肖章壽

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

現(xiàn)階段對于填海區(qū)密實(shí)度的檢測，傳統(tǒng)手段多采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)，但該方法檢測成本高、施工效率低，如遇填石粒徑過大時，則無法完成，且不適宜大面積的開展密實(shí)度檢測。目前世界各國都在發(fā)展快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡便的工程質(zhì)量無損檢測技術(shù)[1]。物探技術(shù)如地質(zhì)雷達(dá)與微動探測在無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，對于填埋的砂土可用不同中心頻率天線的地質(zhì)雷達(dá)由淺及深進(jìn)行檢測，再通過微動探測對地質(zhì)雷達(dá)異常區(qū)進(jìn)行相互驗(yàn)證，最后布置少量標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)孔進(jìn)行校核，對填海區(qū)的密實(shí)情況進(jìn)行綜合質(zhì)量評價。經(jīng)具體實(shí)施和驗(yàn)證，綜合物探方法在填海區(qū)密實(shí)度檢測取得了較好的效果。

1 密實(shí)度檢測方法技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)

1.1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻(106～109Hz)脈沖電磁波技術(shù)探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法[2]。作為一種電磁波探測技術(shù)，遵循幾何光學(xué)原理。它是根據(jù)回波的單程旅行時間和電磁波在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度確定目標(biāo)距離，并通過綜合分析判斷目標(biāo)性質(zhì)(圖1)。在介質(zhì)中傳播的電磁波，其路徑與電磁場強(qiáng)度隨所通過的介質(zhì)的電性、幾何形態(tài)及尺寸等不同而變化，因此所接收的反射回波的幅度、形狀及在橫向上的展布特征也隨之變化[3]，根據(jù)這一特點(diǎn)結(jié)合地質(zhì)資料來綜合判定目標(biāo)地層的密實(shí)程度。

地質(zhì)雷達(dá)的探測能力取決于目標(biāo)體與其上方介質(zhì)的電性差異、目標(biāo)體材質(zhì)、大小及形狀等。雷達(dá)波傳播速度取決于目標(biāo)體上方的介質(zhì)及其介電常數(shù)，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算公式：

(1)

其中：v表示雷達(dá)波速度；c表示電磁波在真空中傳播的速度；ε表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ表示介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。

地質(zhì)雷達(dá)利用電磁波進(jìn)行勘探時通常認(rèn)為介質(zhì)的磁導(dǎo)率變化可以忽略，即μ=1，因此雷達(dá)波的傳播速度可近似表示：

(2)

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖Fig.1 Diagram of working principle of geological radar

1.1.2 采集參數(shù)選取

數(shù)據(jù)采集參數(shù)的選擇與探測對象的埋藏深度、對象的形狀大小、介質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)、地下水位、探測目標(biāo)與環(huán)境的電導(dǎo)率及相對介電常數(shù)等均有關(guān)。因此，采集參數(shù)的選擇尤為重要，既能有效壓制電磁干擾信號，提高信噪比，同時還要能探測出一定深度的目標(biāo)體。

以加拿大Ultra pulseEKKO大深度地質(zhì)雷達(dá)為例加以說明。首先是天線中心頻率的選擇，天線中心頻率決定探測深度及分辨率。中心頻率低，探測深度大，分辨率低；反之，中心頻率高，探測深度淺，分辨率高。天線中心頻率f的選取可參考下式(1)楊勇，紀(jì)偉，姜擁政，探地雷達(dá)在運(yùn)營高速公路病害無損檢測中的應(yīng)用， 勘探地球物理2005學(xué)術(shù)交流會論文集，2005。：

(3)

式中：f為天線的中心頻率；x為目標(biāo)體的分辨率；ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

在該次填海區(qū)密實(shí)度檢測中，根據(jù)深淺相結(jié)合的原則，淺部(0～3 m)密實(shí)度檢測采用中心頻率250 M的天線，中深部(>3 m)檢測采用100 M天線。

其次是采集時窗的選擇，采集時窗(W)根據(jù)目標(biāo)體最大探測深度(d)以及電磁波在介質(zhì)中傳播的速度(v)決定，為了適應(yīng)深度和速度的變化以及零點(diǎn)校正等影響因素，通常采集時窗會增加30%，具體計(jì)算公式：

(4)

確定采集參數(shù)后，根據(jù)測區(qū)地形(地貌)及地面構(gòu)(建)筑物合理布設(shè)測線。該次檢測采用250 M天線進(jìn)行淺部地層密實(shí)度檢測，100 M天線進(jìn)行中深部地層密實(shí)度檢測，現(xiàn)場初步圈定地質(zhì)雷達(dá)異常區(qū)平面位置及大致深度。

