1、多道瞬态瑞雷面波在岩土工程地质分层调查中的应用摘要：本文简要叙述了多道瞬态瑞雷面波勘探的基本原理和方法技术，以调查岩土介质分层工程实例，对瑞雷面波资料进行处理、分析、解释，并结合工程勘察钻孔予以标定，钻探与物探相结合取得了良好的应用效果，为整个工程的设计和施工提供了科学依据。 关键词：瑞雷面波；多道；瞬态；频散曲线 中图分类号： K826.16 文献标识码：A 文章编号： 1. 引言 在工程地质调查中，根据地层的岩性进行地质分层。由于工程勘察布置钻孔网度的局限性，通过物探手段多道瞬态瑞雷面波进行无损检测，研究地层分层情况，并结合钻探资料综合分析对比，获得更好的地质效果。多道瞬态瑞雷面波对岩土介
2、质各层之间的界面划分较为有效，且施工效率高、成本低、现场无损，在工程物探领域应用空间广阔。 2. 工作方法 2.1 瑞雷面波勘探的基本原理及特点 面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P 波）和横波（S 波）不同，是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫面波是由 SH 波与 P 波干涉而形成，而瑞雷面波（R 波）是由 SV 波与P 波干涉而形成，且 R 波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与 r-1/2 成正比，因此比体波（P、S 波r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约
3、为一个高度为 R（R 波长）的圆柱体向外扩散。 在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由 Miller（1955 年）计算出来，即 P 波占 7%、S 波占 26%、R 波占 67%，亦就是说，R 波的能量占全部激振能量的 2/3。因此，利用 R 波勘探，其信噪比会大大提高。 瑞雷面波具有地层分辨率高的特点，并可获得地层物性参数。该方法用于岩土工程勘察，与以往弹性波勘察方法的差别在于，它应用的不是纵波和横波，而是通常被视为干扰的面波。其原理是，在分层介质中，瑞雷面波具有频散特性，其传播的相速度随频率的改变而改变。这种频散特性可以反映地下
4、岩土介质的特性。瑞雷面波沿地层界面传播，传播深度约为一个波长，因此，同一波长的瑞雷面波传播特性反映该地质条件下在水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷面波传播特性反映不同深度的地质条件。 瑞雷面波的特点： （1）在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；（2）在不均匀介质中 R 波相速度（VR）具有频散特性，是面波勘探的理论基础；介质特性发生明显变化时，频散曲线会随之改变，呈现“之”字型拐曲、频散点缺失等； （3）由 P 波初至到 R 波初至之间的 1/3 处为 S 波组初至，且 VR 与VS 具有很好的相关性，其关系式为：VR=VS（0.87+1.12）/（1+） ，式中： 为泊松
5、比。此关系奠定了 R 波在测定岩土体物理力学参数中的应用； （4）R 波在多道接收中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴； （5）质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动； （6）R 波沿地层界面传播，且能量主要集中在距地层界面一个波长（R）尺度范围内。 依据上述特性，通过测定不同频率的瑞雷面波相速度 VR，即可了解地下介质的相关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。 2.2 野外工作方法 某城市轨道交通建设，应用多道瞬态瑞雷面波进行无损检测，配合钻探对地层的岩性进行分层调查。地表标高+25+32m，地下水位线深度24m，地质任务为了解地表以下 40m 范围内，地层岩性
6、分层情况。其地层主要为人工填筑土、粘土、泥质砂岩、砂岩。 采用多道瞬态瑞雷面波进行观测，利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生瞬态激振力时，可以形成宽频带的 R 波，不同频率的R 波相互叠加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲信号，经数据采集、处理、频谱分析后，将各个频率的 R 波分离出来，并求得相应的相速度 VR 值，进而绘制面波频散曲线。 多道瞬态瑞雷面波数据采集还应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般而言，当探测较浅部地层介质特性时，易采用小道间距、小锤作震源，以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部地层介质特性时，易采用较大道间距、重锤作震源，以产生
7、较低频率的信号，使其能反映地下更深处介质的信息。 多道检波器数据经处理、谱分析，得到频散曲线，一般视为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均值，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更贴近客观实际。 2.2.1 作业依据及规范 （1） 浅层地震勘查技术规范 （2） 多道瞬态面波勘察技术规程 2.2.2 测线布置 野外观测采用线性观测系统，即激振点和检波器布置在同一条直线上，以观测点为中心对称布置，采用多道检波器接收的工作方式。 图 1 采集系统示意图 2.2.3 仪器设备及采集参数 （1）仪
8、器设备 （2）采集参数 3. 资料处理与解释 3.1 数据处理 由于多道瞬态瑞雷面波勘探中波场的复杂性，除了有效的不同频率成分的瑞雷面波外，还包含规则干扰(如直达波、折射波及浅层反射波等)和不规则干扰。因此，前期波场分离(滤波处理)是非常必要的，直接影响资料解释的精度。 瑞雷面波数据处理按其算法一般分为时间域和频率域。面波的各个模态，在时间距离域往往相互穿插叠合，利用二维傅立叶变换，将 XT域(时间距离域)的弹性波场数据，经剔除干扰，转换为频率波数谱数据；在 FK 域（频率波数域）中，可以清楚地区分面波不同模态的波动能量（能量谱） ，经一系列谱分析，能够单一地提取出基阶模态的频散数据；再转换到
9、 XF 域（距离频率域） ，对多道频散数据进行互相关叠加，得到实测频散曲线；最后转换到 ZV 域（深度速度域） ，进行地层层位拟合、反演，求取层厚及横波速度（VS）参数。 3.2 资料解释 利用处理所得横波速度（VS） 、地层厚度及测点坐标数据，使用surfer 软件进行数据网格化，生成波速映像剖面图；利用反演所得岩土介质各层厚度，结合钻孔绘制地质剖面图。 图 2 速度映像剖面图 图 3 地质剖面图 3.3 效果分析 多道瞬态瑞雷面波勘探，通过对面波频散曲线的认识，可以了解地下界面的起伏、变化情况。结合钻孔资料对比分析，该工区地层剖面连续性较好，岩土介质第一层速度较高，波速一般 200300m
10、/s，为人工填筑土，厚度一般为 23m。参照已知地质资料，由浅至深主要解释为人工填土层、可（硬）塑状黏土层、全风化层、强风化层、中等风化层及微风化层。 4. 结论 多道瞬态瑞雷面波勘探作为一种浅层地球物理勘探方法，具有分辨率高、施工效率高、成本低、现场无损、资料处理流程简单等优势，在工程物探领域应用效果明显、前景广阔。在岩土工程勘察中辅以合理、有效的物探手段，往往会收到事半功倍的效果。 参考文献： 1刘云祯：工程物探新技术M.北京：地质出版社,2006 2熊章强,方根显：浅层地震勘探M.北京：地震出版社,2002 3王振东：浅层地震勘探应用技术M.北京：地质出版社,1988 4杨成林，等：瑞雷波勘探M. 北京：地质出版社,1993 5宫胜家：瞬态面波的勘探及应用J.中国煤炭地质,2008,9(增刊):8486
