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瞬态多道瑞雷波原理及在强夯检测中的应用

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：张军

[导读] 摘要：瞬态瑞雷波最近几年来在岩土工程勘察中应用越来越广泛，本文通过具体实例阐述了瞬态多道瑞雷波勘探的原理和方法，分析了瞬态瑞雷波在强夯检测中的应用。

        新疆维吾尔自治区建筑设计研究院新疆乌鲁木齐 830002
        摘要：瞬态瑞雷波最近几年来在岩土工程勘察中应用越来越广泛，本文通过具体实例阐述了瞬态多道瑞雷波勘探的原理和方法，分析了瞬态瑞雷波在强夯检测中的应用。
        关键词：强夯；地基检测；剪切波速度；瑞雷波速度；瞬态多道瑞雷波勘探技术
        在建筑行业快速发展的同时，多种勘探技术面世并用于实际工程。在上世纪90年代就出现了瞬态瑞雷面波勘探方法，其属于浅层地震勘探方法之一，最近几年来在新疆岩土工程勘察中应用越来越广泛。在采用此方法进行勘探时，可选用不同材质、不同重量的锤或者物体将其由高出落下形成激振。勘探过程中，需在被检测现场设置多个拾震器，科学设置面波接收窗口以接收震动，在多道面波叠加情况下，频谱能力增高，干扰量降低。依据以往的工程实例可发现，此勘察方式可用于区别地基场地土类型与建筑场地类型、区别建筑场地土层类型、评估地基加固情况等，且此种方式具有勘察速度快、勘察结果准确性高等优点。
        瞬态瑞雷面波勘探中充分利用了瑞雷波在分层介质中传播频散、传播速度与介质物理力学性质联系紧密的特征。
        1 瞬态瑞雷波法原理分析
        此勘探方法即利用锤击或炸药在地面形成涉及所需频率的瞬态激励。如下图所示，在距离震源一定距离位置设置一个观测点（以A表示），并在此观测点检测瑞雷波（以f1（t）表示），在瑞雷波前进方向、距离A观测点一定距离（以△s表示）的位置设置另一个观测点（以B表示），并检测此观测点瑞雷波（以f2（t）表示）。经检测发现，瑞雷波由A点至B点的变化是由于频散产生的，可依据两个观测点之间的距离、每一频率之间的相位差，可准确计算每一频率的相速度，进而准确绘制勘察地点频散曲线。在计算瑞雷波的速度时，利用以下公式计算。在确定瑞雷波速度频率为f时，它相应的波长lR为：lR = VR/f
        依据弹性波理论可知，瑞雷波能量大多存在介质自由表面周围，且这些能量存在的深度在一个波长深度范围以内。依据半波长理论可发现，我们可将瑞雷波平均速度V R视为1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度：H= lR /2 = VR/2f。

        由以上公式可发现，随着频率的增高，波长lR逐渐变短，勘探与此同时勘察深度也随之减小；反之，随着频率的降低，波长lR越长，勘探深度越大。在波长改变的情况下，观测点之间的距离也要随之变化。在勘察深度比较深、频率较低的情况下，观测点之间的距离需增大，直至检测出的相位正确才可停止调整。在勘察深度比较浅、频率较高的情况下，观测点之间的距离需减小，直至检测出的相位正确才可停止调整。依据以往的工程经验可发现，观测点之间距离在lR /3 -2lR之间最合适。简言之：在一个波长中要合理设置采样点数，确保采样点数在间距Δs间的采样点数的0.3至3倍之间。实际勘察过程中，需依据勘察仪器分辨率、场地实际情况科学调整，以保证勘察结果准确度。
        瑞雷波传播的二个特性：首先，在瑞雷波振幅深度迅速减少的情况下，能量将约束在一个波长中。其次，可依据地面振动波瞬时相位值明确瑞雷波传播速度。此勘察方式即利用瑞雷波以上特征，在合适位置配置拾震器，由其接受面波振动情况，对其进行科学分析，准确绘制波长——波速频散曲线，最终科学计算地下土层的瑞雷波速Vr。瑞雷波速和剪切波波速的关系为

