多道瞬態(tài)面波法在評價軟土地基處理效果中的應用

多道瞬態(tài)面波法在評價軟土地基處理效果中的應用1概述多道瞬態(tài)面波法是在20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種新的工程物探方法，隨著對該方法的深入研究、工作方法和資料處理與分析軟件的不斷完善及大量的工程實踐應用，該方法能夠很好地解決實際工程地質問題，并取得了良好的應用效果，創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。由面波傳播特征可知，它具有振動能量強、效率低、信噪比高、易識別和觀測、不受介質層速度倒轉的限制、對存在波速差異的介質層有較好的分辨能力等特點。其與其他地震勘探方法相比，具有工作方法簡單、所需的激發(fā)能量小、排列短、不受場地開闊程度限制、不受介質中飽水程度影響。這些特點使得多道瞬態(tài)面波法有著廣闊的應用范圍，目前該方法廣泛的應用于：（1）工程地質勘查：利用實測的瑞雷波頻散曲線，通過定量解釋，可以得到各地質層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟、硬”程度。因此，可以對第四系地層進行劃分，確定地基的持力層。地層中存在低速度帶反映了地下賦存有軟弱夾層，這類地層對建筑物易造成危害。多道瞬態(tài)面波法可方便地劃分出該軟弱層的埋深及范圍。（2）地基加固處理效果評價：軟地基的加固處理，就是通過不同的方法，如強夯、擠密置換、化學處理、真空預壓等，使軟地基變“硬”。多道瞬態(tài)面波法評價加固效果，是通過實測地基加固前后的波速差異，得到處理后的地基較處理前土體的物理力學性質的改善程度，同時可方便地對處理后場地在水平方向的均勻性做出評價，以及確定加固所影響的深度和范圍。（3）巖土的物理力學參數(shù)原位測試：波速的大小與介質的物理力學參數(shù)，如密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比密切相關。因此，通過對實測資料的反演擬合解釋，可以得到巖、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進而計算出其它的參數(shù)。（4）地下空洞及掩埋物探測：地下土洞、溶洞、礦區(qū)廢棄礦井以及各種地下掩埋物，有時需要準確地探測其在地下的賦存位置。用多道瞬態(tài)面波進行勘察時，當面波的勘探深度與這些物體的深度相當時，頻散曲線就會出現(xiàn)異常跳躍。據(jù)此可以確定其理深及范圍。（5）公路、機場跑道質量無損檢測：利用人工激發(fā)的數(shù)十～數(shù)千赫茲的高頻瑞雷波，可以分別測出路面、路基的波速，進而計算出路面的抗折、抗壓強度及路基的載荷能力，以及各結構層的厚度。該方法用于機場跑道和高等級公路的另一項意義是可實現(xiàn)質量隨年代變化的連續(xù)監(jiān)控。（6）飽和砂土層的液化判別：當較松散的飽和砂土層受到振動時就會被振實，體積減小。如果不排水，孔隙水壓力就會增高。在連續(xù)振動條件下，砂土層內(nèi)的孔隙水壓力增高到了某個時候，孔隙水壓力就會等于上覆土壓力，在這種情況下，砂土層就不再具有抗剪強度，而處于液化狀態(tài)。可見，飽和砂土層在振動作用下液化與否，與砂土層的密實度有關，越松散越易發(fā)生液化；反之，不易液化。根據(jù)一定場地內(nèi)的飽和砂土層的埋深，地下水位的深淺等地質條件，可以計算出該飽和砂土層的液化臨界波速值。實測波速大于該臨界值，則為非液化層，小于該臨界值則為液化層。（7）其它方面的應用：瑞雷波勘探用于工程地質，解決的問題是多方面的，除上述六個方面的應用外，還可有效地用于基巖的完整性評價，場地土類型、類別劃分，滑坡調查，堤壩危險性預測，樁基入土深度探測等。近年來，我國的巖土工程發(fā)展迅速，尤其是軟土地基處理手段如振沖碎石樁、強夯、真空預壓等得到廣泛應用。