多道瞬態(tài)面波法在評(píng)價(jià)軟土地基處理效果中的應(yīng)用1概述多道瞬態(tài)面波法是在20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種新的工程物探方法，隨著對(duì)該方法的深入研究、工作方法和資料處理與分析軟件的不斷完善及大量的工程實(shí)踐應(yīng)用，該方法能夠很好地解決實(shí)際工程地質(zhì)問題，并取得了良好的應(yīng)用效果，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由面波傳播特征可知，它具有振動(dòng)能量強(qiáng)、效率低、信噪比高、易識(shí)別和觀測(cè)、不受介質(zhì)層速度倒轉(zhuǎn)的限制、對(duì)存在波速差異的介質(zhì)層有較好的分辨能力等特點(diǎn)。其與其他地震勘探方法相比，具有工作方法簡單、所需的激發(fā)能量小、排列短、不受場(chǎng)地開闊程度限制、不受介質(zhì)中飽水程度影響。這些特點(diǎn)使得多道瞬態(tài)面波法有著廣闊的應(yīng)用范圍，目前該方法廣泛的應(yīng)用于：（1）工程地質(zhì)勘查：利用實(shí)測(cè)的瑞雷波頻散曲線，通過定量解釋，可以得到各地質(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟、硬”程度。因此，可以對(duì)第四系地層進(jìn)行劃分，確定地基的持力層。地層中存在低速度帶反映了地下賦存有軟弱夾層，這類地層對(duì)建筑物易造成危害。多道瞬態(tài)面波法可方便地劃分出該軟弱層的埋深及范圍。（2）地基加固處理效果評(píng)價(jià)：軟地基的加固處理，就是通過不同的方法，如強(qiáng)夯、擠密置換、化學(xué)處理、真空預(yù)壓等，使軟地基變“硬”。多道瞬態(tài)面波法評(píng)價(jià)加固效果，是通過實(shí)測(cè)地基加固前后的波速差異，得到處理后的地基較處理前土體的物理力學(xué)性質(zhì)的改善程度，同時(shí)可方便地對(duì)處理后場(chǎng)地在水平方向的均勻性做出評(píng)價(jià)，以及確定加固所影響的深度和范圍。（3）巖土的物理力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試：波速的大小與介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，如密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比密切相關(guān)。因此，通過對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演擬合解釋，可以得到巖、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出其它的參數(shù)。（4）地下空洞及掩埋物探測(cè)：地下土洞、溶洞、礦區(qū)廢棄礦井以及各種地下掩埋物，有時(shí)需要準(zhǔn)確地探測(cè)其在地下的賦存位置。用多道瞬態(tài)面波進(jìn)行勘察時(shí)，當(dāng)面波的勘探深度與這些物體的深度相當(dāng)時(shí)，頻散曲線就會(huì)出現(xiàn)異常跳躍。據(jù)此可以確定其理深及范圍。（5）公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量無損檢測(cè)：利用人工激發(fā)的數(shù)十～數(shù)千赫茲的高頻瑞雷波，可以分別測(cè)出路面、路基的波速，進(jìn)而計(jì)算出路面的抗折、抗壓強(qiáng)度及路基的載荷能力，以及各結(jié)構(gòu)層的厚度。該方法用于機(jī)場(chǎng)跑道和高等級(jí)公路的另一項(xiàng)意義是可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量隨年代變化的連續(xù)監(jiān)控。（6）飽和砂土層的液化判別：當(dāng)較松散的飽和砂土層受到振動(dòng)時(shí)就會(huì)被振實(shí)，體積減小。如果不排水，孔隙水壓力就會(huì)增高。在連續(xù)振動(dòng)條件下，砂土層內(nèi)的孔隙水壓力增高到了某個(gè)時(shí)候，孔隙水壓力就會(huì)等于上覆土壓力，在這種情況下，砂土層就不再具有抗剪強(qiáng)度，而處于液化狀態(tài)?？