瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的应用

冯海 罗大庆 李璐杰

摘要：与常规的地质勘探技术相比，瞬态瑞雷面波法具有对场地的要求不高、性价比高、便于激发与识别、不受地层速度的影响等优势，因此，获得了业内广泛的认可，在解决浅层工程地质问题方面具有重要作用。文章结合实际工程案例，阐述了瞬态瑞雷面波法的勘察原理，并具体研究了瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的应用。

关键词：道路工程;瞬态瑞雷面波法;地质勘察;原理;实践

中图分类号：U412.22文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.021

文章编号：1673-4874（2021）01-0075-03

0引言

瞬态瑞雷面波法属于物理勘探技术，其探测效率高，应用范围广，在工程地质勘察以及质量检测等多个领域都具有应用价值。在道路工程建设过程中，由于工程施工区区域跨度大，地質环境复杂，地形地貌以及地层构造变化，因此，前期的地质勘探工作极为关键。常规的钻探方式由于成本较高、勘探周期较长，已经难以有效满足现代道路工程建设的要求，而随着瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘探中的应用，这些问题得到了有效的解决，充分保障了道路工程建设质量。

1工程概况

某道路改造工程设计在原有道路的基础上加宽16m，道路靠近河床边缘地带，需要对该处地质构造进行全面勘探，主要目的是确定基岩埋深以及基岩上部土层分布的特征;确定基岩沿江分布的情况，明确基岩厚度与下伏地层的特征。考虑到施工条件以及本工程的工期要求，拟采用瞬态瑞雷面波法进行勘察，仪器采用SWS-II型多波列工程勘探仪，采用专用的瞬态面波数据处理软件对数据进行处理。

2瞬态瑞雷面波法的原理

弹性波在遇到岩层弹性分界面时会出现折射以及反射等情况，并且会在弹性分界面产生面波，以三维空间来看，折射波与反射波岁时间推移会开始向整个弹性空间内所有介质传播，此类波称之为体波[1]。除此之外，弹性分界面还有另一种波，被称之为面波，主要包括瑞雷波与拉夫波，瞬态瑞雷面波法主要是利用锤击、炸药以及落重等震源激发产生在相应频率范围内的瑞雷波[2]，此时瑞雷波会沿着介质表面进行传播，在地表上沿着瑞雷波传播的方向在一定范围内设置若干个检测器，以此探测瑞雷波在该范围内传播的过程，如图1所示。瑞雷波散射特性以及其在介质中传播的速度均与介质的密实程度、矿物成分以及裂隙发育的情况等因素有关，利用瑞雷波散射特性、传播速度与介质物理性质之间的相关性，可以解决诸多地质问题，可以判断岩土分层、基岩分化带、不同岩层的埋深、性质以及力学参数，从而为工程施工提供必要的参考。

3瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的实践

在本项目中勘察仪器采用SWS-II型多波列工程勘探仪，激发震源采用18磅大锤锤击;采用专用的瞬态面波数据处理软件对数据进行处理。

3.1布设勘探点

瞬态瑞雷面波法勘察的剖面长度以及点距等主要根据沿线地质情况、物理条件等因素确定，纵剖面勘探点的布设应当与地质剖面保持一致，沿勘察路线的中线进行布设。若勘察区域的地质条件比较简单，可以考虑每间隔2个或者3个勘探点布设1个钻探勘探点;若勘察区域的地质条件比较复杂，则瑞雷波勘探点与钻探勘探点需要间隔分[3]。如有必要，可在横剖面布设勘探点，一般布设2个瑞雷波勘探点，1 个钻探勘探点。对于施工区域内比较关键的点，可以在勘察路线两侧设置纵剖面。需要注意的是，部分瑞雷波勘测点应当与钻探勘测点进行重合，这样便于进行对照分析并验证勘察结果，可以提升勘察精度。勘测点的间距按照瞬态瑞雷面波法的技术规程以及实际情况合理确定。

3.2激发和接收

要确保面波勘探质量，瑞雷波激发的频率以及接受检波器的频率极为关键，针对浅部工程地质勘探，一般在0.5～10m处，需要激发高频信号，接受检波器频率控制在30～100Hz范围内，对高频信号进行接收。这对深部地质勘察问题，一般深度在20～40m时，接收检波器频率采用4Hz或者10Hz均可。若勘探深度不超过20m，-般采用20磅以下大锤进行锤击即可;若勘探深度在20～40m，可采用炸药爆破或者落锤进行激发。

