面波法与单孔检层法波速测试的工程应用

摘要：波速测试技术是地震勘探方法之一，也是一种简便、快速、准确的原位测试技术。通过波速测试可获得岩土体的弹性波速，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。文中简述了面波法与单孔法等波速测试方法的工作原理、现场施测技术以及数据处理和资料分析过程。以工程实例说明了波速测试技术在岩土工程勘察设计中的应用和及其效果。最后就勘探工作的总体安排及其原位测试方法的选择进行了探讨。 

关键词：波速测试技术 瑞雷面波 剪切波 压缩波 岩土工程勘察 地球物理勘探 

0  前言 
波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。
一般来说，波速测试可原位测定压缩波(P波)、剪切波(S波)和瑞雷面波(R波)在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩(土)体质量等；并可工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。本文介绍了波速测试技术的工作原理和野外测试方法，并结合工程实例，说明其应用效果。不妥之处，敬请批评指正。
1  工程概况
北大港水库位于天津市东南部大港区境内，东临渤海湾，地貌上属于海积平原的滨海洼地，隶属华北平原一部分。该库地处海河流域的大清河、南运河、子牙河水系，独流减河下游右岸。水库自1954年开始建设，1974年对围堤进行培厚加高加固处理，1976年初步建成，并陆续修建蓄、引、输、排水配套工程，至1980年建成。水库蓄水面积150km2，占地面积164km2，设计堤顶高程9.5m（大沽高程，下同），设计最高蓄水位7.0m，相应总库容5.0×108m3（兴利库容4.41×108m3）。是一座以蓄供水为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合效益的大（2）型平原水库，工程等级为Ⅱ类，围堤及主要穿堤建筑物级别为2级，其余次要建筑物级别为3级。
水库枢纽工程主要由围堤、穿堤建筑物（水闸、供水口门等）以及蓄水建筑物（扬水站、尾闸等）组成。其中水库围堤为均质土堤，总长54.511km，堤顶设计高程为9.5m，堤顶宽度10m，迎水坡1：3，背水坡上部1：3，马道以下1：4。主堤前紧接防浪林台，其边坡1：8，林台台顶宽度28～35m不等，台顶高程7.5m。在库内距围堤堤轴线200～1000m处，筑有防浪堤一道，总长36.048km。
勘探深度20.0m范围内堤基地层为第四系全新统第一陆相沉积物（alQ43）和第一海相沉积物（mQ42）。其中第一陆相层岩性主要为壤土、粘土、局部夹砂壤土透镜体，第一海相层岩性主要为粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥质壤土。该区地层结构多呈层状发育，局部呈透镜体状分布。地下水位埋深一般为2.1～3.5m，水质多为半咸水～咸水。根据1/400万《地震动参数区划图》GB18306—2001，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s，按照地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表，本区地震基本烈度为Ⅶ度。
受水库管理单位委托，中水北方勘测设计研究有限责任公司勘察院承担了该工程除险加固地质勘察工作，物探总队进行了现场波速测试，其主要目的是对水库围堤及穿堤建筑场地类别及砂性土液化势做出判别。
使用仪器为：美国产R24数字化工程地震仪。面波法采用4Hz低频检波器接收，单孔法下孔探头采用三分量检波器接收。测试所用仪器设备均在计量认证有效期内，现场实施期间性能稳定、工作正常。
2  测试方法与技术
2.1  面波法（1）（2）（3）
面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。目前常使用瞬态面波法进行勘探。
2.1.1  工作原理
面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的P波和S波不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波（垂直方向S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，传播时以波前面约为一个高度为λR（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波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。
综合分析表明R波具有如下特点：
⑴ 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；
⑵ 在不均匀介质中R波相速度（VR）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；
⑶ 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，其相关式为：
        式中：μ为泊松比；
由于第四系地层的泊松比一般为0.37～0.49，故VR=（0.938～0.954）VS，可以认为对土体而言，VR与VS基本相等，其误差只有5%左右。该关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；
⑷ R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；
⑸ 质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；
⑹ R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内。
依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有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。
2.1.2  测试方法
应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，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形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。
当选取两道检波数据进行反演处理时，应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距△x应满足（λR/3）～λR，即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍，而大于在间距△x内的采样点数的1倍，该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。
当采用多道检波数据进行反演处理时，虽然不受道间距公式的约束，但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，易采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于R波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。
由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作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结果，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，以使解释结果更具客观实际。
本次工作共布置5条测试断面，分别位于水库围堤桩号2+500、14+000、21+250、28+200及45+970处，同时在相应部位布置了单孔剪切波测试（相应孔号为G01～G05）。因进入第一海相层后缩孔严重，除G03、G04孔做了部分钻孔剪切波测试外（孔深小于12m、11m测段），在全部测试断面均布置了瑞雷面波测试剖面以代替钻孔剪切波测试。瑞雷面波测试剖面单一排列长度62m。
面波法采用瞬态瑞雷波探测技术，两端激发多道接收的完整对比观测系统，12道接收、道间距2m，经展开排列试验选择偏移距20m。锤击震源。
2.2  单孔法（4）（5）（6）
单孔检层法，也称弹性波速度测井，是在一个垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。按照震源和检波器在钻孔中所处的位置，可分为①地表激发孔中接收法、②孔中激发地表接收法、③孔中激发孔中接收法、④孔底法等四种测试方法，常用地表激发孔中接收法。