梢姡柡蜕巴翆釉谡駝?dòng)作用下液化與否，與砂土層的密實(shí)度有關(guān)，越松散越易發(fā)生液化；反之，不易液化。根據(jù)一定場(chǎng)地內(nèi)的飽和砂土層的埋深，地下水位的深淺等地質(zhì)條件，可以計(jì)算出該飽和砂土層的液化臨界波速值。實(shí)測(cè)波速大于該臨界值，則為非液化層，小于該臨界值則為液化層。（7）其它方面的應(yīng)用：瑞雷波勘探用于工程地質(zhì)，解決的問題是多方面的，除上述六個(gè)方面的應(yīng)用外，還可有效地用于基巖的完整性評(píng)價(jià)，場(chǎng)地土類型、類別劃分，滑坡調(diào)查，堤壩危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，樁基入土深度探測(cè)等。近年來，我國的巖土工程發(fā)展迅速，尤其是軟土地基處理手段如振沖碎石樁、強(qiáng)夯、真空預(yù)壓等得到廣泛應(yīng)用。與此相應(yīng)的是如何對(duì)軟土地基的加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，已成為巖土工程中一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。一般說來，軟土地基加固效果，大都以常規(guī)的鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探和靜載試驗(yàn)等手段進(jìn)行檢驗(yàn)。無疑這些方法對(duì)軟土地基加固效果的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)都是有效的，可是采用上述方法往往需要較多的人力和物力，成本高，設(shè)備笨重，有時(shí)由于某些條件的限制難于進(jìn)行或不宜較多的進(jìn)行，且只能對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，此外難以對(duì)軟土地基加固的均勻性、加固有效影響深度做出評(píng)價(jià)。應(yīng)用多道瞬態(tài)面波法，采用無損動(dòng)測(cè)技術(shù)，可以快速方便的實(shí)現(xiàn)地基加固效果的評(píng)價(jià)，并且可以對(duì)軟土地基加固的均勻性、加固有效影響深度做出評(píng)價(jià)。瞬態(tài)面波法與傳統(tǒng)方法相比，有以下特點(diǎn)：（1）鉆探、挖坑取樣試驗(yàn)僅僅反映一個(gè)孤立的點(diǎn)，而瞬態(tài)面波檢測(cè)反映的是一個(gè)體積單元，因而更具有真實(shí)性和代表性。（2）鉆探、挖坑取樣是對(duì)體積單元某點(diǎn)上破壞，而瞬態(tài)面波是無損的原位檢測(cè)；在施工監(jiān)理中。能夠?qū)σ央[蔽的填土壓實(shí)度作出評(píng)價(jià)，在處理質(zhì)量爭(zhēng)議及檢驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)作用較為明顯。（3）鉆探、挖坑取樣速度慢，費(fèi)用高，而瞬態(tài)面波法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，不影響現(xiàn)場(chǎng)施工，具有速度快、效率高、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯降低檢測(cè)費(fèi)用。（4）瞬態(tài)面波法也可以利用鉆探等傳統(tǒng)方法的檢測(cè)結(jié)果，建立面波波速與某一巖土參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，這就為方便、快捷地研究特殊地質(zhì)條件下某一巖土參數(shù)提供了基礎(chǔ)。目前人們已經(jīng)建立了特定地區(qū)面波波速與地基處理后地基承載力、面波波速與含水量、面波波速與干密度等經(jīng)驗(yàn)公式。2多道瞬態(tài)面波法基本原理圖1是多道瞬態(tài)面波法測(cè)試的原理，其測(cè)試的實(shí)質(zhì)是通過量測(cè)不同頻率瑞雷波的傳播速度，來探測(cè)不同深度（距離）的巖土介質(zhì)性質(zhì)。