多道瞬态面波技术在宁东能源重化工基地景观大道市政工程勘察中的应用
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摘要：多道瞬态面波技术在岩土工程勘察中是一种有效的方法。它对于土层波速测试、场地类别划分、土层划分、不良地质体的探查等具有快速、灵活、准确的优点。采用面波资料与勘探资料结合进行地质分层，连接地质剖面，效果良好，满足地质勘察要求，同时解决了在碎石层、粉砂岩中进钻艰难、地层不好划分的难题。缩短勘察周期、提高工程质量和投资效益。多道瞬态面波技术必将在诸多工程勘察领域发挥越来越大的作用。
关健词：面波勘探；弹性波；频散曲线
The application of multi-channel transient surface wave Landscape Avenue municipal engineering survey of the energy and heavy chemical industry base in Ningdong
Gao Haining
(Yin Chuan Architecture Design & Research Institute LTD.)
Abstract: The multi-channel transient surface wave technology is an effective method in geotechnical engineering investigation. It divided for the soil velocity test, site classification, soil divided, adverse geological exploration with fast, flexible, accurate advantages. The use of surface wave data and exploration data combined with geological stratification connection geological section, to good effect, to meet the requirements of geological survey, and at the same time to solve the problem of difficult drill into gravel layer, siltstone, stratigraphic bad divided. Shorten the survey cycle, improve project quality and investment efficiency. Multi-channel transient surface wave technology is bound to play an increasingly large role in many engineering survey.Key words: surface wave exploration; elastic wave; dispersion curves
中图分类号：P624文献标识码：A文章编号：
1 前言
本工程是宁东能源重化工基地煤化工基地的一条美化、亮化工程（该路段全长4550米、为主干道、沥青路面，道路红线宽50米，路两旁各25米宽绿化带），为一条近南北走向的拟建新路。
在市政工程勘察中，要涉及到路基、给水管道、排水管道，一般性钻孔深度要达到最大埋深的排水管道（本工程管径约1.0～2.0米，其管顶与设计路面高程相比埋深约为-4.0米～-5.0米、为明挖深埋管道）管底以下1～3米，以查明排水管底下3米内地层的岩性及力学状态。这在川区、平原地区很容易做到，但在丘陵区、特别是本工程，为最大挖方区、最大挖深达17米，2米左右厚的碎石层及巨厚状半成岩的泥质粉砂岩，在最大挖方处钻孔至少要达25米才满足勘探深度的要求。受场地地形、地层、施工工期等条件所限，勘探点未达到规范要求深度，
本工程工期短、设计方案多次调整给勘察工作带来一定的难度，为缩短勘察周期、提高工程质量和投资效益，本工程采用钻探与面波勘探科学结合的办法，为确定场区场地土波速资料及场地土类别、确定第三系泥质粉砂岩在管底深度以下3米处的分布、厚度及成层稳定性，在最大挖方区（最大挖深约17米）的北路段1040米长度范围内在钻孔处布设9个面波勘探点。
我们使用了北京水电物探研究所生产的SWS-1型多功能面波仪，在钻探工作配合的前提下，保质保量地完成了勘探任务。
概况
场区地貌单元属宁东缓坡丘陵区，地形切割强烈，冲沟发育，地形起伏较大。场区内地层结构简单，在基底基岩上主要沉积的地层为第三系的泥质粉砂岩（冲沟内有出露）。地表为第四系风积黄土、沙土的堆积，沿冲沟及山坡堆积有冲洪积相的碎石，第三系地层被第四系土层覆盖。该路段设计路面在④层泥质粉砂岩中，第四系的①～③层土将全部挖掉。
瞬态面波基本原理及工作方法
3.1基本原理
在工程勘察中，我们主要利用的是瑞利面波，其特性如下：
（1）瑞利面波在层状介质中传波的频散特性
在均匀介质条件下、瑞利面波波长λr与振动频率f无关，即在均匀介质条件下，瑞利波不具频散特性。
在层状介质条件下，λr是f的函数，即在层状介质条件下将导致瑞利波的频散。
该项特性是瑞利波勘探的理论基础，由于瑞利波法不仅利用了波的运动学特性，更重要的是利用了波的动力学特性，而常规弹性波法，主要利用波的运动学特性，且要求各层的波速或波阻抗有较大差异，因此瑞利面波对介质反映更细微。
