瑞雷波法在岩土工程检测中的作用

吴 及

(贵州省黔水科研测试检测工程公司，贵阳550002)

0 引 言

岩土工程铁路和公路路基以及水工建筑物的施工过程中，路基土体和水工建筑物粗粒料密度的检测常用灌水法或灌砂法，这两种方法存在检测速度慢、劳动强度大、对检测对象存在扰动、影响施工进度等问题［1］。

随着人们越来越重视岩土工程的探测方法，近年发展起来的瑞雷波勘探，是一种全新的勘测方法，主要在地质的表面进行应用。实际上，它发挥出了瑞雷波自身的特性——频散，从而对波速和频率的关系进行了分析和挖掘，这主要依靠瑞雷面波的作用。

随着不断的发现和应用，瑞雷波法为岩土工程检测带来了很多的便利。

1 瑞雷波法的基本原理

在检测岩土工程特性时，瑞雷波法有3个与被测地层有关的主要特征，利用运动学特征和动力性特征，具体来说，有以下几个方面:

1)在检测的过程中，人们发现了瑞雷波的频散特性，正常情况下，只有在分层介质中，这种特性才可以表现出来。

面波沿地表传播波速的频散现象，反映了与其波长相应的深度范围内的地层弹性分布。地层的弹性参数分布越不均匀，面波频散的表现也越复杂。

对于横向均匀的分层地层，面波表现出可以区分和识别的频散特征，从而划分出不同的地层弹性分层类型［2］。

2)瑞雷波的穿透深度不一样，是由其波长决定的，波长与穿透的深度息息相关。

3)在正常情况下，瑞雷波在不同的表层传播，其厚度不一样，传播的速度与其传播的介质有着很大的关系。当瑞雷波的波长相同时，前提是其沿着地表的表面进行传播。当其厚度也一样时候，波长在传播过程中的结果与其在不同的传播介质下的不同的方向传播，速度都是不同的，这在很大程度上都是由于介质不同。因此，波长的情况在某种程度上来说对地质情况的勘探发挥着重要作用。

2 瑞雷波法的分类

关于瑞雷波的分类，一直以来人们争论不休。文中仅以激发瑞雷波震源的情况，将瑞雷波分类，一般来说，有稳态激震法和瞬态激振法两种。下面进行具体阐述。

2.1 稳态激振法

稳态法的基本原理如图1 所示。振动器可以激发出2 ～9 900 Hz的控频瑞雷波。确定瑞雷波频率的准确性是和频率的整个数量的等级有关的，其频率的数量级不同，造成的频率的精度不一样。利用相关的技术精确瑞雷波频率，在一般情况下，最高可以达到0.001 Hz［3］。

之所以称这种方法为稳态激振法，是因为这种振动的稳定性的频率很高，而且它保证了地质勘探的准确性，故而得名。

图1 稳态法基本原理图

在一般的地质勘测过程中，采用这种方法测试时的工艺比较复杂，一般情况下，采取的是分频策略，根据不同的频点依次进行勘测。

值得注意的是，稳态法并不是在一开始就是用低频的方法，而是用高频勘测的方法，随着勘测过程的实施和进行，其频率也会慢慢地变低。

这时候，相应的波长也会随之改变，逐步的开始增加。还有深度也在发生改变，当发现勘测的值在最大时，说明频率也就在这一刻结束了。

2.2 瞬态激振法

该方法采用锤击或炸药震源激发瑞雷波，在地面按一定方式用垂直速度检波器接收，并根据波场的频散特性，求取VR 速度分布场。瞬态法现场工作布置如图2 所示:

图中M 点为测试点，两检波器距离为△x ，△x还应满足下式:

则两信号的相位差Δφ 满足:

图2 瞬态法现场工作布置图

由上述图2 分析可知，随着勘探深度的增大，即λR 增大，△x 的距离也相应的增大。

3 瑞雷波在岩土工程检测中的作用

中国石化川东北物资供应储备中心为川气东送指挥部达州基地配套项目，拟建场区位于四川省达州市西外新区皂角垭村六组和高峰洞村四组，紧邻襄渝铁路和达万铁路，在建达万铁路连线从场地南侧横穿而过。

场区距达州市主城区约15 km，距达州火车站约8 km，离河市机场约20 km，与达渝高速相隔约16 km，场区东西宽约277 ～401m，南北长约740 m，占地面积约0.23 km2。

在该项目中选用的是瞬态瑞雷波法是在激振时产生一定频率范围内的瑞雷波，并以复频形式传播。现场采用纵排列接收瑞雷波，通过现场试验，根据场地情况，选择合适的工作偏移距、道间距、记录长度、采集间隔等参数。

本项目测试采用奔腾数控技术研究所WZG6 －24 工程数字地震仪作为现场瑞利面波数据采集记录仪器，处理软件为SWS 瑞雷波处理软件包。仪器主要参数如下:

