成正比,即瑞雷波比体波衰减慢得多,离开振源一段距离,面波的能量将强于体波,这为我们在数据处理中提取面波的;有用信息提供了方便。

(4)瑞雷波速度与横波速度的相关性

瑞雷波波速和横波波速的转换关系为:

式中:σ为泊松比。

由(3)式可知,当σ从0增大到0.5,vR/vS的变化范围大致在0.87～0.95之间,第四系地层泊松比为0.4～0.47,可以认为对土体而言,vR、vS基本相等,其误差只有5%左右。

根据波速可测算出土层的各种力学参数,同时可方便对场地在水平方向的均匀性做出评价。

3 野外工作方法

瞬态多道瑞雷波勘探的现场工作布置如图1所示。

图1 野外工作布置图

其M处为测点,相邻检波器的距离为Δx,激振点位于检波器排列的一侧,和邻近检波器之间的距离也为Δx。Δx选择应和勘探深度相对应,随着勘探深度的变化,Δx的距离也应相应改变。

瞬态法勘探的结果,主要受激发的瑞雷波的频率影响,应保证激发的瑞雷波的频率范围与勘探深度匹配,且应保持足够的连续性。

震源一般采用落重法,即以一定的质量重块,提升一定的高度,自由下落撞击地面,从而产生瑞雷波。当进行浅部测试时,可采用小铁锤。这种震源产生的地震波的主频 f0可用下式表示:

式中:r0为重块或铁锤的底面的半径,M为震源质量。检波器采用垂直检波器,应垂直放置,使其与地面接触良好。

与反射法地震勘探方法相同,瞬态多道瑞雷波勘探也存在一个最佳窗口问题。由图2可见弹性波在时间空间域内传播时,其各种波型(直达波、折射波、反射波、声波和面波)均遵循各自的传播规律。

图2 各种波旅行时距曲线

瞬态多道瑞雷波法强调:(1)各道采样必须设计排列在面波域内,且采集到足够长的记录;(2)尽量使采集到的波型单一,即:不使直达波的后续或反射、折射波干扰面波,同时避免周围的干扰振动;(3)采集的波形不能失真。

有效信号和干扰信号在记录上难以区别时,应在同一激发点重复接收3～5次,使信号叠加,取其平均值,以加强有效信号,压制干扰。在测点的一侧激振和接收完成后,可把震源移至测点的另一侧重复上述步骤,把两侧的测量结果平均,做为该点的最终结果。

4 原始资料的整理与解释

(1)对原始资料进行整理、检查、核对和编录;

(2)确定面波时间域—空间域窗口;

(3)在频率—波数域内提取面波;

(4)进行频散分析并形成频散曲线图;

(5)根据频散曲线的变化,对各测点土层速度的变化范围作出解释;

(6)对资料做出地质解释,对各层的岩土工程性质做出评价。

5 应用实例

铁岭某输油站拟在回填土上建储油罐,回填厚度7m左右,用强夯法对回填地基进行加固。拟用多道瑞雷波勘探法测试回填土波速,对强夯效果做出评价。我们承担了该次勘察任务,分两次在该场地共测试了15个点。为了进行对比,其中2个是在未夯土上进行,另外13个是在夯土上进行测试的。本次工作采用仪器为美国 ES-2401浅层地震仪,仪器主要技术指标如下:

采样道数:24道;

记录长度:2048m s;

采样间隔:0.05～2m s;

仪器主机由微机控制工作,能对场地进行噪声监控,增加了数据的准确性。

本次测试采用12道接收,道间距为1m,震源移距1m,震源用18磅大锤敲击地面激振,采样间隔0.5m s,采样点数1024点,在排列两端多次进行激振,使信号叠加,以压制干扰,经计算处理后的频散曲线如图3所示。

测试结果表明,夯后土的平均面波波速有了明显提高,从未夯土的90m/s提高到250m/s以上,最高达到293m/s,波速提高了160m/s以上,说明了夯后土的密实度有了明显的提高。

图4是根据13个在强夯土区测试的面波波速绘出的平面等值线图。

图3 频散曲线

由图4可知,整个场地从左到右,面波波速由252m/s到280m/s以上,说明整个场地在水平方向上密实程度不均匀。

6 结束语

(1)面波勘探最关键的一点是如何获得良好的面波记录以保证其频散曲线的正确性。这就要求野外实际观测方法须进一步的改进、提高,合理地选择激发和接收,做好现场试验工作,选准仪器参数、道间距、偏移距,方能取得质量较高的面波原始资料。同时对新震源的研究也是相当重要的。

图4 场地回填土层面波波速平面等值线图

(2)瞬态面波法检测技术应用于回填土层和第四系岩土层,其分层精度和分辨率及所提供的岩土物理力学指标,是其它物探方法难以达到的。它还具有成本低、周期短、仪器轻便、对检测场地要求低等优点。