多道瞬态面波技术方法在岩土工程勘察中的应用

2018-04-20王雄先

世界有色金属 2018年3期

王雄先

（湖南省地质矿产勘查开发局四一八队，湖南娄底 417000）

在工程物探领域中，面波勘探方法有着不可替代的重要地位，20世纪50年代人们发现了瑞雷波在层状介质中传播时具有频散特性后，开始广泛地利用天然地震记录的瑞雷波来研究地球内部结构，90年代美国堪萨斯州地质调查提出的基于震动源的瞬态面波多道采集和分析方法（MASW，Multichannel Analysis of Surface Waves）是瑞雷波理论的一次突破性发展，使其从地震学领域扩展到了岩土工程及其它材料的无损测试应用领域，并得到了迅速的发展。

1 多道瞬态面波技术应用原理

多道瞬态面波技术，主要采用激振方式获得一定频率范围的瑞雷面波，不同频率瑞雷面波叠加后，以脉冲形式向前传播，经频谱分析、相位谱分析，实现各频率瑞雷面波的分离，绘制相应的频散曲线（VR—f曲线），也可将其转化为VR-λR曲线。

多道瞬态面波技术应用时，野外数据采集时以点测为主，通过多个点的测量分析，获得剖面VR速度分布图，如下图1所示即为多道瞬态面波技术原理图，图中M为测点，两检波器间距为Δx，为了使得采集的面波信号有足够相位差Δφ，Δx应满足下式：

则两信号的相位差Δφ应满足：

因此，随着勘探深度的增大，Δx的距离也应增大。

图1 多道瞬态面波技术原理

多道瞬态面波技术设备简单、使用轻便高效，同时勘探深度大、可靠性高，受到业内普遍好评，发展态势良好。

2 多道瞬态面波技术应用过程分析

瑞雷波测试工作整体上可分解为现场测试、室内数据处理及频散曲线的计算和反演及工程解译三个阶段，其中现场测试阶段是关系着以后工作成败的基础和保证，在多道瞬态面波技术应用时需合理选择勘探仪器、野外勘探工作方法，科学确定空间采样点数、时间采样点数等参数，获得有价值的时间—空间域的波形记录，尽管根据其能够初步定性分析和评价探测介质的均匀性及其力学特性，但是还必须通过室内大量的数据处理工作，提取频散曲线，有效定量评价介质的力学特性及其它性质，因此采取合理有效的室内分析处理技术和流程对保证瑞雷波频散曲线的成功提取和综合解译具有重要意义。

3 实例探析多道瞬态面波技术在岩土工程勘察中的应用

3.1 工程概况

本文以娄底市创业创新服务平台地质勘察为例，具体分析了多道瞬态面波技术应用及其成果。拟建创业服务大楼，据调查此处为厂房旧址，部分场地用作垃圾填埋，场地内广泛分布有大量的垃圾杂填土，故而在施工前需明确其填埋范围、深度，为后续基础处理提供可靠的数据参考，经综合分析研究决定采用多道瞬态面波技术进行勘察分析。

图2 测线1面波剖面

图3 测线2面波剖面

图4 ZK1钻孔地质图

图5 ZK3钻孔地质图

3.2 数据采集

本工程通过锤击的方式获得震源，选用SWS-6A型多波列数字图像工程勘察与工程检测仪、4Hz低频检波器，采用12道接收。现场通过采集实验，确定具体参数如下：道间距：1m；偏移距：10m；采样间隔：0.25ms；测点间距：1m。

3.3 成果处理

本工程数据处理与成果解释采用经验的半波法，整理各测点频散曲线数据可得测线1、2的面波速度剖面图（图2、图3），据分析可知，场地内面波相速度为140m/s～350m/s，填土范围内面波波速基本低于230m/s。

根据钻探结果显示，1#、3#孔穿过面波测线1，1#孔、3#孔分为位于测线北侧、南侧，1#孔揭示填土较厚（11.3m～11.8m），3#孔揭示填土相对较薄（7.2m），如下图4、5所示为1#、3#钻孔柱状图。测线1速度剖面揭示北侧、南侧填土厚度分别为12m、6m～7m，与钻探结果基本一致；面波测线2无钻探孔通过，工程后期基坑开挖后，发现填土厚度、范围等与测线2所得结果基本一致。

3.4 结果分析

根据结果钻探揭示，3#孔7.2m、1#孔11.3m内土层以回填土为主，据多道瞬态面波勘探显示，此范围内面波速度140m/s～230m/s，其下原状土为230m/s～350m/s；3#孔3.7m范围内土层以粉砂填土为主，3.7m～7.2m以粉质黏土填土为主，其波速值分别为170m/s～200m/s、220m/s，存在明显差别，由此回填土介质不同、回填不均匀，也会导致面波速度存在一定的差异。

通过钻探与多道瞬态面波勘探相互对比分析显示，钻孔揭示的回填土与原状土界面深度面波速度230m/s，且在速度剖面上此速度值分布连续，其下地层速度值持续增加，在最终地质解释时，将此速度值作为划分填土界面的依据是合理、可靠的。