與此相應的是如何對軟土地基的加固效果進行檢驗和評價，已成為巖土工程中一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。一般說來，軟土地基加固效果，大都以常規(guī)的鉆探、標準貫入試驗、動力觸探和靜載試驗等手段進行檢驗。無疑這些方法對軟土地基加固效果的檢驗和評價都是有效的，可是采用上述方法往往需要較多的人力和物力，成本高，設備笨重，有時由于某些條件的限制難于進行或不宜較多的進行，且只能對某一點進行評價，此外難以對軟土地基加固的均勻性、加固有效影響深度做出評價。應用多道瞬態(tài)面波法，采用無損動測技術，可以快速方便的實現(xiàn)地基加固效果的評價，并且可以對軟土地基加固的均勻性、加固有效影響深度做出評價。瞬態(tài)面波法與傳統(tǒng)方法相比，有以下特點：（1）鉆探、挖坑取樣試驗僅僅反映一個孤立的點，而瞬態(tài)面波檢測反映的是一個體積單元，因而更具有真實性和代表性。（2）鉆探、挖坑取樣是對體積單元某點上破壞，而瞬態(tài)面波是無損的原位檢測；在施工監(jiān)理中。能夠對已隱蔽的填土壓實度作出評價，在處理質量爭議及檢驗驗收時作用較為明顯。（3）鉆探、挖坑取樣速度慢，費用高，而瞬態(tài)面波法在現(xiàn)場檢測時，不影響現(xiàn)場施工，具有速度快、效率高、方便、快捷等優(yōu)點，可以明顯降低檢測費用。（4）瞬態(tài)面波法也可以利用鉆探等傳統(tǒng)方法的檢測結果，建立面波波速與某一巖土參數(shù)的相關關系，這就為方便、快捷地研究特殊地質條件下某一巖土參數(shù)提供了基礎。目前人們已經(jīng)建立了特定地區(qū)面波波速與地基處理后地基承載力、面波波速與含水量、面波波速與干密度等經(jīng)驗公式。2多道瞬態(tài)面波法基本原理圖1是多道瞬態(tài)面波法測試的原理，其測試的實質是通過量測不同頻率瑞雷波的傳播速度，來探測不同深度（距離）的巖土介質性質。當在地面上施加一瞬間沖擊力后，在地面表層就有瑞雷波的傳播，這種方法產(chǎn)生的瑞雷波是由許多簡諧波疊加而成的。用人工震源（如錘擊、夯擊、爆炸等）使諸如地面的自由表面產(chǎn)生包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵。圖1瞬態(tài)面波法測試原理示意圖面波實質是縱波與橫波垂直分量干涉而成。在瞬態(tài)激勵下，地面將產(chǎn)生直達波、反射波、折射波、面波及聲波等擾動波，其中面波能量最強，約占傳播總能量的67%。它的傳輸速度低（VR<VS<VP），頻率低，衰減慢，因而信號易于提取。面波的能量差不多只集中于一個波長λR左右的范圍內(nèi)，也就是說在一定的深度范圍內(nèi)，可以選擇一定的波長λR，其速度提供的信息只在一個波長范圍內(nèi)，這對工程測試尤其當深度不大時（一般在數(shù)十米范圍內(nèi)），顯然是極為有利的。面波的另一重要特征就是當瑞雷面波在均勻介質中傳播時，無頻散特性。但是當瑞雷面波在非均勻層狀介質中傳播時，不同頻率的面波其傳輸速度是不同的，這種頻散特性為將其應用到工程實踐中提供了重要前提條件。另外，由半波長理論知，地面測得的速度VR反映了二分之一波長深度內(nèi)介質的平均彈性性質，因λR=VR/f只與介質特性有關，其變化范圍是一定的，所以波長人主要取決于頻率f，不同頻率的面波有不同的波長，f的變化反映了不同深度內(nèi)介質平均性質的變化，低頻反映了深層的信息，高頻則反映了淺層的信息。計算過程如下：設錘擊產(chǎn)生的瑞利波經(jīng)過地面上間距為△的兩點A,B，記錄時域信號分別為A(t),B(t)，根據(jù)傅氏變換原理，其頻譜分別為：而A(t),B(t)的互功率譜為：（2-1）在式(2-1)中，GAB(f)的相位表示A(t),B(t)間的相位差；表示共扼運算。