1、1浅议公路工程中瑞利波测试技术及其工程应用摘要：近年来发展起来的表面波法为公路工程剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。随着瑞利波法实测技术和资料解释理论的发展，这一新技术已被广泛用于公路工程勘察、地基加固效果评价、工程质量检测等方面。 关键词：公路；瑞利波；稳态瑞利波；瞬态瑞利波 中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 土体剪切波速度的测试是土动力学, 波浪荷载、爆破、施工振动及机器振动和地震工程学研究中的一项重要内容，也是近年来发展起来的浅层地震勘探和对已加固地基进行科学评
2、价的一项新技术。过去，剪切波速度的原位测试方法大多采用体波, 压缩波或剪切波. 作为试验信号，而把表面波作为干扰信号处理，由此发展了上孔法、下孔法、跨孔法、孔底法、孔内法及地震锥探法等多种形式。其中，跨孔法被认为是测定土的剪切波速度最可靠的方法。这类方法原理较为简单，一般假定波沿2直线传播，只要测出波的传播距离和历时即可计算出波速。然而，由于测试时必须在地层中钻一个或多个孔，所以其测试费用比较昂贵。近年来发展起来的表面波法为土体剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。它主要包括稳态瑞利波法和瞬态瑞利
3、波法。国外于 50 年代由 Jones 首次将稳态瑞利波法用于土木工程中。我国以 80 年代由日本引入 GR810 仪器系统为代表，开展了大量的试验研究和测试工作。由于稳态瑞利波法测试设备较为复杂，重量也大，所以开发一种测试设备较为轻便，测试速度更快的测试方法成为必然。鉴于瞬态激振的功率谱分布不均，频率能量太小而随机干扰大，目前又发展了一种新的面波勘探方法，即瞬态多道瑞利波测试技术。它可以通过多次叠加和多道相关叠加，使得频谱能量加大，干扰减少，测试结果更为可靠。 1 瑞利波测试原理 稳态瑞利波法的测试由电磁式激振器产生某一频率的稳态震源，震源和检波器在测线法，按直线布置。通过缓慢移动两检波器的
4、相对位置，使两检波器处于同相位置，则构成了稳态瑞利波法最简单的测试方法。由日本推出的 GR-810 型测试系统在我国应用得较为普遍。检波器接收到的面波信号由地震仪记录，再经滤波器滤波后，由计算机对两道记录进行相关分析并计算面波传播的时差，进而确定该频率下的传播速度。目3前，已有多种瑞利波测试信号分析处理系统，如 ES1225 等。中国科学院武汉岩土力学研究所研制的 RSM-16H 型动测仪配有便携式微机、液晶显示屏等硬件和信号分析的专用软件，如频谱分析、功率谱计算、相关处理等。RSM-16H 仪的显示屏上有游标线辅助读数等功能，可取代目视读数方法。为提高计算 VR 的精度，可读取多个相位的时差
5、,求平均值。 瞬态瑞利波法由于使用重锤或其它脉冲荷载作为震源，故其设备简单、轻便，效率更高。在脉冲荷载作用下，位于地表的传感器接收到的基本上是 R 波的竖向分量信号。瑞利波经检波器 1 向检波器 2 往外传播。所接收到的信号是时间域信号，包含了多个单频瑞利波，必须借助于频谱分析才可能求得 R 波速度，所以这一方法也称为表面波频谱分析（SASW） 。 2 剪切波速的反演计算 由实测 R 波频散曲线反演成层介质剪切波速度是 R 波法中的主要研究内容之一。迄今为止，虽然已有多种反演方法，但应用效果并不十分理想。其原因是，理论上讲，只要给定了土层结构模式，就可以求出相应的 R 波频散曲线。反过来，由
6、R 波频散曲线去推求土层的结构模式却并非是线性的和唯一的。一般的做法是，先给出一个反演模式，对一假定的初始条件进行计算并与实测频散曲线加以比较。反复修改参数，使计算值与实测值比较吻合。 国内学者利用瑞利波波速主要决定于土层剪切波速的特点，在分析4了瑞利波波速对剪切波速的偏导数随土层深度变化规律的基础上，用加权法建立了瑞利波波速与土层剪切波波速的近似关系，结合地球物理勘探中的剥层法及工程勘探中的半波长法，提出了相应的反演方法。利用跨孔法的实测资料，对该方法和半波长法进行对比分析，认为所建议的方法优于半波长法。 3 瑞利波法在公路工程中的应用 31 地层剪切波速度的测定 瑞利波测试最直接、最主要的
