面波法與單孔法波速測試

1、面波法與單孔法波速測試的工程實(shí)踐  （中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222） 摘 要：波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是一種簡便、快速、準(zhǔn)確的原位測試技術(shù)。通過波速測試可獲得巖(土)體的彈性波速，為工程設(shè)計(jì)提供所需的動彈性力學(xué)參數(shù)、劃分建筑物場地類別、評價(jià)地震效應(yīng)、進(jìn)行場地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢分析等。文中簡述了面波法與單孔法等波速測試方法的工作原理、現(xiàn)場施測技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和資料分析過程。以工程實(shí)例說明了波速測試技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和效果，并就勘探工作的總體安排及其原位測試方法的選擇進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：波速測試技術(shù)；瑞雷面波；剪切

2、波；壓縮波；巖土工程勘察；地球物理勘探  波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術(shù)的一個(gè)重要分支，目前已廣泛應(yīng)用于水利、水電、石油、鐵路、冶金、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。 一般來說，波速測試可原位測定壓縮波（P波）、剪切波（S波）和瑞雷面波（R波）在巖（土）體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質(zhì)問題，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度、評價(jià)巖土質(zhì)量等；并可計(jì)算工程動力學(xué)參數(shù)，如動剪切模量、動彈性模量等。本文介紹了波速測試技術(shù)的工作原理和野外測試方法，并結(jié)合工程

3、實(shí)例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，敬請批評指正。 1工程概況 北大港水庫位于天津市東南部大港區(qū)境內(nèi)，東臨渤海灣，地貌上屬于海積平原的濱海洼地，隸屬華北平原一部分。該庫地處海河流域的大清河、南運(yùn)河、子牙河水系，獨(dú)流減河下游右岸。水庫自1954年開始建設(shè)，1974年對圍堤進(jìn)行培厚加高加固處理，1976年初步建成，并陸續(xù)修建蓄、引、輸、排水配套工程，至1980年建成。水庫蓄水面積150km2，占地面積164km2，設(shè)計(jì)堤頂高程9.5m（大沽高程，下同），設(shè)計(jì)最高蓄水位7.0m，相應(yīng)總庫容5.0億m3（興利庫容4.41億m3）。是一座以蓄供水為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的大（

4、2）型平原水庫，工程等級為類，圍堤及主要穿堤建筑物級別為2級，其余次要建筑物級別為3級。水庫樞紐工程主要由圍堤、穿堤建筑物（水閘、供水口門等）以及蓄水建筑物（揚(yáng)水站、尾閘等）組成。其中水庫圍堤為均質(zhì)土堤，總長54.511km，堤頂設(shè)計(jì)高程為9.5m，堤頂寬度10m，迎水坡13，背水坡上部13，馬道以下14。主堤前緊接防浪林臺，其邊坡18，林臺臺頂寬度2835m不等，臺頂高程7.5m。在庫內(nèi)距圍堤堤軸線2001 000m處，筑有防浪堤一道，總長36.048km?？碧缴疃?0.0m范圍內(nèi)堤基地層為第四系全新統(tǒng)第一陸相沉積物（alQ34）和第一海相沉積物（mQ24）。其中第一陸相層巖性主要為壤土、粘

5、土、局部夾砂壤土透鏡體，第一海相層巖性主要為粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥質(zhì)壤土。該區(qū)地層結(jié)構(gòu)多呈層狀發(fā)育，局部呈透鏡體狀分布。地下水位埋深一般為2.13.5m，水質(zhì)多為半咸水咸水。根據(jù)1/400萬中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖GB183062001，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，按照地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表，本區(qū)地震基本烈度為度。 2 測試方法與技術(shù) 2.1面波法123 面波勘探是國內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易

6、識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無源法。它們的測試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。目前常使用瞬態(tài)面波法進(jìn)行勘探。2.1.1 工作原理 面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的P波和S波不同，它是地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，

7、長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為R（R波長）的圓柱體向外擴(kuò)散。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計(jì)算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，也就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：(1)在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；(2)在不均勻介質(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)；(3)由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具

8、有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：  (1)  式中，為泊松比。由于第四系地層的泊松比一般為0.370.49，故VR=（0.9380.954）VS，可以認(rèn)為對土體而言，VR與VS基本相等，其誤差只有5%左右。該關(guān)系奠定了R波在測定巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；(4)R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；(5)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動；(6)R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長（R）尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目

9、的。 2.1.2 測試方法 應(yīng)用瞬態(tài)面波法進(jìn)行現(xiàn)場測試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖振動信號后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距x應(yīng)滿足（R/3）R，即在一個(gè)波長內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度

10、及儀器分辨率和場地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當(dāng)探測較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測較深部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發(fā)，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演

11、技術(shù)水平，選用偏移距2040m即可獲得較好的測試結(jié)果。由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測場地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí)，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀實(shí)際。本次工作共布置5條測試斷面，分別位于水庫圍堤樁號2+500、14+000、21+250、28+200及45+970處，同時(shí)在相應(yīng)部位布置了單孔剪切波測試（相應(yīng)孔號為G01G05）。因進(jìn)入第一海相層后縮孔嚴(yán)重，除G03、G04孔做了部分鉆孔剪切波測試外（孔深小于12m、11m測段），在全部測試