（2）瑞利波的穿透深度与波长的关系
经计算得出瑞利波水平振幅和垂直振幅随单位波长深度的变化规律表明，当深度Z为λr的1/2时，瑞利面波有大部分能量已经损失；当深度与波长相等时，其能量迅速衰减，因此，可以认为瑞利波的穿透为1个波长。这一实事说明，瑞利波某一波长的波速主要与深度小于λr/2的地层物性有关，该特性为利用瑞利波进行浅层勘探提供了依据。
由λr＝VR/f得知，不同的瑞利波长对应于弹性波的频率、通过探测不同频率下介质的弹性波速度，即可得到VR－λr曲线、称频散曲线。频散曲线的特征及其变化规律与地质条件密切相关，通过频散曲线进行反演计算，可得到某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞利波传播速度VR的值。
（3）瑞利波速度与横波速度的相关性
由瑞利波速度VR与横波速度Vs的关系式VR=Vs
计算出岩土介质中与VR、Vs的关系见表1：
泊松比μ 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50
Vs/VR 1.087 1.080 1.073 1.062 1.049
对于一般土而言，泊松比μ是0.45-0.49，而对于岩石泊松比是0.25左右。因此可以粗略地说，对于土可横波速度Vs和瑞利波速度VR看作大体相同；对于岩石横波速度Vs可粗略为瑞利波速度VR的1.1倍。对于更精确的计算地下各层的速度参数的方法可以用哈斯克尔－汤姆逊（Haskell-Thomson）矩阵的反演方法。
3.2实测工作布置
在本次面波法实测中，我们采用24道、道间距为2米，偏移距10米、全通滤波方式，采样间隔0.5ms、1ms，采样点数1024个。把检波器对称埋置在勘探点（钻孔）的两侧，震源点和检波器排列在一条直线上，并在排列的上坡一侧激振。
排列方向布设原则：本场区为丘陵区，一般沿等高线取平坦段布置。
3.3 震源选则：18磅大锤击震，解释深度30米以内。
4、资料处理及成果分析
瑞利面波资料的室内处理，使用的是北京水电物探研究所开发的处理系统，具体说明如下：
单点资料的解释：
对于单张面波记录，首先在其时间－空间域内拾取面波成份，并通过快速傅立叶变换将其转到频率－波数域（即F-K域），在F-K域中拾取面波，并滤除其它干扰波的频率成份，完成面波的2次提取，至此计算得出面波的频散曲线。
根据实测曲线的变化规律（如形态、拐点、斜率等特性）进行地层划分，本工程地层的平均速度随深度增大而增大，采用下列公式计算：VRn=
式中 Hn－第n点深度(m)；
Hn-1－第n-1点深度(m)；
VRn－第n点深度以上的平均面波速度(m/s)；
VRn-1－第n-1点深度以上的平均面波速度(m/s)；
VRn－Hn～Hn-1深度间隔的层速度(m/s)；
根据上述公式获得的速度－深度模型，利用sws地震面波测深数据处理软件，得出理论频散曲线和实测频散曲线拟合，使两者曲线有最佳的拟合系数，并进行地质分析，由此准确的获得单张面波成果。
点面波资料的准确性比较
为了检验面波资料的准确性，我们把面波资料和无锡产G-2型工程钻机钻孔进行对比，钻探结果与面波对比如图1。由图1可以看出，面波资料与钻探资料吻合较好。
地层剖线的生成
由剖面上各个面波点的地层结构成果，主要参照地层速度参数、将各面波横波速度相近的区域划分为同一层，连成剖面，见图1。
素填土及粉土 2.0米厚
碎石 3.0米厚
泥质粉砂岩（强风化） 6.7米厚
泥质粉砂岩（弱风化） 8.0米厚
图2面波法工程地质剖面图
4.2 成果分析
根据面波勘探成果及钻孔记录，对景观大道北端1040米长度范围地层结构进行分层，各层按状态描述如下：
①素填土层Q4eol：褐黄色、干、松散状态。以风成粉土为主、粉质粘土次之，层厚0.6～2.0米。横波速度Vs=100～200m/s。
②粉土层Q4al：呈褐黄色，干～稍湿，中密状，层厚0.0～2.0米。在该路段部分地段存在该层土。横波速度Vs=100～200m/s。
③碎石层Q4al+pl：呈灰杂色，粒径大于5cm颗粒以棱角状及次棱角状为主，粒径小于5cm颗粒亚圆形为主，骨架颗粒空隙由中粗砂填充，具有一定的分选性，厚度约为1.2～2.5米。横波速度Vs=200～300m/s。
④泥质粉砂岩E：含泥量高时呈棕红色～砖红色、含泥量低时呈褐黄色，半胶结状态，层理近似水平状。据区域地质资料，该层厚度基本稳定，最大厚度100米。本次勘察未穿透该层。从上至下钻探难度增加。该层顶板埋深3.5～8.0米（以现孔口原始地坪始计）。横波速度Vs>300m/s。
5结语
市政工程因其线路长，场地分类为Ⅱ类时，勘探孔间距130米，在山区、丘陵地区，地势起伏大，钻孔之间有时能跨越不同的地质单元，采用面波资料与勘探资料结合进行地质分层，连接地质剖面，效果良好，满足地质勘察要求，同时解决了在碎石层、粉砂岩中进钻艰难、地层不好划分的难题。面波法不仅大大节省投资，而且明显简化了现场工作程序，缩短勘察周期，提高了工作质量和效率，必将在诸多工程勘察领域发挥越来越大的作用。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准，多道瞬态面波勘察技术规程（JGJ/T143-2004），北京：中国建筑工业出版社，2004
[2]严寿民，瞬态瑞雷面波勘探方法，物探与化探，1992，2；Vol..16
[3]王振东，浅层地震勘探应用技术，北京：地质出版社，1994