對給定的頻率f，都可由式(2-1)得出相位差中，進而求出頻率為f的面波到達A,B兩點的時間差，即有：（2-2）式(2-2)中，T為頻率為f的面波所對應的周期，將t代VR=△/t，得：（2-3）同時由半波長理論可知，勘探深度近似為：（2-4）因此從理論上來講，對于任何給定的頻率f，都可以通過式(2-3),(2-4)求解出一組對應的(VR，H)，用VR和H建立平面坐標，即可得到VR-H頻散曲線。由于這種頻散曲線與地下地質條件密切相關，通過對頻散曲線進行反演分析，就可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質情況及地下速度結構。多道瞬態(tài)面波法是在地面上沿著面波傳播的方向布置間距相等的傳感器，道間距及偏移距的選擇，以滿足最佳面波接收窗口和最佳探測深度為原則。將多個檢波器信號通過逐道頻譜分析和相關計算，并進行迭加，得出一條頻散曲線，從而可消除大量的隨機干擾，各頻率成分能量大為增強，使被測試體在頻散曲線上的反映更加突出，判斷準確性大大增強。實際檢測中，面波數(shù)據(jù)處理通常分兩個步驟：（1）由面波的時距數(shù)據(jù)求取頻散數(shù)據(jù)，其中包括區(qū)分出基階模態(tài)和不分模態(tài)的兩種做法。為了排除其他干擾波的影響，在作頻率波數(shù)轉換時，對時間距離域數(shù)據(jù)加時距窗口，也就是把窗口外的波形數(shù)據(jù)置以零值。以基階模態(tài)頻散數(shù)據(jù)為基礎的面波檢測方法，頻散數(shù)據(jù)特征和地層結構的聯(lián)系比較直觀，分層反演也比較容易實現(xiàn)。對于波速總體隨深度增加的常見地層結構，如果采集多道面波記錄并轉換到頻率波數(shù)域，也不難單獨提取出基階模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)。線性排列的多道面波記錄，涵蓋了面波離開震源不同偏移距的表現(xiàn)，綜合到頻率波數(shù)域提取的頻散數(shù)據(jù)，雖然會引入一定的平均效應，但是在水平層狀地層的條件下，不僅有利于反映不同深度地層的影響，也有利于提高原始數(shù)據(jù)的信噪比。（2）由頻散數(shù)據(jù)計算地層彈性參數(shù)，實質是采取地層模型參數(shù)迭代優(yōu)化的方法。其中模型正演目前又有傳輸矩陣法和剛度矩陣法兩種。根據(jù)國內(nèi)外面波測試結果可知，當探測深度小于30m時。頻散曲線與地層彈性性能有較好的對應關系，可直接推斷地層情況，根據(jù)異常幅值大小，可判斷軟弱層強度大小。并且該方法具有儀器配備輕便，實際操作簡便，對被測物沒有損壞等優(yōu)點，并經(jīng)過大量實測對比研究表明，其精度能滿足工程要求。3多道瞬態(tài)面波法工作方法多道瞬態(tài)面波法是在地面上沿著波傳播的方向布置間距相等的多個拾振器，一般可為12個或24個，將多個拾振器信號通過逐道頻譜分析和相關計算，并進行疊加，得出頻散曲線上的反映更加突出，判斷準確性大大增強。多道采集方式有以下優(yōu)點：（1）可以在時間剖面上準確識別面波所在的時間空間位置，從而為合理設計面波觀測窗口提供依據(jù)；（2）可以在多道采集的有效面波記錄上，依據(jù)波形的時序關系分析波的來源。識別所采集的波是直接來自激發(fā)震源的波，還是間接來自激發(fā)震源的側面波、繞射波以及其它環(huán)境干擾震源所產(chǎn)生的波，據(jù)此正確選定布設測線的方向，震源位置和激發(fā)時機；（3）在多道采集的面波記錄上可以容易區(qū)分開基本振形和高階振形的面波，從而為合理選用不同振形的面波，解決不同工程地質問題創(chuàng)造了條件；（4）可以在同一地點，使用不同窗口采集不同類型的波，互相進行校核。3.1多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)（主機）、震源、信號接收系統(tǒng)（檢波器）。