3.3采集数据

数据采集是地质勘察的关键性环节之一，采集的数据质量直接关系到地质勘察结果的精度以及质量。一般经过试验确定好道间距以及偏移距后，浅部勘察的采样率为0.25ms，记录长度为250ms，采样点数为512点;中、深部勘察的采样率为0.5ms，记录长度为500ms～2s，采样点数1024点[4]。为避免某一频段波出现抑制，滤波需要选择全通滤波。需要注意的是，若一侧敲击后采集到的数据质量不佳时，可以把激震点平移到另一侧，再次进行敲击，并将两次采集到的数据进行比对，直到采集到的数据质量良好。

3.4资料整理以及解释

（1）对采集到的面波资料进行整理、核对、检查以及编录;（2）将勘探现场采集到的数据波形进行回放，识别面波，进而确定面波时间域-空间域窗口，并在频率-波数域内提取面波;（3）开展频谱分析，并绘制频散曲线图，如图2所示;（4）分析频散曲线变化，针对各层变化速度以及层数变化的范围作定性解释;（5）利用钻探资料以及收集的该区域地质资料作定量解释，明确各层的厚度以及面波波速，如表1所示，对频散曲线做拟合解释;（6）利用同一剖面面波点生成的频散曲线，采用等速度剖面软件绘制面波等速度剖面地震影像图;（7）根据上述资料绘制出推断解释图，根据图示对施工区域内各层岩土性质进行评价。

3.5勘察成果的应用

根据相应的计算公式可以得出岩层物理力学各项指标，面波的波速接近于剪切波的波速，且二者存在相关性。公式为：

V_n=V_s×（0.87+1.12m）/（1+m）⑴

式中：m——泊松比;

V_n——面波的波速;

V_s——弹性波速横波速度。

也就是面波的速度与勘察介质的物理力学指标密切相关，由完整岩石到流状土体，面波的波速为0.90m/s，弹性波速横波速度为0.92。V和贯入击数（N_63.5）存在相关性[6]，按照中科院的推荐公式：V_s=85.34N_53.5^0.348，因此，V_R和路基承載力（f_ak）之间的关系就可以表示为：f_ak0.02=0.11405×V_R^1.4372，其中f_ak0.02即为地基承载力，计量单位为kPa。

4勘察效益分析

与常规钻探的勘察方式相比，瞬态瑞雷面波法在勘察效率以及经济性方面的优势明显，瞬态瑞雷面波法用时约为钻探的1/10，相关费用约为钻探勘察的1/5。综合利用瞬态瑞雷面波法与钻探法，可以大幅缩短工程地质勘察时间，降低工程地质勘察费用，有助于降低道路工程整体成本投入。

5结语

（1）瞬态瑞雷面波法主要是利用频散曲线变化规律，也就是面波波速变化对勘察区域的地层进行划分，对岩土物理性质进行判断，勘察效率较高，投入费用较少，可以有效缩短工程地质勘察周期，确保勘察质量。若勘察区域的地形地貌以及地质构造复杂，可以综合化使用瞬态瑞雷面波法和钻探法，可显著提升勘察成果的精度。

（2）在进行道路工程地质勘察之前，注意收集勘测区域的地质资料，了解公路沿线岩土分布，为后续勘察工作奠定基础。从当前瞬态瑞雷面波法在工程地质勘察实践的中的情况来看，其不仅适用于道路地质勘察，同时也适用于路基质量检测、地下采用区的探测、滑坡调查以及软土地基加固效果评估等多方面，并且都具有重要作用。

参考文献

[1]张幸伟，李修忠，郭士礼，等.相邻道瞬态瑞雷波法在黄土区窑洞探测中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2014，10（6）349-351.

[2]兰中平，辛小毛，郭正严.多道瞬态瑞雷面波在安徽省公路勘察中的应用[J].采矿技术，2009，9（6）40-41.

[3]付刚飞，杨俊生，王荣.瞬态瑞雷面波法在公路工程质量检测中的应用[J].交通世界（运输·车辆），2011（18）：169-170.

[4]张建智，赵海军.多道瞬态瑞雷面波法在乌海某小区不良地基岩土结构勘察中的应用研究[J].地质调查与研究，2019，42（1）：57-63.

[5]陈济锋，黄真萍，郑素苹.瞬态瑞雷面波法在边坡岩土工程勘察中的应用研究[J].西部探矿工程，2008，20（8）：6-8.