當(dāng)在地面上施加一瞬間沖擊力后，在地面表層就有瑞雷波的傳播，這種方法產(chǎn)生的瑞雷波是由許多簡諧波疊加而成的。用人工震源（如錘擊、夯擊、爆炸等）使諸如地面的自由表面產(chǎn)生包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵(lì)。圖1瞬態(tài)面波法測(cè)試原理示意圖面波實(shí)質(zhì)是縱波與橫波垂直分量干涉而成。在瞬態(tài)激勵(lì)下，地面將產(chǎn)生直達(dá)波、反射波、折射波、面波及聲波等擾動(dòng)波，其中面波能量最強(qiáng)，約占傳播總能量的67%。它的傳輸速度低（VR<VS<VP），頻率低，衰減慢，因而信號(hào)易于提取。面波的能量差不多只集中于一個(gè)波長λR左右的范圍內(nèi)，也就是說在一定的深度范圍內(nèi)，可以選擇一定的波長λR，其速度提供的信息只在一個(gè)波長范圍內(nèi)，這對(duì)工程測(cè)試尤其當(dāng)深度不大時(shí)（一般在數(shù)十米范圍內(nèi)），顯然是極為有利的。面波的另一重要特征就是當(dāng)瑞雷面波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，無頻散特性。但是當(dāng)瑞雷面波在非均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中傳播時(shí)，不同頻率的面波其傳輸速度是不同的，這種頻散特性為將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中提供了重要前提條件。另外，由半波長理論知，地面測(cè)得的速度VR反映了二分之一波長深度內(nèi)介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，因λR=VR/f只與介質(zhì)特性有關(guān)，其變化范圍是一定的，所以波長人主要取決于頻率f，不同頻率的面波有不同的波長，f的變化反映了不同深度內(nèi)介質(zhì)平均性質(zhì)的變化，低頻反映了深層的信息，高頻則反映了淺層的信息。計(jì)算過程如下：設(shè)錘擊產(chǎn)生的瑞利波經(jīng)過地面上間距為△的兩點(diǎn)A,B，記錄時(shí)域信號(hào)分別為A(t),B(t)，根據(jù)傅氏變換原理，其頻譜分別為：而A(t),B(t)的互功率譜為：（2-1）在式(2-1)中，GAB(f)的相位表示A(t),B(t)間的相位差；表示共扼運(yùn)算。對(duì)給定的頻率f，都可由式(2-1)得出相位差中，進(jìn)而求出頻率為f的面波到達(dá)A,B兩點(diǎn)的時(shí)間差，即有：（2-2）式(2-2)中，T為頻率為f的面波所對(duì)應(yīng)的周期，將t代VR=△/t，得：（2-3）同時(shí)由半波長理論可知，勘探深度近似為：（2-4）因此從理論上來講，對(duì)于任何給定的頻率f，都可以通過式(2-3),(2-4)求解出一組對(duì)應(yīng)的(VR，H)，用VR和H建立平面坐標(biāo)，即可得到VR-H頻散曲線。由于這種頻散曲線與地下地質(zhì)條件密切相關(guān)，通過對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演分析，就可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況及地下速度結(jié)構(gòu)。多道瞬態(tài)面波法是在地面上沿著面波傳播的方向布置間距相等的傳感器，道間距及偏移距的選擇，以滿足最佳面波接收窗口和最佳探測(cè)深度為原則。將多個(gè)檢波器信號(hào)通過逐道頻譜分析和相關(guān)計(jì)算，并進(jìn)行迭加，得出一條頻散曲線，從而可消除大量的隨機(jī)干擾，各頻率成分能量大為增強(qiáng)，使被測(cè)試體在頻散曲線上的反映更加突出，判斷準(zhǔn)確性大大增強(qiáng)。實(shí)際檢測(cè)中，面波數(shù)據(jù)處理通常分兩個(gè)步驟：（1）由面波的時(shí)距數(shù)據(jù)求取頻散數(shù)據(jù)，其中包括區(qū)分出基階模態(tài)和不分模態(tài)的兩種做法。為了排除其他干擾波的影響，在作頻率波數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)時(shí)間距離域數(shù)據(jù)加時(shí)距窗口，也就是把窗口外的波形數(shù)據(jù)置以零值。