1.1.3 資料處理

地質(zhì)雷達(dá)資料的解析依據(jù)波形特征判斷目標(biāo)性質(zhì)，還采用追蹤回波在橫向和縱向上的延續(xù)和變化，對應(yīng)展現(xiàn)出地質(zhì)構(gòu)造在平面和剖面上的形態(tài)，尤其在地面進(jìn)行大面積勘探時，小的孤立目標(biāo)在平面上不易追蹤，這時可采用橫向衰減對比處理解釋方法，尋找幅度突變點(diǎn)，即目標(biāo)所在的位置。

地質(zhì)雷達(dá)資料行之有效的處理解釋方法有灰度法、變面積法(wiggle)、單點(diǎn)波形法、橫向衰減對比法等。地下介質(zhì)的雷達(dá)波傳播速度的獲取方法有已知鉆孔探測法或已知目的層探測法、CDP(共中心點(diǎn))法或直達(dá)波法、公式計(jì)算法或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法。

界面的性質(zhì)、形狀、尺寸和產(chǎn)狀也直接影響到回波的幅值和形狀，例如在單波形或在Wiggle方式下，相對于射入線處于一種理想產(chǎn)狀的平整斷層面(帶)的波形一般比較尖細(xì)，含水裂隙帶或斷層破碎帶的波形稍寬一些；空洞或者溶洞的波形鈍而寬緩，邊緣往往呈不規(guī)則。在灰度圖方式下，例如相對于介質(zhì)中的波長較大的空洞，由于空氣中的波速較快，相對于周圍介質(zhì)的旅行時間較短，其反射波的正負(fù)波上凸彎曲，近似于拋物線，頂端位于洞中心。無論上述哪種方式，物理性質(zhì)相同的反射波都會形成一套特征相似的波形組合。因此，可根據(jù)波形特點(diǎn)、組合特征及其差別，必要時輔助以不同的處理方法來解釋反射目標(biāo)。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、零點(diǎn)校正、里程校正、附加高程、噪音干擾消除、空間及時間域?yàn)V波處理等步驟后，選擇合適的增益輸出圖像資料，最后根據(jù)獲取的不同地層電磁波速度進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換，繪制地質(zhì)解釋綜合剖面。常用的地質(zhì)雷達(dá)解釋軟件通常用一個平均速度表示，因此其顯示的深度與實(shí)際深度存在一定的誤差。此次檢測中使用的100 M天線是非屏蔽的，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時應(yīng)注意干擾因素，包括地面及地下建(構(gòu))筑物，如來自地下基礎(chǔ)及地面擋墻的側(cè)反射、地下大粒徑的塊石、地下暗涵及管道等，在資料解釋過程中應(yīng)加以識別。

1.2 微動探測

1.2.1 基本原理

微動探測也稱天然源瑞雷波法，屬于彈性波方法范疇，其震源是自然界的各種天然微弱振動和人類活動的復(fù)合振動信號(振幅為10-4～10-2mm)[4], 由體波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)組成，其中面波的能量占信號總能量的70%以上[5-6]，而能量構(gòu)成主要是瑞雷波, 瑞雷波具有頻散特性，通過對頻散曲線的反演擬合計(jì)算出地層的面波速度及相應(yīng)層深度，獲取地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)，根據(jù)橫波速度結(jié)構(gòu)判斷地層密實(shí)程度。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

微動探測的技術(shù)實(shí)現(xiàn)通常是采用二維陣列方式布設(shè)低頻檢波器, 觀測天然瑞雷波信號并分析其在不同地下介質(zhì)中的頻散特征來探測目標(biāo)體或異常。在實(shí)際勘探過程中，采用規(guī)則布陣，通常以一個拾振器為中心，其它拾振器在周圍形成若干個邊長不等的正三角形。如受地形條件影響，也可布置“一”字、“田”字、“L”形、“π”形以及嵌套圓形等多種形式的觀測臺陣，但探測深度及精度有所不同，為保證探測效果及反演深度，此次探測采用10個拾振器組成三重三角嵌套臺陣，其工作流程(圖2)。

圖2 微動探測工作流程圖Fig.2 Fretting detection flow chart

1.2.3 資料處理

微動探測資料處理常用的方法有空間自相關(guān)法(SPAC法)與頻率-波數(shù)法(F-K法)。空間自相關(guān)法是利用特殊的臺陣(如圓形臺陣、嵌套三角臺陣等)接收天然場源的面波，在時間域進(jìn)行窄帶濾波，求出不同頻率的空間自相關(guān)系數(shù)，加入空間坐標(biāo)參數(shù)提取頻散曲線。頻率-波數(shù)法可采取隨機(jī)布陣的方式，通過付氏變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，在頻率域提取頻散曲線。

2 檢測工程實(shí)側(cè)

