瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用

第３１卷第３期　２００７年６月　物探与化探　Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．３　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ　Ｊｕｎ．，２００７　瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用　谢昭晖　，钟和　，陈昌彦　（１．中国地质大学，北京　１０００８３；２．北京市勘察设计研究院地基检测所，北京　１０００３８）　摘要：地下介质的弹性波速的差异与介质的岩土力学特征具有很好的相关性，而介质的瑞利波速度与其剪切波速　非常接近，因此利用瑞利波勘探技术进行地下介质分层时，其优势十分明显。在岩土工程勘察的初勘阶段可利用　瑞利波勘探技术宏观划分力学性质差异明显的地层、地质构造，而在详勘阶段可以探测基岩埋深填土厚度等的变　化趋势，均取得了比较好的应用效果。　、关键词：工程勘察；瑞利波方法；岩土工程　中图分类号：Ｉ：＇６３１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８９１８（２００７）０３—０２７９—０４　由于地下介质的弹性波速反映的是其在弹性阶　Ｖｓ　＂ｌ＋上上　段的力学性质，因此弹性波速分层在工程勘察工作　中主要用于解决与岩土力学特征相关的问题，主要　用于区分力学性质在弹性阶段具有明显差异的土层　及岩石层。瑞利波勘探技术是在无需钻孔的情况下　图１反映了这几个参数之间的相互关系。　ｌ　ｊ　ｖ　鑫一一　Ｖ　／ｖＤ　—●　卜．　—●　、●、‰　。　一—’—　一ｌ。　●可测试出层状介质的弹性波速，它与传统的钻孔波　速测试方法相比较具有无损及快速的优点，所以瑞　　船　利波勘探技术无论在岩土工程勘察的初勘阶段用于　宏观划分力学性质差异明显的地层、构造，或者在详　，ｔＬ．　～‰．　　．勘阶段详细描述基岩埋深、填土厚度等的变化趋势　的工作中都具有明显的优势，其在工程勘察领域的　应用范围十分广阔，应用效果正日益提高。　１基本原理　地震波可分为体波和面波２大类，前者又可分　为Ｐ波和ｓ波。而面波又有瑞利波与勒夫波之分。　在非均匀介质半无限空间中传播时，由于自由边界　图１介质纵波、剪切波和瑞利波速度与波松比关系　２在工程勘察中的应用　岩土工程勘察工作的主要任务之一就是对地层　土质进行分层。利用瑞利波测试方法进行地质分层　有３种方法：直接利用瑞利波频散曲线（ＵＲ－Ｈ）的特　征点进行地质分层，初步评估地层波速；对设在同一　的作用，当ｓＶ波与反射的Ｐ波在自由表面发生相　互叠加和干涉作用时，产生了一种沿界面附近传播　的次生波，即瑞利波。１８８５年，英国学者瑞利首次　在理论上证明了瑞利波的存在。宦／口存在于界面附　直线上的多个测点综合分析，利用追索并连接各测　点频散曲线（　波速　直方图。　）上共同的特征点的方法绘出物　近，且具有频散特性。瑞利波的能量占地震波总能　探分层剖面：对频散曲线进行反演分析绘制出地层　量的绝大部分，其振幅随着远离界面而按指数衰减。　在均匀各向同性弹性介质中，瑞利波的传播速　度ｖｎ）只与传播介质的泊松比（　）和剪切波速度　２．１利用频散曲线直接分层　在以频率一瑞利波速为坐标系的瑞利波频散曲　（　）或纵波速度（　。）有关，而与瑞利波的波长和　（或）频率无关。在岩土工程勘察中，地基的剪切波　速与瑞利波速的计算公式如下　线上，每一个点代表一个特定频率　瑞利波的行进　速度　。通常瑞利波曲线一般以深度ｈ＝０．５ｖ　／ｆ　为纵坐标，　为横坐标（图２），曲线中某点瑞利波速　收稿日期：２００６—０８—１５　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２８０・　物探与化探　３１卷　度　代表该点以上地层的速度　平均值，因此曲　线随深度的变化情况，在一定程度上反映了地层波　速的变化。当曲线斜率出现陡变、产生明显拐点时，　通常表明遇到了波速差异明显的地层界面。利用频　散曲线这个特征进行地层解释是瑞利波勘探中最常　用的作法。　￣／ｎａｓ　砂⑥层之间的分界线在瑞利波频散曲线上不明显，　分析是由于深度较大，超出了测试的有效深度。　２．