以基階模態(tài)頻散數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的面波檢測(cè)方法，頻散數(shù)據(jù)特征和地層結(jié)構(gòu)的聯(lián)系比較直觀，分層反演也比較容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于波速總體隨深度增加的常見地層結(jié)構(gòu)，如果采集多道面波記錄并轉(zhuǎn)換到頻率波數(shù)域，也不難單獨(dú)提取出基階模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)。線性排列的多道面波記錄，涵蓋了面波離開震源不同偏移距的表現(xiàn)，綜合到頻率波數(shù)域提取的頻散數(shù)據(jù)，雖然會(huì)引入一定的平均效應(yīng)，但是在水平層狀地層的條件下，不僅有利于反映不同深度地層的影響，也有利于提高原始數(shù)據(jù)的信噪比。（2）由頻散數(shù)據(jù)計(jì)算地層彈性參數(shù)，實(shí)質(zhì)是采取地層模型參數(shù)迭代優(yōu)化的方法。其中模型正演目前又有傳輸矩陣法和剛度矩陣法兩種。根據(jù)國內(nèi)外面波測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)探測(cè)深度小于30m時(shí)。頻散曲線與地層彈性性能有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接推斷地層情況，根據(jù)異常幅值大小，可判斷軟弱層強(qiáng)度大小。并且該方法具有儀器配備輕便，實(shí)際操作簡便，對(duì)被測(cè)物沒有損壞等優(yōu)點(diǎn)，并經(jīng)過大量實(shí)測(cè)對(duì)比研究表明，其精度能滿足工程要求。3多道瞬態(tài)面波法工作方法多道瞬態(tài)面波法是在地面上沿著波傳播的方向布置間距相等的多個(gè)拾振器，一般可為12個(gè)或24個(gè)，將多個(gè)拾振器信號(hào)通過逐道頻譜分析和相關(guān)計(jì)算，并進(jìn)行疊加，得出頻散曲線上的反映更加突出，判斷準(zhǔn)確性大大增強(qiáng)。多道采集方式有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以在時(shí)間剖面上準(zhǔn)確識(shí)別面波所在的時(shí)間空間位置，從而為合理設(shè)計(jì)面波觀測(cè)窗口提供依據(jù)；（2）可以在多道采集的有效面波記錄上，依據(jù)波形的時(shí)序關(guān)系分析波的來源。識(shí)別所采集的波是直接來自激發(fā)震源的波，還是間接來自激發(fā)震源的側(cè)面波、繞射波以及其它環(huán)境干擾震源所產(chǎn)生的波，據(jù)此正確選定布設(shè)測(cè)線的方向，震源位置和激發(fā)時(shí)機(jī)；（3）在多道采集的面波記錄上可以容易區(qū)分開基本振形和高階振形的面波，從而為合理選用不同振形的面波，解決不同工程地質(zhì)問題創(chuàng)造了條件；（4）可以在同一地點(diǎn)，使用不同窗口采集不同類型的波，互相進(jìn)行校核。3.1多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)（主機(jī)）、震源、信號(hào)接收系統(tǒng)（檢波器）。（1）數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)：SWS-6型主機(jī)，接收檢波器采集的信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，形成波形記錄顯示在屏幕上。（2）震源：可采用大錘、落重、炸藥。大錘：一般采用12磅的大鐵錘；勘察深度可達(dá)20~30落重：通常采用標(biāo)貫用的63.5kg的落錘，從2m高處自由落下，勘察深度可達(dá)30~40米。有時(shí)為了取得更深的測(cè)試結(jié)果，可采用自制的100kg炸藥：測(cè)深可達(dá)幾百米，但是使用時(shí)限制條件太多，使用起來不方便，一般不采用。