（1）數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)：SWS-6型主機，接收檢波器采集的信號，將模擬信號轉化為數(shù)字信號，形成波形記錄顯示在屏幕上。（2）震源：可采用大錘、落重、炸藥。大錘：一般采用12磅的大鐵錘；勘察深度可達20~30落重：通常采用標貫用的63.5kg的落錘，從2m高處自由落下，勘察深度可達30~40米。有時為了取得更深的測試結果，可采用自制的100kg炸藥：測深可達幾百米，但是使用時限制條件太多，使用起來不方便，一般不采用。（3）信號接收系統(tǒng)：檢波器頻率的選擇可以根據(jù)介質的速度與所要測試的深度來確定，面波勘察一般用4Hz檢波器。3.2多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)在進行多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集時，主要的采集參數(shù)有：（1）采樣點數(shù)：1個面波記錄采集過程中所要采集的樣點數(shù)，一般采用1024點即可滿足要求。（2）采樣間隔：就是樣點的采集頻率。間隔越小，頻率越高，采集到高頻波越多。采樣點數(shù)×采樣間隔=記錄長度記錄長度應大于波到達排列最遠端的時間，以第24道所采集的基階波的初至時刻在整個記錄的1/2或1/3處為佳；若記錄長度不夠，則得不到地層深部的信息。若試驗中發(fā)現(xiàn)記錄長度不夠，改變樣點數(shù)或采樣間隔皆可。（3）道步進距：也稱道間距，就是兩個檢波器之間的距離，道間距應不大于所研究的最小地層的厚度。道間距小，測深小，分辨率高；道間距大，測深大，分辨率低。一般來講：測深：10m；20m；30m；道間距：0.5-1m；1.5-2m；2-3m所有道間距之和即為排列長度，排列長度要與測試深度相當。采集時，排列長度要盡可能長一些。首先測度深度由排列長度決定；再者，排列長度長的話，可以得到深部的資料，使基階面波與高階面波易于分辨，也使基階面波在F-K域的發(fā)展趨勢易正常，若測線長度不夠，所拾取的基階面波的能量不足以抵制其它干擾波的影響，峰值點線易發(fā)生向下方的偏移。所以面波采集時一般都要用24道，這樣既可以保證勘察深度，也可保證勘察精度。（4）偏移距(offset)：震源距第1道檢波器的距離。當震源在檢波器排列延長線的大道號端敲擊時，取負號。偏移距大則測深大，偏移距小測深淺。一般來講，偏移距為5~10m時，測試深度可達10～30m。圖2測線示意圖4多道瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)處理及結果分析多道瞬態(tài)面波法采集數(shù)據(jù)的整理和解釋是一項細致義繁雜的工作，內(nèi)容包括：（1）對原始資料進行整理，檢查核對，編錄；（2）計算各頻率條件下面波的傳播速度：（3）確定面波時間—空間窗口；（4）在頻率—波數(shù)域內(nèi)提取面波；（5）進行頻散分析并形成頻散曲線圖；（6）根據(jù)頻散曲線的變化，對層數(shù)和各層速度的變化范圍做出定性解釋；（7）進行定量解釋，確定各層的厚度，計算各層的橫波傳播速度（程序中已把面波波速轉化為橫波波速），并對獲得結果進行反演擬合解釋，直到擬合相關系數(shù)滿足要求為止；（8）繪制成圖片，輸入CAD繪圖軟件，繪制成果表，對資料做出地質解釋，對各層的巖土工程性質做出評價。面波勘察解釋成果主要形成面波層速度彩色剖面圖，在剖面圖中不同顏色代表不同的面波層速度。在進行軟土地基處理效果檢測時，可以根據(jù)標貫、靜力觸探、載荷板試驗等原位測試的承載力檢測結果，建立起面波波速與地基承載力之間的相關關系，形成該地區(qū)的地基承載力與面波波速的經(jīng)驗公式，并根據(jù)測點的空間位置繪制成一定深度的波速等值線圖與地基承載力等值線圖。圖3面波頻散曲線圖圖4面波波速等值線圖圖5地基承載力等值線圖圖6多道瞬態(tài)面波法現(xiàn)場測試圖圖7SWS-6型主機示意圖圖8檢