1)通道数:24 道。

2)采集点数:512、1024、2048 可选。

3)放大器:瞬时浮点放大器。

4)A/D 转换:16 位。

5)动态范围:120dB。

6)滤波:带通、陷波。

7)仪器通频带:0.5 ～5 000 Hz。

本次检测根据强夯厚度在15 m以内这一特点，本次面波测试每点为一个排列，每一排列为12 道，道间距离为2 m，排列长度22 m，采用人工单边锺击激发采数。

本次野外现场采数采用4 Hz面波专用检波器，根据现场情况，瑞雷波的激发使用锤击震源或落重震源，道间距设定为2 m、偏移距设定为6 ～12 m，测试参数的设定满足检测深度达到进入强风化层1 ～2 m要求。

检测点的布设首先应侧重填方厚度较大区域，并对N120 动力触探试验进行有针对性布点。

瑞雷波在工程检测中的作用主要分为以下几方面:

3.1 地层划分

要想知道不同地层的厚度以及在进行传播时的弹性波的不同速度，需要解释一些特殊的变化，即瑞雷波频散的曲线，明确曲线的意义和发生变化的性质，从而实现对底层的划分。

3.2 地基加固处理效果评价

在勘测的过程中，需要采取相关的措施对地基的加固情况进行跟进，一般来说，波速之所以会不同就是因为受到了地基加固的影响，当然，这个结果并不是盲目地获得，而是需要进行地质的勘测，然后就可以分析地基加固之前和加固之后的不同状况，实际上，在众多的表现中，其物理学的性质改善的程度最为明显。

3.3 岩土的物理力学参数原位测试

在勘测过程中，岩、土层的S 波速度、P 波速度及密度等参数的确定与今后的地质勘测的关系息息相关。这需要相关的工作人员在进行勘测完成以后，掌握第一手资料，并对资料加以分析，通过对资料的反演解释，得出相关的参数［4］。

3.4 公路、机场跑道质量无损检测

这是高频瑞雷波的一种应用，但是这种瑞雷波需要人为的进行激发，通过使用可以确定路面的抗折、抗压强度及路基的载荷能力，以及各结构层厚度。

采取稳态法进行监测具有十分重要的意义。近年来，对于机场跑道和公路质量的监控离不开稳态法的应用［5］。

3.5 地下空洞及掩埋物的探测

与一般的勘测结果相比，通过稳态法进行勘探的优点在探测地下空洞和掩埋物时效果十分显著，只要瑞雷波与地下空洞和掩埋物的深度一样，频散的曲线就会发生不正常的现象。

因此，在地下空洞和掩埋物的发现上有着非常广阔的应用前景。

3.6 饱和砂土层的液化判别

根据一定场地内的饱和砂土层的埋深、地下水位的深浅等地质条件，可以计算出饱和砂土层的液化临界波速值。

4 结 语

瑞雷波既可以在实验室范围内容易被激发和接收，还能够携带较多的介质结构信息，便于人们分析岩土工程的特性。

瑞雷波是面波的一种，具有传播速度低、衰减小、抗干扰强等特点，是介质中纵波和横波耦合的结果。它在介质的自由界面附近传播。沿界面传播时，其形成与传播与介质的物理特性有关，绝大部分能量集中在自由表面附近，各介质质点在垂直于界面的入射面内。

其运动的轨迹比较特殊，不仅可以与波的传播方向一致，还可以在界面中垂直传播，通过两股力量的合成，其运动的轨迹呈现出不规则的圆形的趋势。在均匀弹性半空间中，瑞雷波的传播速度为介质横波速度的87% ～95%，与频率无关［6］。

在层状半空间中，瑞雷波传播的相速度和群速度与频率息息相关，之所以瑞雷波能够在岩土工程中被广泛的应用，是因为它能够对地质的介质结构进行分析和推测，而这种推测又是建立在瑞雷波的频散特征的基础之上的［7］。

综上所述，瑞雷波是一种经济，快捷有效的检测手段，在大面积检测地基加固深度和承载力方面有极大的优势。因此，我们要加强对瑞雷波的研究利用，充分利用其基本原理，正确选用稳态和瞬态的方法，从而有效进行岩土工程的检测，这将具有非常重要的意义。

［1］李胜平，吴杰芳，李声平. 粗粒料压实干密度无损检测试验研究［J］. 长江科学院院报，2004(06):45 －46.

［2］何正文，洪宝宁. 基于瞬态瑞雷波法检测软基固结度［J］.山西建筑，2008(21):32 －33.

［3］肖柏勋. 高模式瑞雷面波及其正反演研究［D］. 长沙:中南大学，2000.

［4］高玉峰，张健，沈扬. 不同频率波浪荷载作用下饱和粉土孔隙水压力特性试验研究［C］//第一届全国岩土本构理论研讨会论文集. 北京:中国力学学会岩石力力学专业委员会，中国土木工程学会土力学及岩土工程分会，2008:8 －9.

［5］耿光旭，李华平，刘金川. 用瑞雷波法探测水库坝堤质量［C］//勘探地球物理2005 学术交流会论文集. 台北:中国地质学会，2005:5 －6.

［6］祁生文，孙进忠，万志清. 瞬态瑞雷波勘探方法的一点改进［J］. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2001，20(04):466 －468.

［7］凡友华，刘家琦，韩波. 瑞利面波频散曲线的理论计算研究［J］. 湖 南 大 学 学 报:自 然 科 学 版，2001，28(03):10 －16.