（3）信號(hào)接收系統(tǒng)：檢波器頻率的選擇可以根據(jù)介質(zhì)的速度與所要測(cè)試的深度來確定，面波勘察一般用4Hz檢波器。3.2多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)在進(jìn)行多道瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，主要的采集參數(shù)有：（1）采樣點(diǎn)數(shù)：1個(gè)面波記錄采集過程中所要采集的樣點(diǎn)數(shù)，一般采用1024點(diǎn)即可滿足要求。（2）采樣間隔：就是樣點(diǎn)的采集頻率。間隔越小，頻率越高，采集到高頻波越多。采樣點(diǎn)數(shù)×采樣間隔=記錄長度記錄長度應(yīng)大于波到達(dá)排列最遠(yuǎn)端的時(shí)間，以第24道所采集的基階波的初至?xí)r刻在整個(gè)記錄的1/2或1/3處為佳；若記錄長度不夠，則得不到地層深部的信息。若試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)記錄長度不夠，改變樣點(diǎn)數(shù)或采樣間隔皆可。（3）道步進(jìn)距：也稱道間距，就是兩個(gè)檢波器之間的距離，道間距應(yīng)不大于所研究的最小地層的厚度。道間距小，測(cè)深小，分辨率高；道間距大，測(cè)深大，分辨率低。一般來講：測(cè)深：10m；20m；30m；道間距：0.5-1m；1.5-2m；2-3m所有道間距之和即為排列長度，排列長度要與測(cè)試深度相當(dāng)。采集時(shí)，排列長度要盡可能長一些。首先測(cè)度深度由排列長度決定；再者，排列長度長的話，可以得到深部的資料，使基階面波與高階面波易于分辨，也使基階面波在F-K域的發(fā)展趨勢(shì)易正常，若測(cè)線長度不夠，所拾取的基階面波的能量不足以抵制其它干擾波的影響，峰值點(diǎn)線易發(fā)生向下方的偏移。所以面波采集時(shí)一般都要用24道，這樣既可以保證勘察深度，也可保證勘察精度。（4）偏移距(offset)：震源距第1道檢波器的距離。當(dāng)震源在檢波器排列延長線的大道號(hào)端敲擊時(shí)，取負(fù)號(hào)。偏移距大則測(cè)深大，偏移距小測(cè)深淺。一般來講，偏移距為5~10m時(shí)，測(cè)試深度可達(dá)10～30m。圖2測(cè)線示意圖4多道瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析多道瞬態(tài)面波法采集數(shù)據(jù)的整理和解釋是一項(xiàng)細(xì)致義繁雜的工作，內(nèi)容包括：（1）對(duì)原始資料進(jìn)行整理，檢查核對(duì)，編錄；（2）計(jì)算各頻率條件下面波的傳播速度：（3）確定面波時(shí)間—空間窗口；（4）在頻率—波數(shù)域內(nèi)提取面波；（5）進(jìn)行頻散分析并形成頻散曲線圖；（6）根據(jù)頻散曲線的變化，對(duì)層數(shù)和各層速度的變化范圍做出定性解釋；（7）進(jìn)行定量解釋，確定各層的厚度，計(jì)算各層的橫波傳播速度（程序中已把面波波速轉(zhuǎn)化為橫波波速），并對(duì)獲得結(jié)果進(jìn)行反演擬合解釋，直到擬合相關(guān)系數(shù)滿足要求為止；（8）繪制成圖片，輸入CAD繪圖軟件，繪制成果表，對(duì)資料做出地質(zhì)解釋，對(duì)各層的巖土工程性質(zhì)做出評(píng)價(jià)。面波勘察解釋成果主要形成面波層速度彩色剖面圖，在剖面圖中不同顏色代表不同的面波層速度。在進(jìn)行軟土地基處理效果檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)標(biāo)貫、靜力觸探、載荷板試驗(yàn)等原位測(cè)試的承載力檢測(cè)結(jié)果，建立起面波波速與地基承載力之間的相關(guān)關(guān)系，形成該地區(qū)的地基承載力與面波波速的經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)的空間位置繪制成一定深度的波速等值線圖與地基承載力等值線圖。圖3面波頻散曲線圖圖4面波波速等值線圖圖5地基承載力等值線圖圖6多道瞬態(tài)面波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖圖7SWS-6型主機(jī)示意圖圖8檢