2.2.1  工作原理

以岩(土)体的弹性特征为基础，通过测定不同岩(土)层的S波、P波的传播速度，计算岩(土)体的动弹性参数，据此判定岩(土)体的工程性质，为工程设计提供可靠的依据。

实测一般采用单孔检层的地表激发孔中接收法，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生S波，利用剪切波震相差180⁰的特性来识别S波的初至时间。

2.2.2  测试方法

实测通常由震源和记录仪器组成，叩板震源设置一般距孔口2～7m，平放一块压重物的木板，测试孔应位于木板长轴的中垂线上，使木板与地面紧密接触。木板长2.5～3.0m，宽0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上压约500～1000kg的重物。当分别水平敲击木板两端时，产生弹性波(此时以S波为主)。记录仪器由井中三分量检波器和工程地震仪构成，三分量检波器放置井中某一深度，接收由震源产生的弹性波信号，并通过连接电缆输送给地震仪，再由地震仪记录并存储以备后期数据处理之用，图1为单孔检层法测试示意图。

单孔检层法测试弹性波时，由于震源板离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波的非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时，计算公式如下：

式中：t’—纵测线旅行时(s);    t—非纵测线旅行时(s);

h—测点孔深(m)；       x—震源板距孔口的距离(m)。

由校正后的纵测线旅行时即可求得各测试地层的弹性波速度。

现场测试过程中应注意以下特征：

(1) P波传播速度较S波速度快，P波为初至波；

(2) 震源板两端分别作水平激发时，S波相位反向，而P波相位不变；

(3) 检波器下孔一定深度后，P波波幅变小，频率变高，而S波幅度相对较大，频率相对较低。

(4) 最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。

本次钻孔剪切波测试采用单孔检层地表激发孔中接收法，使用叩板震源，震源距孔口分别为2.8m、6.5m，孔内测点间距为1.0m，自下而上逐点施测。各点采用正、反向两次激发。由于第一海相层缩孔严重，仅在G03(21+250)、G04(28+200)两孔实施了部分孔段的剪切波测试(孔深分别为0～12m、0～11m测段)。

3  资料整理与解释

3.1  面波法

R波在非均匀介质中传播具有频散特性，所以不同频率（波长）的R波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明，当探测的岩土层介质较为均一时，R波的相速度随深度的加大而按线性增加，只有出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化，该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波，且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系（一般为相应频率R波的半个波长），由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。

由野外获得的面波时程曲线原始记录，使用SFKSWS软件进行分析解释，划分地层层位求解厚度并各层R波速度（如图2、图3为实测面波反演解释结果，图中标出分层厚度及对应地层面波速度），然后由求得R波速度（V_R）后，按公式(1)计算相应地层的S波速度。具体流程为：输入面波记录文件→显示和检查实测曲线数据→圈定面波数据窗口→在F—K域搜索确定基阶面波频谱峰脊并拾取频散数据→按搜索确定的基阶面波频谱峰脊圈定出基阶面波频谱范围→生成面波频散曲线→地质分层（人工或自动）→绘制反演拟合曲线→打印输出面波解释结果→利用式(1)计算对应地层S波速度→绘制S波测试成果图。

3.2  单孔法

在野外实测单孔剪切波测试波形记录上可直接读取各测点正、反向激发所获得的剪切波初至旅行时，由此取得非纵测线各测点的旅行时，按式(2)校正后得到纵测线对应深度旅行时，绘制时距曲线并求取各测试地层的弹性波速度，最后绘制弹性波测试成果图（见图4、图5中的实线为单孔法测试S波速）。

图4

图5

3.3  两种方法测试结果对比

分别在G03、G04钻孔孔深0～12m、0～11m做了单孔剪切波与地面面波测试的对比试验(见图4、图5，图中虚线是由R波速换算而得的S波速)，测试结果表明：使用两种不同方法所测剪切波速度值及其变化基本一致。在以下的计算、分析中，所使用的剪切波速度值均由瑞雷面波测试结果换算而得。