２利用多个测点成果勾画地层界线　在现场沿某一测试剖面采用滚动采集方法按一　定间距进行多点瑞利波测试，由此得到一系列频散　曲线，其中存在的特征点（如“之”字型拐点）在水平　方向上常常有规律地排列、变化，这种水平方向上的　①　①　人工填土　ｊ王　±卜｛ｊＨ＝｛±Ｉ　Ｆ＝－＝ｊ—Ｆ　一　分布规律，反映了测试场区地层的变化趋势，连接这　些特征点即可勾画出地层分界面，界面上下的地层　可认为存在较明显的力学差异。　圭　＝一千　手寻　　｝一｝　－—Ｌ｝　—十一卜　③②　②　⑧　粉　砂质粉黏土　⑤…　｛Ｉ—’卜一　－－－－Ｌ　粉细砂　黏十　④　忤卜　ｔ　一　・——Ｕ　一～【４】　图３是北京东坝某高填方路堤中段的钻探成果　与瑞利波测试成果的对比情况。钻探显示的第四系　Ｌ一　。丰＃＃　Ｉ－｛　　。　。Ｊ一～　⑤　⑤　黏性土　主　一　一　—｝一＋一Ｈ　Ｉ　Ｉ　ｊ—＿［＝工＝Ｅ二ｒ一　●　ｌ⑥　粉细砂　处理前ｕＧ６００５＿＿　—十—十—｛—　沉积层顶面界限（粗实线）基本上为高填方之前的　地面地形，第四系以上的各回填层均为高填方路堤　施工处理层，分布情况显示了各回填层在平面上的　变化。剖面中粗的不连续线代表了瑞利波测试的分　析结果。　图２利用频散曲线的明显拐点进行分层　图２是某工程实测的瑞利波频散曲线分层与地　质钻探结果的对比情况。图中左部为实测频散曲线　及按拐点分层的结果，右半部为钻孔描述地层分布　情况，两者极为接近。钻探结果显示埋深约３．４　ｒｌｆ　本工程的高填方路堤可依据存在的差异在水平　方向上的分为３个路段，在这３个不同的分段中，钻　探剖面特征变化与瑞利波速曲线的特征变化吻合得　相当好，同时通过瑞利波的测试结果可计算不同回　填层的波速，据此可在一定程度上评估路堤的碾压　质量。　在高填方路堤南段（１～４号钻孔；１～５号瑞利　波测点），为原砖窑取土坑的边缘地段，坑底呈斜坡　以上为人工填土①层及粉质黏土②层，３．４　ｍ至６．１　ｍ为砂质粉土、粉细砂③层，该硬夹层以下夹约１　ｒｌｆ　厚相对明显变软的黏土④层，该层土以下为黏性土　⑤层及粉细砂⑥层。在瑞利波频散曲线中３．６　ｍ以　上相当于人工填土①层及粉质黏土②层的范围，波　速ｔ）Ｒ在１３０～１４０　ｍ／ｓ之间；在３．６、６．４　ｍ处存在　着明显拐点，在此深度段波速（约１５５　ｍ／ｓ）明显高　状，由南至北坑深０～９　ｍ，回填的黏土层及碎石层　层面依坑底地势倾斜。本段内瑞利波测试结果显示　上部波速相对较高，达到２５０～３００　ｍ／ｓ，高速层底　于上下两侧，与钻探中的硬夹层砂质粉土、粉细砂③　层对应；在６．４～７．４　ｍ瑞利波速度明显下降至１４０　ｍ／ｓ，该深度位置正好与较软弱的黏土④层对应。　面与回填碎石底面吻合很好，反映路堤碎石垫层质　量较好。碎石垫层以下黏性土填土波速为２１０～　２３０　ｍ／ｓ，明显偏低。　同时，从瑞利波曲线的拐点特征分析砂质粉土、粉细　砂③层或许可进一步分为２层；黏性土⑤层及粉细　在高填方路堤中段（４～１１号钻孔；５～１９号瑞　图例　因　钻孔编号　［Ｉ］测试点　鲁　嬗　艟　圈碎石　口粉细砂　黏土　亚黏土　囹亚砂土　图３　回填路堤中段瑞利波勘探与地质钻探剖面的相关性对比　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　谢昭晖等：瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用　・２８１・　利波测点）属坑底最深地段，深度一般为９～１１　ｍ。　上部为回填碾压碎石层一般厚６　ｍ（坝顶标高２９．７　—３０．５　ｍ），按测试波速分析上部斗Ｉｎ碾压效果较　好，波速较高超过２４０　ｍ／ｇ，以下２　ｍ厚稍差波速一　般为２００～２３０　ｍ／ｓ；以下为一层黏性土垫层厚约２　ｍ较密实，顶面比较平坦，标高２３．５～２４　ｍ，碾压效　果较好，波速较高超过了２４０　ｍ／ｓ；再以下为层底部　回填砂卵石层，该层垫至标高２１．６～２２　ｍ，厚度依　坑底起伏而变化。中段最北侧，原地形图显示该处　有一条地垅穿过，１１号钻孔显示黏性填土顶面较　高，标高２５．０　ｍ，该地垅为中段和北段的分界线，在　中段范围内存在一过渡带，面波曲线特征在１５～ｌ９　号测点范围存在着变化。　在高填方路堤北段（１１～１５号钻孔；１９～２５号　瑞利波测点）是窑坑的另一个部分，坑底较浅（与该　处下部砂层发育，可供烧砖的黏土较少有关），该段　坝体回填底部为砂卵石垫层，以上为较薄黏土垫层，　厚不足１　ｒｆｌ，再以上为碎石垫层。面波测试结果显　示该层波速变化范围较大，且规律性较差。　２．３反演分析及绘制地层波速　直方图　对于较均匀的地层，如冲积平原中的厚层黏性　土，利用瑞利公式及半波长深度平均波速原理估笄　值，可得到近似的评估结果。