李鳳之 遲永坤 齊霞

(沈陽地球物理勘察院 遼寧沈陽 110121)

1 前言

近年來,隨著面波勘探中軟件和硬件的發(fā)展及面波勘探技術理論的進一步完善,瞬態(tài)瑞雷波法越來越引起人們的重視,由于面波勘探與常規(guī)的地震勘探相比具有現場場地要求不高、快速經濟、易于激發(fā)和識別、有效信號能量強、不受各地層速度的影響、淺部地層分辨率高等特點,使得面波勘探技術被廣泛地應用于地基場地土類型和建筑場地類別的劃分、建筑場地土層的劃分、地基加固效果評價、災害地質體調查等方面。

2 基本原理

瞬態(tài)瑞雷波法是通過錘擊、落重乃至炸藥震源,一般來說產生三種類型的波,即縱波、橫波和瑞雷波,可用如下波動方程來描述它們:

式中:φ、Ψ分別為質點位移場的標量位和向量位,Vp、Vs分別為縱波、橫波波速。

(1)式中的一個解為:

式中:

k為波數,vr為瑞雷波波速,A、B為常數,(2)式代表一個以速度 vr在介質表層傳播的簡諧波列,就是瑞雷波。其特征如下:

(1)瑞雷波在層狀介質中傳播的頻散特征

在層狀介質條件下,瑞雷波在介質中的傳播速度是頻率的函數,即瑞雷波速度隨激發(fā)頻率的變化而變化。該特性是瑞雷波勘探的理論基礎,由于瑞雷波法不僅利用了波的運動學特征,更重要的是利用了波的動力學特征,而常規(guī)地震折射波法和反射波法主要利用波的運動學特征,且要求各層的波速或波阻抗有較大差異,因此瑞雷波對介質反映更細微。

(2)瑞雷波的穿透深度與波長的關系

瑞雷波水平振幅和垂直振幅從彈性介質的表面向內部呈指數衰減,主要能量集中在一個波長范圍內。因此,可以認為瑞雷波的穿透深度為1個波長。根據瑞雷波理論,當深度 Z為λr的1/2時,瑞雷波某一波長的波速主要與深度小于λr/2的地層物性有關,該特性為利用瑞雷波進行淺層勘探提供了理論依據。

(3)瑞雷波振幅的特性

在同一激振條件下,瑞雷波的振幅與1/r成正比,體波的振幅與1/r成正比,即瑞雷波比體波衰減慢得多,離開振源一段距離,面波的能量將強于體波,這為我們在數據處理中提取面波的;有用信息提供了方便。

(4)瑞雷波速度與橫波速度的相關性

瑞雷波波速和橫波波速的轉換關系為:

式中:σ為泊松比。

由(3)式可知,當σ從0增大到0.5,vR/vS的變化范圍大致在0.87～0.95之間,第四系地層泊松比為0.4～0.47,可以認為對土體而言,vR、vS基本相等,其誤差只有5%左右。

根據波速可測算出土層的各種力學參數,同時可方便對場地在水平方向的均勻性做出評價。

3 野外工作方法

瞬態(tài)多道瑞雷波勘探的現場工作布置如圖1所示。

圖1 野外工作布置圖

其M處為測點,相鄰檢波器的距離為Δx,激振點位于檢波器排列的一側,和鄰近檢波器之間的距離也為Δx。Δx選擇應和勘探深度相對應,隨著勘探深度的變化,Δx的距離也應相應改變。

瞬態(tài)法勘探的結果,主要受激發(fā)的瑞雷波的頻率影響,應保證激發(fā)的瑞雷波的頻率范圍與勘探深度匹配,且應保持足夠的連續(xù)性。

震源一般采用落重法,即以一定的質量重塊,提升一定的高度,自由下落撞擊地面,從而產生瑞雷波。當進行淺部測試時,可采用小鐵錘。這種震源產生的地震波的主頻 f0可用下式表示:

式中:r0為重塊或鐵錘的底面的半徑,M為震源質量。檢波器采用垂直檢波器,應垂直放置,使其與地面接觸良好。

與反射法地震勘探方法相同,瞬態(tài)多道瑞雷波勘探也存在一個最佳窗口問題。由圖2可見彈性波在時間空間域內傳播時,其各種波型(直達波、折射波、反射波、聲波和面波)均遵循各自的傳播規(guī)律。

圖2 各種波旅行時距曲線

瞬態(tài)多道瑞雷波法強調:(1)各道采樣必須設計排列在面波域內,且采集到足夠長的記錄;(2)盡量使采集到的波型單一,即:不使直達波的后續(xù)或反射、折射波干擾面波,同時避免周圍的干擾振動;(3)采集的波形不能失真。

有效信號和干擾信號在記錄上難以區(qū)別時,應在同一激發(fā)點重復接收3～5次,使信號疊加,取其平均值,以加強有效信號,壓制干擾。在測點的一側激振和接收完成后,可把震源移至測點的另一側重復上述步驟,把兩側的測量結果平均,做為該點的最終結果。

4 原始資料的整理與解釋

(1)對原始資料進行整理、檢查、核對和編錄;

(2)確定面波時間域—空間域窗口;

(3)在頻率—波數域內提取面波;

(4)進行頻散分析并形成頻散曲線圖;

(5)根據頻散曲線的變化,對各測點土層速度的變化范圍作出解釋;

(6)對資料做出地質解釋,對各層的巖土工程性質做出評價。

5 應用實例

鐵嶺某輸油站擬在回填土上建儲油罐,回填厚度7m左右,用強夯法對回填地基進行加固。擬用多道瑞雷波勘探法測試回填土波速,對強夯效果做出評價。我們承擔了該次勘察任務,分兩次在該場地共測試了15個點。為了進行對比,其中2個是在未夯土上進行,另外13個是在夯土上進行測試的。本次工作采用儀器為美國 ES-2401淺層地震儀,儀器主要技術指標如下:

采樣道數:24道;

記錄長度:2048m s;

采樣間隔:0.05～2m s;

儀器主機由微機控制工作,能對場地進行噪聲監(jiān)控,增加了數據的準確性。

本次測試采用12道接收,道間距為1m,震源移距1m,震源用18磅大錘敲擊地面激振,采樣間隔0.5m s,采樣點數1024點,在排列兩端多次進行激振,使信號疊加,以壓制干擾,經計算處理后的頻散曲線如圖3所示。

測試結果表明,夯后土的平均面波波速有了明顯提高,從未夯土的90m/s提高到250m/s以上,最高達到293m/s,波速提高了160m/s以上,說明了夯后土的密實度有了明顯的提高。

圖4是根據13個在強夯土區(qū)測試的面波波速繪出的平面等值線圖。

圖3 頻散曲線

由圖4可知,整個場地從左到右,面波波速由252m/s到280m/s以上,說明整個場地在水平方向上密實程度不均勻。

6 結束語

(1)面波勘探最關鍵的一點是如何獲得良好的面波記錄以保證其頻散曲線的正確性。這就要求野外實際觀測方法須進一步的改進、提高,合理地選擇激發(fā)和接收,做好現場試驗工作,選準儀器參數、道間距、偏移距,方能取得質量較高的面波原始資料。同時對新震源的研究也是相當重要的。

圖4 場地回填土層面波波速平面等值線圖

(2)瞬態(tài)面波法檢測技術應用于回填土層和第四系巖土層,其分層精度和分辨率及所提供的巖土物理力學指標,是其它物探方法難以達到的。它還具有成本低、周期短、儀器輕便、對檢測場地要求低等優(yōu)點。