12、斷面上均布置了瑞雷波測試剖面以代替鉆孔剪切波測試。瑞雷波測試剖面單一排列長度62m。面波法采用瞬態(tài)瑞雷波探測技術(shù)，兩端激發(fā)多道接收的完整對比觀測系統(tǒng)，12道接收、道間距2m，經(jīng)展開排列試驗(yàn)選擇偏移距20m。錘擊震源。 2.2 單孔法456 單孔檢層法，是在一個(gè)垂直鉆孔中進(jìn)行波速測試的一種方法。按照震源和檢波器在鉆孔中所處的位置，可分為地表激發(fā)孔中接收法、孔中激發(fā)地表接收法、孔中激發(fā)孔中接收法、孔底法等四種測試方法，常用地表激發(fā)孔中接收法。 2.2.1 工作原理 以巖(土)體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過測定不同巖(土)層的S波、P波的傳播速度，計(jì)算巖(土)體的動

13、彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖(土)體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。實(shí)測一般采用單孔地表激發(fā)孔中接收法，即地面激發(fā)彈性波，孔內(nèi)由檢波器接收。當(dāng)?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r(shí)可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生S波，利用剪切波震相差180°的特性來識別S波的初至?xí)r間。 2.2.2 測試方法 實(shí)測通常由震源和記錄儀器組成，叩板震源設(shè)置一般距孔口27m，平放一塊壓重物的木板，測試孔應(yīng)位于木板長軸的中垂線上，使木板與地面緊密接觸。木板長2.53.0m，寬0.30.4m，厚0.060.10m，上壓約5001 000kg的重物。當(dāng)分別水平敲擊木板兩端時(shí)，產(chǎn)生彈性波(此時(shí)以S波為主)。記錄儀器由井中三分

14、量檢波器和工程地震儀構(gòu)成，三分量檢波器放置井中某一深度，接收由震源產(chǎn)生的彈性波信號，并通過連接電纜輸送給地震儀，再由地震儀記錄并存儲以備后期數(shù)據(jù)處理之用，圖1為單孔檢層法測試示意圖。 圖1 單孔檢層法測試示意圖  單孔檢測法測試彈性波時(shí)，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計(jì)算測段內(nèi)地層波速時(shí)需將彈性波的非縱測線旅行時(shí)，計(jì)算公式如下： （2） 式中，t為縱測線旅行時(shí)(s) ； t為非縱測線旅行時(shí)(s)； h為測點(diǎn)孔深(m)；x為震源板距孔口的距離(m)。由校正后的縱測線旅行時(shí)即可求得各測試地層的彈性波速度。現(xiàn)場測試過程中應(yīng)注意以下特征：(1) P波傳播速度

15、較S波速度快，P波為初至波；(2) 震源板兩端分別作水平激發(fā)時(shí)，S波相位反向，而P波相位不變；(3) 檢波器下孔一定深度后，P波波幅變小，頻率變高，而S波幅度相對較大，頻率相對較低。(4) 最小測試深度應(yīng)大于震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速地層界面可能造成的折射波影響。  圖2北大港水庫G03孔     圖3北大港水庫G04孔 本次鉆孔剪切波測試采用單孔地表激發(fā)孔中接收法，使用叩板震源，震源距孔口分別為2.8m、6.5m，孔內(nèi)測點(diǎn)間距為1.0m，自下而上逐點(diǎn)施測。各點(diǎn)采用正、反向兩次激發(fā)。由于第一海相層縮孔嚴(yán)

16、重，僅在G03(21+250)、G04(28+200)兩孔實(shí)施了部分孔段的剪切波測試(孔深分別為012m、011m測段)。 3 資料整理與解釋 3.1 面波法 R波在非均勻介質(zhì)中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)探測的巖土層介質(zhì)較為均一時(shí)，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線會出現(xiàn)一個(gè)所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉(zhuǎn)入下一層漏能型面波，且此轉(zhuǎn)折點(diǎn)與兩介質(zhì)間的界面埋深有密切的關(guān)系（一般為相應(yīng)頻率R波的半個(gè)波長），由此可依據(jù)實(shí)測頻散曲線的“

17、Z”字型變化點(diǎn)來劃分地下巖性變化的分界面。由野外獲得的面波時(shí)程曲線原始記錄，使用SFKSWS軟件進(jìn)行分析解釋，劃分地層層位求解厚度并計(jì)算各層R波速度（如圖2、圖3為實(shí)測面波反演解釋結(jié)果，圖中標(biāo)出分層厚度及對應(yīng)地層面波速度），然后由求得R波速度（VR）后，按公式(1)計(jì)算相應(yīng)地層的S波速度。 3.2 單孔法 在野外實(shí)測單孔剪切波測試波形記錄上可直接讀取各測點(diǎn)正、反向激發(fā)所獲得的剪切波初至旅行時(shí)，由此取得非縱測線各測點(diǎn)的旅行時(shí)，按式(2)校正后得到縱測線對應(yīng)深度旅行時(shí)，繪制時(shí)距曲線并求取各測試地層的彈性波速度，最后繪制彈性波測試成果圖（見圖4、圖5中的實(shí)線為單孔法測試S波速）。

