苑永健，李昌存

(河北理工大学资源与环境学院，河北唐山 063009)

多道瞬态瑞雷波法在地基强夯质量检测中的应用探讨

苑永健，李昌存

(河北理工大学资源与环境学院，河北唐山 063009)

为了提高地基承载力，减少填土的不均匀沉降，对软土地基进行强夯加固是一种十分经济有效的地基处理方法。在沿海地区，填海工程和低丘整平地基处理中，大量使用强夯法。因此，强夯地基效果的检测十分重要。本文通过对多道瑞雷波法理论以及在强夯地基检测应用效果的探讨，采用加权平均值法统计各测试点地基土的承载力特征值，对整个测区的强夯效果进行全面评价。

瑞雷波；强夯地基；检测效果

1 瞬态瑞雷波勘探

瑞雷波勘探是近年来发展起来的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷波速度、剪切波速度和岩、土力学参数有着密切的关系，在岩、土工程和地基处理方面得到广泛的应用。瑞雷波勘探有频率域观测的稳态法和时间域观测的瞬态法两种。稳态法应用时间较长，方法技术也较为成熟，缺点是设备笨重，不利于提高效率；瞬态法具有轻便、快捷效率高的特点。所用的采集系统是地震勘探数据采集系统。

（1）瞬态瑞雷波勘探原理

瞬态瑞雷波法是用锤击，使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。假设离震源一定距离处有一观测点A，记录到的瑞雷波是f(t)，根据傅里叶变换，其频谱为：

在波的前进方向上与A点相距为Δx的观测点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱是：

若波从A点传播到B点，它们之间的变化完全是由频散引起的，则应有下列的关系式：

vR(ω)是圆频率为w的瑞雷波的相速度。上式也可写成：

式中φ是F2(ω)和F1(ω)之间的相位差。比较式 (3)和 (4)可知：

根据上式，只要知道A、B两点间的距离Δx和每一频率的相位差，就可以求出每一频率的相速度VR(ω)。

为得到勘探点的频散曲线，需要对两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相干函数的目的是对记录信号各个频率成分的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。

作互功率谱的目的是利用互功率谱的相位特性求出这两个观察点在各个不同频率时的相位差，再利用(5)式求出相速度。当我们已知频率为f的瑞雷波速度vR后，其相应的波长λR为：

瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度大体在一个波长深度范围内。由半波长理论，所测量的瑞雷波平均波速VR可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度是：

由(7)可知，频率越高，波长λR越短，勘探深度越小;反之，频率越低，波长λR越长，勘探深度越大。因此两个观测点之间的距离也要随着波长的改变而改变。对于勘探较深的低频而言，Δx要大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，Δx要小。根据实际经验，Δx取1/3λR-2λR间较为合适，即在一个波长内的采样点数要小于在间距Δx内采样点数的三倍，大于在Δx内采样点数的0.5倍。

根据以上讨论，同一波长的瑞雷波传播特征反映了地质体水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波传播特性反映了不同深度地质体的变化情况。实际工作中，为了提高效率，瑞雷波勘探时，在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距Δx设置N+l个检波器，我们就可以检测到NΔx长度范围内瑞雷波的传播特征。

对频率为fi的频率分量，进行互谱分析时，计算相邻检波器记录的相移φi，相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度，在满足空间采样定理的条件下，测量范围NΔx内的平均波速为：

在同一测点对一系列频率fi求取相应的vRi值，就可以得到一条vR―f曲线，即频散曲线。

根据 (6)式，可将VR―f曲线转换为VR―λR曲线，VR―λR曲线反映出该测点介质深上的变化规律。沿测线不同点的VR―λR曲线则反映了介质沿剖面方向上的变化特征。

（2）瞬态瑞雷波法资料处理

其资料处理工作主要包括:对原始记录的整理和评价，提高信号质量的处理，面波速度的计算和结果的输出。

频率滤波是数据处理中最常见的处理手段，它可以消除各种干扰。在面波勘探中，我们希望滤波处理不改变数据的相位特性，即在理想情况下用零相位滤波器，并通过选取合适的通频带，尽可能保留所需的频率成分。

对浅层勘探，保留高频成分；对较深目的层勘探保留低频成分；对中等深度勘探，要合理选择通频带，以降低干扰，使资料质量得到改善，并最终减小对频散曲线的影响。

切除处理可以把直达波和折射波等部分地消除，从而保留下来较纯的面波，切除以后可以大大改善频散曲线的计算结果。

能量衰减 (增益处理)也是一种数据处理手段，它可以对一定时窗内的地震波进行能量衰减控制。由于地震记录中面波能量最强，因此在增益处理以后，可以使相对较弱的反射波、直达波等幅值减小，使其在计算频散曲线时相关系数变小，从而达到减少干扰的目的。