但是，在日常测试工　作中，最常遇到的层状地层一般是通过反演分析软　件进行瑞利波曲线拟合，计算各层土的剪切波速　。　（ｖＲ）／（ｍ，ｓ）　；ｌ皿　　５．５５　ｖ　ｌ５０．８　苷＝３　０２￣＝１８１　２　辫　．。　＼１瞄ｍ　ｖ　２７７　９　ｊ　—］　１９０　２　ｖ３￣８２　．９９＇　＿＝　３４７．５　．１　ｌ　ｌ　Ｈｇｉｆ１４．１　Ｄ　ｖ．￣３９　５．５　｜　ｆ　ｌ、　　７．０５　ｖ．－４８６　４　●　Ｆｉｔｎｅｓｓ＝　０９９７６４ｔ　●　图４某工程瑞利波频散曲线拟合结果　在北京平谷县某地震安全评价场地上瑞利波测　试（图４），通过对频散曲线反演分析获得剪切渡速　的成果图，其中直方图表示　值，连续曲线为反　演拟合结果，散点代表实测频散曲线，反演拟合曲线　与原始曲线相当吻合。现场位于北京郊区的农田　中，测试道间距５ｍ，偏移距１２０　ｍ，炸药震源激发瑞　利波，面波中低频成分丰富，且能量较大，故勘探深　度达到６０～７０　ＩＴＩ。本场区地层在水平方向上变化　较小，以黏性土为主，无明显软、硬夹层。所以实测　频散曲线变化平缓无明显拐点，地层波速由浅到深　逐渐加大无明显突变。　　．２．４含低速软弱夹层的地层组合的频散曲线特征　及分析　当地层中含有明显低速层时，由于层间体波干　涉叠加情况复杂，无论是在时域还是在频域中，瑞利　波的最大能量并不都集中在基阶模态上，所以按能　量最大原则拾取的频散曲线反映的并不单纯是基阶　模，而是多阶模在不同频段的复合，是复合型的频散　曲线。这种频散曲线都存在明显的“之”字型回折　或者复杂的重复和间断。多数瑞利波反演拟合软件　所依据的正演模型只适合于描述频散曲线族中的基　阶模态，无法对复合频散曲线进行准确的反演。所　以，在遇到种类复杂的频散曲线时一般可以定性判　断该处有明显软弱夹层存在。基于半波长理论进行　分析，认为大拐点或间断点出现的深度附近为弱层　或空洞的顶面，该点以上瑞利波速值尚可反映以上　地层的平均波速，以下的软弱层其波速值则难以定　量。　，　路面　结构Ｊ丢　　－、●’蠢　避　，Ｊ　■Ｊ　’‘　；　：＝　较软　路基垫层　图５沥青路面。上测得的瑞利波频散曲线　图５是北京北清路病害路段检测工程瑞利波测　试结果，该工程主路路面结构密实度较好，主要由各　种沥青混凝土及天然级配砂砾石构成，设计总厚度　为７５　ｃｍ，路面层以下为相对明显软弱的路基垫层，　道路通过地带原分布有较深鱼塘、水坑、水渠地等。　按图５中曲线中明显拐点推断，软弱层顶面位置距　道路顶面约１　１３＇１，路面层瑞利波波速约３００—４００Ⅱｌ／　ｓ，弱下卧层波速不足２００　ｍ／ｓ。遇到此类第一层波　速较高的速度倒转型地层时，通常只利用频散曲线　进行简单分层，或直接用瑞利波波速进行粗略估计，　用常规分析软件很难进行反演拟合计算分析，或者　说拟合的计算结果不很可靠了。　里　）Ｚ维普资讯 http://www.cqvip.com

物探与化探　３ｌ卷　３结束语　瑞利波勘探技术，特别是多道瞬态瑞利波技术　是近十年来新发展起来的新兴工程物探技术之一，　其之所以可作为有效的工程勘察手段而越来越受到　工程物探界的重视，应归功于其具有的如下几个突　出优点。　（１）瑞利波的频散特性与地下介质的组成结构　察中会取得更好的应用效果，而且随着方法技术进　步，其应用领域会更加广阔。但是，同任何一种物探　技术一样，瑞利波技术的应用也有其一定的特定前　提，也就是说，勘察对象必须具有能进行面波勘探的　地球物理条件（即岩土力学性质存在差异），否则，　很难取好的应用效果，甚至会出现重大失误。　在本项瑞利波勘探技术应用研究中，吴学方、白　朝旭和陈义军等同志共同参与，在此一并表示感谢。　参考文献：　［１］　刘云桢，王振东．瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实　例［Ｊ］．物探与化探，１９９６，２０（１）．　［２］　黄嘉正，周鸿秋，关小平．工程地质中瑞利波勘探的理论初探　及其力学性质具有显著的相关性；　（２）瑞利波的传播速度与介质的动泊松比密切　相关，且十分接近于介质的剪切波波速度，可以很好　地反映传播介质的力学特征；　（３）瑞利波的影响深度随着波长的变化而不　同，大致相当于一个波长范围；　［Ｊ］．物探与化探，１９９１，１５（４）．　［３］建设部．多道瞬态面波勘察技术规程（ＪＧＪ／Ｔ　１４３２００４）［Ｓ］．　北京：中国建筑工业出版社．　（４）在介质中瑞利波比其他体波传播速度慢，　较容易区分，只在表层某一深度内传播，所以对浅表　地层分辨率较高。　