2.1 地質(zhì)概況

檢測區(qū)位于福建石獅檢測區(qū)，原為海邊剝蝕殘丘、海岸帶和淺海灣3種地貌單元，地形破碎，地面起伏不定。海邊剝蝕殘丘范圍較小，主要分布于檢測區(qū)西北側(cè)；海岸帶及淺海灣分布于檢測區(qū)的大部分區(qū)域，近岸邊區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)淺灘，遠(yuǎn)離岸邊區(qū)域存在薄層淤泥質(zhì)土，最大水深為10.0 m左右。其中海邊剝蝕殘丘(陸域部分)場地地下水類型主要為上層滯水、孔隙潛水及少量的基巖裂隙水，海岸帶和淺海灣(海域部分)場地地下水以孔隙潛水為主，與海水基本連通，互為補(bǔ)給與排泄。

地質(zhì)勘察資料揭露，填海前區(qū)內(nèi)地層主要由第四系淤泥質(zhì)土、中粗砂、殘積黏性土及下伏花崗巖組成，局部存在有回填土、漂石等。填埋后區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為：①塊石、碎石、①-1素填土、①-2礫砂、①-3建筑土、①-4碎石素填土；②中粗砂、中砂；③碎石、塊石、③-1中粗砂、中砂；④碎石塊石；⑤原生土。素填土層主要由塊石、碎石、充填礫、砂等人工回填形成，厚度1.0～4.0 m。填砂層主要由中粗砂人工回填形成，厚度2.0～12.0 m。填石層主要由塊石中粗砂人工回填形成，海堤下倒濾層由花崗巖碎石人工回填形成，厚度4.0 m左右。

2.2 地球物理特征

檢測區(qū)東側(cè)靠近海邊，造成其填砂層松散的原因主要為海水掏空所致。對于致密的介質(zhì)，可參考常規(guī)的介質(zhì)介電常數(shù)及對應(yīng)的雷達(dá)波傳播速度(表1)，當(dāng)填埋地層存在松散區(qū)時，該區(qū)域介質(zhì)的相對介電常數(shù)會發(fā)生明顯改變，對應(yīng)的雷達(dá)波速度及波長同時發(fā)生變化，時間剖面的同相軸振幅也發(fā)生改變。因此，地質(zhì)雷達(dá)檢測填埋區(qū)密實(shí)度需具備良好的地球物理?xiàng)l件，可快速查明填埋地層松散及稍密區(qū)域。

表1 常見介質(zhì)的相對電常數(shù)與電磁波速度對應(yīng)關(guān)系

微動探測利用低頻檢波器接收自然界的各種天然微弱振動和人類活動的復(fù)合振動信號，經(jīng)反演獲取視橫波速度，通過其波速值大小來判斷地層結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)場地內(nèi)10個鉆孔的橫波速度：填土層為180～250 m/s，填砂層為220～350 m/s，填石層為250～500 m/s，基巖大于500 m/s。填海地層松散區(qū)形成主要原因是海水掏空，該地層主要填埋物為砂土，在漲落潮時砂土被海水帶走，松散區(qū)與上下地層之間存在明顯的密度及波速差異，橫波速度一般小于180 m/s，因此具備微動探測地球物理前提。

3 檢測結(jié)果

3.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測

此次檢測工區(qū)共劃分10個區(qū)域，面積共計(jì)60 000多m2，推測松散-稍密異常130處，地質(zhì)雷達(dá)異常長度1.0～38.8 m，深度0.4～15.2 m。填海地層松散介質(zhì)與致密介質(zhì)之間存在較大的相對介電常數(shù)差異，松散介質(zhì)在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為振幅較強(qiáng)的界面反射信號。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)波從相對介電常數(shù)較大的介質(zhì)進(jìn)入相對介電常數(shù)較小的介質(zhì)時，根據(jù)波動方程，在上界面會疊加為負(fù)波；反之，從相對介電常數(shù)較小的介質(zhì)進(jìn)入較大的相對介電常數(shù)較大的介質(zhì)時，在上界面疊加為正波。從典型的地質(zhì)雷達(dá)檢測剖面可以看出(圖3)，地質(zhì)雷達(dá)探測有效深度超過15 m，地質(zhì)雷達(dá)異常區(qū)主要集中在深度4.0～10.0 m，也即是海水漲落潮時的位置(檢測時海水潮位約4.0 m)，在該剖面樁號20 m的位置進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)(ZK12)，驗(yàn)證不同深度的地質(zhì)雷達(dá)異常。從驗(yàn)證結(jié)果來看，地質(zhì)雷達(dá)異常與標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 中心頻率100 M天線地質(zhì)雷達(dá)檢測典型剖面Fig.3 Typical profile of center frequency 100 M antenna of geological radar detection