18、 3.3兩種方法測試結(jié)果對比 分別在G03、G04鉆孔孔深012m、011m做了單孔剪切波與地面面波測試的對比試驗(yàn)(見圖4、圖5，圖中虛線是由R波速換算而得的S波速)，測試結(jié)果表明：使用兩種不同方法所測剪切波速度值及其變化規(guī)律基本一致。在以下的計(jì)算、分析中，所使用的剪切波速度值均由瑞雷面波測試結(jié)果換算而得。  圖4 北大港水庫孔剪切波測試成果圖 3.4 利用波速計(jì)算動力學(xué)參數(shù) 根據(jù)實(shí)測獲得的彈性波速（剪切波速Vs和壓縮波速Vp）即可計(jì)算巖(土)體的動彈性力學(xué)參數(shù)。計(jì)算公式如下： (3)  (4)  (5) 

19、;Gd=2V2S (6)  式中，為介質(zhì)密度(g/cm3)；Vp為壓縮波速度(m/s)；Vs為剪切波速度(m/s)；為泊松比；Ed為動彈性模量(GPa)；Gd為動剪切模量(GPa)。 4 成果分析 4.1剪切波速度統(tǒng)計(jì) 表1鉆孔剪切波速度統(tǒng)計(jì)成果表 測試孔號（樁號）測試深度m剪切波速度Vs（m/s）范圍值等效值G01(2+500)20.0139197169G02(14+000)20.0100189151G03(21+250)20.0114200154G04(28+200)20.0129199168G05(45+970)20.09119

20、3142 統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括各測試斷面剪切波速度范圍值和等效剪切波速度，其中等效剪切波速度按式（7）計(jì)算，結(jié)果見表1。Vse= H0/t （7）式中，Vse為土層等效剪切波速度(m/s)；H0為計(jì)算深度（m）；t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間（s）。  圖5 北大港水庫孔剪切波測試成果圖  4.2 場地類別判定 表2建筑場地類別判定標(biāo)準(zhǔn) 等效剪切波速（m/s）場地類別備注表中黑體部分為覆蓋層厚度（m）Vse5000    500Vse2505 5   2

21、50Vse1403350 50  Vse1403315158080   4.3 砂性土地震液化勢判別 按地震基本烈度度考慮，對水庫圍堤15m深度范圍內(nèi)的砂性土層依據(jù)巖土工程勘察規(guī)范（GB500212001）8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，當(dāng)砂性土層的剪切波速度實(shí)測值大于由式（8）所計(jì)算的臨界剪切波速度時(shí)，則判定該砂性土層不液化。 (8)式中，Vscr為剪切波速度臨界值(m/s)；Vs0為與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（砂：Vs0=65m/s；砂壤土：Vs0=45m/s）；ds為剪切波速度測點(diǎn)深度（m）；dw為地下水深度（m），本測區(qū)dw=3m；c為粘粒含量百分率，

22、當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，采用3。根據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)對水庫圍堤地基砂性土層進(jìn)行判別,其結(jié)果見表3。 表3砂性土剪切波速度統(tǒng)計(jì)表  孔號（樁號）孔深m巖性剪切波速度（m/s） 液化勢判別實(shí)測值Vs臨界值VscrG01(2+500)9.010.210.211.811.815.0粉細(xì)砂砂壤土粉細(xì)砂139160160160179172182126135195217液化不液化液化G02(14+000)10.512.014.915.6砂壤土 139146189126136 150153不液化不液化G04(28+200)10.014.0砂壤土  16712

23、5146不液化 注：G03(21+250)、G05(45+970)兩孔深20m范圍內(nèi)地層巖性均為粘性土（即由粘土和壤土組成），故不做液化判別。 5 結(jié) 論 (1)測試結(jié)果表明：在水庫圍堤的物探測試部位20.0m深度范圍內(nèi)剪切波速度范圍值為91200m/s，等效剪切波速度值為142169m/s；根據(jù)文獻(xiàn)7，按20.0m深度內(nèi)土層等效剪切波速度值（取覆蓋層厚度大于50.0m）判別，所測水庫圍堤部位建筑場地土類別為類；根據(jù)文獻(xiàn)8，按剪切波速度實(shí)測值判別，水庫圍堤地基砂壤土層為不液化土層，粉細(xì)砂層為液化土層。(2)對比試驗(yàn)表明：面波法與單孔法測試結(jié)果基本一致，施測選用時(shí)應(yīng)根據(jù)勘測工作的總體安排和場地條件綜合考慮。面波法的優(yōu)點(diǎn)是不需要鉆孔、測試剖面直觀等