我们有理由相信瑞利波勘探技术在岩土工程勘　［４］　关小平，黄嘉正，周鸿秋．工程勘探中稳态瑞利波法解释理论　的探讨［Ｊ］．地球物理学报，１９９３，３６（１）．　［５］杨成林．瑞利波勘探［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９３．　ＴＨＥ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ　ｏＦ　ＴＨＥ　ＲＡＹＬＥＩＧＨ　ＥＸＰＬｏＲＡＴＩｏＮ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＧＥｏＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＥＸＰＬｏＲＡＴＩｏＮ　ＸＩＥ　Ｚｈａｏ．ｈｕｉ　，ＺＨＯＮＧ　Ｈｅ　，ＣＨＥＮ　Ｃｈａｎｇ．ｙａｈ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｔｅｓｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＢｅｉｊｉｎｇ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｅｄｉａ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｗａｖｅｓ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅｌｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ—　ｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｄｉａ，ａｎｄ　ｈｅ　Ｒａｙｌｔｅｉｇｈ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｗａｖｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｅｄｉａ　ｈａｓ　ｉｔｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｋｉａｌ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｔｅｃｈ—　ｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｗａｖｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｉｖｉｄｅ　ｓｔｒａｔａ　ａｎｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｅ　ｅｖｉｄｅｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．ｗｈｅｒｅａｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ．ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｃａｎ　ｂｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｂｅｄｒｏｃｋ　ｂｕｒｉｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｌｌ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｙｅ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｗａｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ；ｔｈｅ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　作者简介：谢昭晖（１９６５一），中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院在读博士生，北京市勘察设计研究院高级工程　师，国家注册岩土工程师，主要从事城市工程地球物理探测和岩土工程检测的研究与应用工作，１９９８年入选北京市跨世纪优　秀人才工程，公开发表学术论文２０余篇。