以檢測區(qū)域一為例，測區(qū)東側(cè)靠近海邊，物探測線布置及綜合解譯結(jié)果(圖4)。在該測區(qū)共布置地質(zhì)雷達(dá)測線8條(含加密測線1條)，測線間距5 m，每條測線分別進(jìn)行了中心頻率250 M和100 M地質(zhì)雷達(dá)探測，其中LD05A、LD20A測線進(jìn)行了微動探測，LD20A測線樁號30 m位置布設(shè)ZK01進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 區(qū)域物探測線布置及綜合解譯圖Fig.4 Line arrangement and comprehensive interpretation diagram of geophysical prospecting in the area

中心頻率250 M天線地質(zhì)雷達(dá)檢測時間剖面(圖5)，在樁號29.0～31.0 m、雙程走時17～46 ns位置，地質(zhì)雷達(dá)波振幅明顯較強(qiáng)，推測為松散異常區(qū)。

圖5 LD20A測線250M天線地質(zhì)雷達(dá)檢測剖面Fig.5 The detection profile of 250M antenna geological radar in the LD20A line

中心頻率100 M天線地質(zhì)雷達(dá)檢測時間剖面(圖6)，樁號29.4～31.2 m范圍內(nèi)，在不同深度共發(fā)現(xiàn)3處松散地質(zhì)雷達(dá)異常：淺部異常與250 M檢測發(fā)現(xiàn)的異?；疽恢?；中部異常雙程走時在98～126 ns位置；下部異常頂部雙程走時在150 ns位置。檢測時海水潮位在雙程走時88 ns位置。

圖6 LD20A測線100 M天線地質(zhì)雷達(dá)檢測剖面Fig.6 The detection profile of 100M antenna geological radar in the LD20A line

3.2 微動探測結(jié)果

該次共完成微動探測點(diǎn)153個，推測松散-稍密異常18個，異常長度6.1～32.0 m，異常深度2.8～12.0 m。區(qū)域LD20A測線微動測深橫波速度剖面(圖7)，在樁號20.0～40.0 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3處明顯松散異常，其橫波速度小于140 m/s，與周圍介質(zhì)存在明顯的速度差異。

圖7 LD20A測線微動測深橫波速度剖面Fig.7 Micro dynamic depth cross wave velocity section in the LD20A line

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在地質(zhì)雷達(dá)及微動探測的異常位置，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)(SPT)進(jìn)行驗(yàn)證。標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)采用φ42 mm鉆桿，穿心錘重63.5 kg，落距76 cm，標(biāo)貫器打入填土中150 mm后，開始記錄每打入100 mm的錘擊數(shù)，累計(jì)打入300 mm的錘擊數(shù)為一次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N。在樁號30.0 m位置布置驗(yàn)證孔(ZK01)，從驗(yàn)證結(jié)果來看，深度3.30 m與7.30 m地層為松散地層，深度5.10 m為稍密地層，與地質(zhì)雷達(dá)探測、微動探測結(jié)果基本一致。

檢測區(qū)域一通過地質(zhì)雷達(dá)快速檢測，發(fā)現(xiàn)QX01、QX02、QX03等3處不密實(shí)異常區(qū)域，LD05A、LD20A 2條微動剖面進(jìn)一步劃分出了不密實(shí)區(qū)域的空間分布。3處異常區(qū)域東側(cè)與海水連通，推測海水漲落潮帶走部分填砂，形成不密實(shí)區(qū)與局部脫空區(qū)，且造成地面局部塌陷。

4 結(jié)語

該次填海區(qū)密實(shí)度大面積檢測得出結(jié)論如下。

(1)地質(zhì)雷達(dá)與微動探測的物探方法組合評價填海區(qū)密實(shí)度，是利用先進(jìn)的物探設(shè)備進(jìn)行的一種全新嘗試，標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明其成果是可靠的，有一定的推廣價值。

(2)地質(zhì)雷達(dá)與微動探測對一定深度的松散、稍密地層均有良好的探測效果，對場地條件沒有特殊要求且不造成破壞。

(3)地質(zhì)雷達(dá)能定性檢測出密實(shí)度情況，且檢測周期短、效率高、成本低。大功率低頻天線在海水面以下仍有一定探測深度和效果。

(4)微動探測對填海區(qū)密實(shí)度情況能定量評價，檢測精度高，成果資料直觀可靠。

實(shí)踐表明大功率地質(zhì)雷達(dá)與微動探測2種物探方法組合，可對填海區(qū)密實(shí)質(zhì)量進(jìn)行有效評價，也可對建筑場地及路基碾壓密實(shí)度進(jìn)行評價，有較好的應(yīng)用前景。