一般而言，增益处理后计算的频散曲线更加平滑，且对深层目标反映更清楚；其不利之处是这种平滑可能会使面波勘探的分辨率降低，并产生低频段的低速假象。

经以上之原始记录整理和处理后，需要确定面波速度VR。由式 (5)，首先确定两接收点间的相位差φ，对两观测点的记录作互功率谱的分析。

如果两观测点的时域记录为f1(t)和f2(t)，其频谱F1(ω)和F2(ω)的自功率谱可分别表示为：

其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和F2(f)的复共扼谱。F1(t)和f2(t)的互功率谱为：

可见互功率谱中的相位谱反映了包含在面波中的相应单频波之相位差在互功率谱函数中，并非对所有频率成分都有效。衡量某频率成分是否有效的方法是用相干函数，即检测面波由测点A向测点B传播时是否有良好的相干性。定义相干函数：

上式中G(f)的模应恒为1，可通过G(f)的实部进行相干性评价。如果在传播过程中系统是理想的，则该频段内 G(f)的实部绝对值应接近1；若由于干扰和系统的非线性使信号的质量下降，G(f)实部的绝对值将下降。一般选择其值大于0.8的频段计算互功率谱。

求取面波在二接收点间传播的相位差，并利用公式计算波速。选择新的频率值并重复上述步骤计算，得VR~f或VR~λ曲线，即频散曲线。瑞雷波速度VR~λ和VR~H分布曲线图中 VR曲线是应用半波长转换法绘出的，即波长为λ的面波速度代表半个波长深度以上的介质中的平均值。

2 工程实例

(1)工程概况

2010年初我们在河北省唐山市曹妃甸地区，进行了大面积的强夯地基检测工作。检测目的是进行填土地基处理，主要为港口码头、工业厂房、民用住宅服务。该地区第四系地层较厚，地表填土主要有填土、淤泥质土、砂土等。曹妃甸地区填土深度6m左右，夯击能量8000kNm，加固深度为10.0m。

(2)检测方法

采用仪器为中国科学院武汉岩土力学研究所生产的FDE48N通道测试仪和2Hz垂直检波器，用大锤锤击钢板为振源。本次采用6道观测系统接受方式进行数据采集，道检距2m，偏移距10m；采集系统选用采样间隔300～500μs，处理软件为核工业部北京地质研究所的SWS view地震瑞雷波处理软件。

将振源、测点布置在一条测线上，用地震仪将各测点响应信号纪录下来。当测试仪器纪录通道有限时（如基桩动测仪），在测点移动、振源可重复情况下（或测点固定、振源移动情况下），将每次测试信号堆叠，得到多道纪录信号。对测试信号作f~k分析，可得到测线长度范围平均瑞利波速。

（3）检测成果及分析

图1为本区内强夯检测原始波形，从时域内的面波成分可以看出面波能量幅值大、频率低、传播速度慢[2]。根据弹性波波场理论，弹性波同相轴越陡，视速度越小。而视速度越大，表明地基土越密实坚硬。

图1 瑞雷波原始波形

图2为强夯区该点的瑞雷波检测频散曲线。由图可以看出，瑞雷波频散曲线规则，拐点清楚。在0～1.7m范围内波速为187m/s，1.7～2.7m范围内波速为221m/s，2.7～6.0m范围内波速为269m/s。解释加固深度为6m。

图2 频散曲线图

根据大量测试点，经统计各测试点波速的加权平均值，并绘制加权平均波速平面图，如图3。

图3 加权平均波速平面图

3 结论

瞬态瑞雷波法是一种经济有效的检测强夯地基方法，适合大面积的强夯地基检测，根据场地等值波速平面图可推测场地均匀性和密实度等强夯效果，直观判定地基土的软硬程度。利用面波速度与岩土体承载力特征值和变形模量的关系，可以粗略计算出地基的承载力特征值和变形模量。应用该种方法不能准确确定地基土的承载力，须用静载荷实验测定地基承载力。

[1] 林朝旭.多道瞬态瑞雷波法在强夯地基检测中的应用.[J]福建建筑,2007,No.11:43～45.

[2] JGJ／T 143 2004，多道瞬态面波勘察技术规程[s].北京：中国建筑工业出版社，2004．

[3] 杨成林等．瑞雷波勘探[M]．北京：地质出版社，1993．

The Application of Multi-channel Transient Rayleigh Wave on the Quality Examination of the Dynamic Compaction Foundation

YUAN Yongjian LI Changcun
(Hebei Polytechnic University Resource and Environment College, Tangshan, Hebei, 063009)

In order to improve the bearing capacity of flled soil foundation, reduce the uneven subsidence of soft soil foundation, dynamic compaction is a very economic and effective method. In coastal areas, we always use dynamic compaction method for sea reclamation. Therefore;the survey of dynamic compaction effect is very important. This paper discusses the theory of multi-channel transient Rayleigh wave and its application effect on the dynamic compaction foundation, and uses the weighted average method to calculate the characteristic value of foundation bearing capacity; last evaluates the dynamic compaction effect of the whole study area.

Rayleigh wave;Dynamic compaction foundation;Examination effect

P631.4

A

1007-1903（2011）03-0043-04

李昌存（1965-），男，中国地质大学博士，教授，多年来从事地质工程研究。E-mail：yuanzhao0603@163.com