3.4  利用波速计算动力学参数

根据实测获得的弹性波速（剪切波速Vs和压缩波速Vp）即可计算岩(土)体的动弹性力学参数。计算公式如下：

式中：ρ—介质密度(g/cm3)；       Vp—压缩波速度(m/s)；

Vs—剪切波速度(m/s)；       μ—泊松比

Ed—动弹性模量(GPa)；       Gd—动剪切模量(GPa)；

4  成果分析

4.1  剪切波速度统计

统计内容包括各测试断面剪切波速度范围值和等效剪切波速度，其中等效剪切波速度按式（7），结果见表1。

表1                       钻孔剪切波速度统计成果表

式中：V_se—土层等效剪切波速度(m/s)；

       H₀—计算深度（m）

       t—剪切波在地面至计算深度之间的传播时间（s）。

由表1可知：各测试部位埋深20m范围内剪切波速度范围值为91～200m/s，等效值为142～169m/s。

4.2  场地类别判定

按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）⁽⁷⁾，建筑场地类别应根据土层等效剪切波速度和场地覆盖层厚度按表2标准判定。等效剪切波速场地类别表中黑体部分为覆盖层厚度（m）

（m/s）

表2                            建筑场地类别判定标准

根据表1计算所得土层等效剪切波速度值，取覆盖层厚度大于50m，按表2相应标准，初步判定水库围堤建筑场地类别为Ⅲ类。

4.3  砂性土地震液化势判别

按地震基本烈度Ⅶ度考虑，对水库围堤15m深度范围内的砂性土层依据《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）⁽⁸⁾标准进行判定，当砂性土层的剪切波速度实测值大于由式（8）所计算的临界剪切波速度时，则判定该砂性土层不液化。

式中: V_scr—剪切波速度临界值(m/s)；

      V_s0—与烈度、土类有关的经验系数（砂：V_s0=65m/s；砂壤土：V_s0=45m/s）；

      d_s—剪切波速度测点深度（m）；

      d_w—地下水深度（m），本测区d_w=3m；

      ρ_c—粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，采用3。

根据上述判定标准对水库围堤地基砂性土层进行判别,其结果见表3。

表3                        砂性土剪切波速度统计表

注：G03(21+250)、G05(45+970)两孔深20m范围内地层岩性均为粘性土（即由粘土和壤土组成），故不做液化判别。

由表3可知在深度15m范围内：砂壤土剪切波速度实测值均大于相应剪切波速度临界值，初判为不液化土层；粉细砂剪切波速度实测值均小于相应剪切波速度临界值，初判为液化土层。

5  结论

⑴ 测试结果表明：在水库围堤的物探测试部位20.0m深度范围内剪切波速度范围值为91～200m/s，等效剪切波速度值为142～169m/s；根据（7），按20.0m深度内土层等效剪切波速度值（取覆盖层厚度大于50.0m）判别，所测水库围堤部位建筑场地类别为Ⅲ类；根据文献（8），按剪切波速度实测值判别，水库围堤地基砂壤土层为不液化土层，粉细砂层为液化土层。

⑵ 对比试验表明：面波法与单孔法测试结果基本一致，施测选用时应根据勘测工作的总体安排和场地条件综合考虑。面波法的优点是不需要钻孔、测试剖面直观等，缺点是需要一定的测试场地、测试处的地层为水平层状展布、当层间波阻抗差异较小时划分的层位与钻孔剖面有一定误差等，一般情况下当勘测场地无钻孔或钻孔缩塌孔比较严重时，可安排面波测试；单孔法的优点是直接对地层测试、结果相对精确且不需要任何场地（只要能成孔），缺点是需要钻孔等，一般情况下当勘测场地有研究其他问题的钻孔时，可适时选用勘探钻孔进行单孔剪切波测试。

⑶ 弹性波在岩(土)层中的传播速度是反映岩(土)体的动力特性的一项重要参数，根据实测岩(土)体的弹性波速，能为抗震设计提供岩(土)体的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析、地震破坏潜势分析、地基加固效果检测、地基振动特性研究和爆破区岩体动力特性评价等。

⑷ 波速测试作为浅层地球物理勘探方法（或原位测试技术），具有简便、快速、、准确、分辨率高、应用范围广等优点，受到工程技术人员的青睐和使用。我们相信随着技术、信号分析、数据处理等手段的广泛运用，必将为工程设计、施工、监测等诸方面提供更多的参数和可靠的设计依据。但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断、完善和提高。

成文过程中了我公司北大港水库除险加固工程地质勘察成果报告和物探成果报告，并向参加工作的同志表示衷心感谢！

参考文献：

[1] 刘康和.面波探测新技术综述[J].电力勘测，1997，3（2）：61～64.

[2] 刘康和，魏树满.瞬态面波勘探及应用[J].水利水电工程设计，2001，20（2）：31～33.

[3] 杨成林等编著.瑞雷波勘探[M] 北京：地质出版社1993.10.

[4] 刘康和.P.S测井技术的工程应用[J].华北地震，2001，19（1）：18～22.

[5] 林宗元主编.岩土工程试验监测手册[M] 沈阳：辽宁科学技术出版社1994.12：799～819.

[6] 丁伯阳编著.土层波速与地表脉动[M] 兰州：兰州大学出版社1996.6：207～246.

[7] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范[S].GB50011—2001.

[8] 中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范[S].GB50021—2001.