7、目的便是确定地层的瑞利波速度，进而反演剪切波速度，为土的动力特性和地震工程中的分析和设计提供参数。在杭州某地同时用稳态法和瞬态法测试土层的 R 波频散曲线。分析表明，两种方法的测试结果相当接近，其中瞬态法有明显的优势：测试设备简单，测试过程简便，测试土层深厚。陈云敏等根据几个工程的比较试验，认为瞬态法（SASW）法和跨孔法测试的剪切波速在深层基本一致，而在浅层瞬态法更符合实际结果。Adobe 等利用瞬态瑞利波法在加拿大西部进行了 6 个场地的现场试验，场地土类包括十分坚硬的冰渍土、冲积三角洲沉积物及极软弱的有机质粘土。今后，需进一步改进低频信号源以增加探测深度，也需改进高频信号源及高频信号接收
8、器以改善表层土的可测性和分辨能力。 53.2 工程勘察及地基土类型的划分 利用剪切波波速(或 R 波波速)沿地层深度的变化关系可对地基土进行勘察，从而减少钻探工作量，降低勘察成本。一般认为，剪切波速度沿深度的突变或异常是地基土的分层界面引起的。溶洞、空穴、裂隙、坚硬异物的存在均会引起剪切波速度的异常，探明异常曲线的特点便可推测产生异常的原因。另外，由分层剪切波速度，根据有关规范可定出其土类，进而进行工程设计。 3.3 确定地基承载力及评价地基加固效果 通过建立标准贯入击数与剪切波波速之间的相关关系来间接评价地基的承载力。根据不同地区的工程经验已经建立了多种类似的关系，如日本土质学会关系式、日本
9、公路桥涵设计规程及我国的许多关系。也可以直接建立地基承载力与 R 波波速之间的经验关系来确定地基承载力。 通过地基加固前后剪切波速度的变化可直接评价其加固效果。它适用于强夯加固、袋装砂井、碎石桩地基以及深层搅拌法等地基。某强夯加固地基，加固后 6.5m 以上土层 R 波速度明显提高。土工试验资料表明，填土地基的密实度和压缩模量有较大程度的提高。而 6.5m 以下，加固前后两条曲线基本重合，说明该场地加固有效深度达 6m 左右。对杭州某粉砂地基振冲碎石桩加固前后分别采用 SASW 法和跨孔法测定了其剪切波波6速剖面。测试布置时，SASW 法的波传播路径穿过桩及桩间土，而跨孔法的波传播路径位于桩间
10、土，所以在深度小于 5m 范围内 SASW 法的测试结果明显大于跨孔法的结果。分析认为，SASW 法所得结果比跨孔法能更好地反映复合地基的整体特性，可作为评价这类地基抗液化性能的依据。 结论 瑞利波勘探技术是近年来发展起来的一种新的方法, 有关的理论及应用有待进一步深入研究。稳态瑞利波法对解决地面工程中的浅层地质问题已取得一定效果。瞬态瑞利波法除可用于地面工程外, 由于其仪器轻便、便于防爆、施工简单, 因此在地下工程下应用有广阔的前景。在现有理论及应用研究的基础上, 有关部门在时机成熟的时候应组织专家尽快建立有关瑞利波进行工程勘探的技术规范, 使瑞利波勘探的推广应用走向规范化的发展轨道。 参考
11、文献 1 崔建文，乔森，樊耀新, 瞬态面波勘探技术在工程地质中的应用J, 岩土工程学报，2002，18（3）: 35-40 2 李哲生, 瞬态多道瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中的应用J, 工程勘察，2004,(3):66-68 3 张献民,王建华,武炜. 应用瞬态面波预测基桩承载力J . 天7津大学学报(自然科学版) ,2004 ,35(6) :726730. 4 Ganji V , Gucunski N , Maher A. Detection of underground obstacles by SASW method numerical aspectsJ . J Geotech and Geoenvironmental Engrg ,1997 ,123(3) :212220.