        当从0.25至0.5时，Vr / s从0.92至0.95。可依据此公式依据瑞雷波波速计算剪切板波速。
        在采用此方式进行地质勘察工作时，工作人员需沿着面波传播方向在地面设置拾震器，保证拾震器之间间距相同。通常情况下，拾震器设置12（或24）个，以保证勘察工作顺利进行。为保证拾震器准确接受面波、探测深度合适，工作人员需合理选择偏移距离、道间距。对拾震器采集到的信号及数据进行分析与计算，绘制频散曲线，最终达到消除随机干扰、提升信号中各频率成分能量、提高检测结果准确定的目的。
        2 瞬态多道瑞雷波法的采集方法
        在时域中，瑞雷波采集质量将直接影响频散曲线准确度。弹性波传播过程中，不同波形具有不同传播规律，在采用瞬态多道瑞利波方法采集相关数据时需注意以下几点：
        1）在采样过程中，工作人员需保证其设置在面波域中，保证采集记录足够长。
        2）保证采集波型呈现单一化特点，即：不使直达波的后续波或反射、折射波干扰面波，降低周围对采集工作的干扰。
        3）采集的波形不失真。
        依据上述原则，需依据勘察深度合理确定偏移距离、道间距，以保证勘察结果准确度。若偏移距离比较小，高频分量将增高；相反，浅部信息更强；为达到突出深部信息的目的，需适当扩大偏移距离，降低高频分量、凸显低频分量。
        另外，需依据勘察深度科学确定道间距。道间距相同的情况下，反映深部的信号频率比较低，传感器之间相位差也不大。为达到凸显有效信号的目的，必须使相位差有一定的值，因而需适当扩大道间距。相反，缩减道间距，可控制相位差（将其控制在360度以内）。
        为实现激震效果，需利用大锤、重物、炸药。通常情况下，在深度较浅、土质稳定且不是很软的地区，为实现激震效果可使用重量为18磅的大锤敲击地面；针对深度较深、土质软的地区，为实现激震效果可利用吊高重物的自由下坠或炸药。
        3 工程应用实例分析
        3.1 强夯地基处理效果评价
        若地基土承载力与建筑设计要求不符，一般须对地基进行加固处理，常用的加固处理方法为强夯法。地基处理后是否达到了预期的处理目的，一般须通过检验来确定，以往常用的检验手段是静力载荷试验，动力触探、静力触探等，这些方法虽然均能不同程度的取得较满意的结果，但均需耗费较多的人力、物力和时间，对场地的要求也高。而且有时受客观条件的限制，静力载荷试验难以实现。动力、静力触探得到的资料往往离散度较大，在评价承载力方面可靠程度较差。
        3.2 场地概况
        场地地处车尔臣河冲积平原、塔克拉玛干沙漠交汇地区，地貌为冲击平原下游细土平原区，现为草场。场地地势开阔平坦，且地形起伏较小。
        拟建场地在地表20.0m深度范围内，各层土的特征描述如下：
        ①层耕（表）土：厚度约0.50m，稍湿～湿、松散。
        ②层粉土：厚度为0.50～1.70m，稍湿～湿，稍密。
        ③层粉土：该层厚度普遍为0.30～1.80m，平均厚度0.90m，湿～饱和、稍密。
        ④层粉（细）砂：层厚0.40～3. 30m，饱和，稍密。
        3.3 强夯置换试验处理方式
        试验场地为60m×90m，地表换填1m厚砂砾石后整平并施夯，场地等分为60m×30m三块，整平后分别强夯，夯点排列分别为（I区）4m×3.5m正三角形、（II区）5m×5m正方形、（III区）4m×4m正方形，两遍跳夯加一遍满夯，单点夯击能200kN•m，边夯边在夯坑内加入块石填料。最后两击平均夯沉量小于5cm。
        3.4 测试方式
        强夯置换3个试验区，各选2处夯间位置，共6处进行试验。试验标高为遍夯整平后场地地表标高。

        处理前1#、2#试验拟合曲线            I区1#、2#试验拟合曲线

        II区3#、4#试验拟合曲线            III区5#、6#试验拟合曲线

        依据试验结果综合分析：3个试验区6点试验位置均布置在夯间土中心。6点试验在2.5～4.5m范围内剪切波速有所下降，推断强夯置换体长度约为2.5～4.5m范围内。处理深度范围内剪切波速为150～250m/s，夯间土达到稍密～中密状态。 3个试验区6点试验拟合曲线变化规律一致，剪切波速相近，3个试验区夯间土密实程度差距不大。相对于处理前地基土剪切波速，处理后夯间土在处理深度5m范围内剪切波速有50％提升。
        结论
        瞬态多道瑞雷波勘探技术是一种科学、有效的岩土工程勘察技术。它对于地基处理效果评价具有限制条件少、快速、灵活、准确等优点。
        面波波速反映出了强夯效果。根据载荷试验、动静力触探计算出的承载力分析，介质的面波波速大于160m/s时，承载力高于200kPa。
        在检测强夯效果时，结合少量触探工作，采用瑞雷面波法开展检测工作，可提升检测速度、减少对现场的破坏，且检测结果准确度更高。同时，可采用此方式开展现场监督工作，这对保证施工质量具有重要意义。
        参考文献：
        [1] SWS-5多功能面波仪使用说明，北京华水物探技术研究所.
        [2] 杨成林.瑞利波勘探[M].地质出版社，1993.
        [3] 刘云祯、王振东.面波勘探技术要点与最新发展，中国地质调査局，2006.