1、瑞雷波檢測強夯地基方法說明及實例2011.1.211:前言（1）瑞雷面波是一種沿介質自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ捎茖W家瑞雷 （Rayleigh 1887）發(fā)現(xiàn)和數(shù)學論證。隨著面波探測在天然地震和工程勘察領域中的應用，面波理論在原理、測量技術和數(shù)據(jù)處理方法上，都得到很大的發(fā)展。 了解面波的原理是有效應用面波測深的基礎。面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是一種新的淺層地震勘探方法。面波分 為瑞雷波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、 頻率最低，容易識別也易于測量，所以瑞雷波勘探一般是指瑞雷面波勘探。面波探測中取得地層頻散特徵的技術方法目前有兩種。一種是用可控頻率 的激震器，

2、分別激發(fā)不同頻率的面波，在不同距離的兩個通道上記錄面波的振幅， 計算該頻率的相速度。第二種是用沖擊震源激發(fā)包括較寬頻帶的面波脈沖，在不 同距離的多個通道上記錄面波，用分頻的數(shù)據(jù)處理方法計算頻帶范圍內(nèi)的面波相 速度。除第二種方法有可能區(qū)分面波的模態(tài)外，兩者從原理上沒有本質的差別。瑞雷面波的振動包含水平和垂直兩個分量。從原理上看，在復雜情況下綜 合利用兩個分量，有利于區(qū)分面波的模態(tài)，但目前一般僅測量面波地表振動的垂 直分量。面波探測的數(shù)據(jù)處理分兩個步驟：由面波的時距數(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。由頻散數(shù)據(jù)計算地層彈性參數(shù)，實質是采取地層模型參數(shù)迭代優(yōu)化的方 法。其

3、中模型正演目前又有傳輸矩陣法和剛度矩陣法兩種。以基階模態(tài)頻散數(shù)據(jù)為基礎的面波測深方法，頻散數(shù)據(jù)特征和地層結構的 關連比較直觀，分層反演也比較容易實現(xiàn)。對于波速總體隨深度增加的常見地層 結構，如果采集多道地震記錄并轉換到頻率波數(shù)域，也不難單獨提取出基階模態(tài) 的頻散數(shù)據(jù)。線性排列的多道地震記錄，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)，雖然會引入一定的平均效應，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。面波的應用范圍：一、對巖土體的物理力學參數(shù)的測定；二、地層的劃分和各層速度的確定；三、地基“軟” “硬”程度和承載力

4、的判定；四、地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測；五、軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別；六、公路、機場跑道質量的無損檢測；七、江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價；八、場地土類別劃分及滑坡調(diào)查等；（2）強夯法是一種十分經(jīng)濟有效的地基處理方法。它不僅能提高地基的強 度并降低其壓縮性，而且還有改善其抵抗液化的能力。在沿海地區(qū)，填海工程和 低丘整平地基處理中，大量使用強夯法。強夯地基的承載力及在強夯效果的檢測 中十分重要。本文通過瑞雷波法的理論探討以及多個工程中與壓板試驗、鉆探標 貫、室內(nèi)土工試驗的對比，證明瑞雷波法不僅可以檢測出強夯地基加固深度、影 響深度，

5、而且可以推測出地基承載力和變形模量。2：瑞雷波勘探原理（1）瞬態(tài)瑞雷波法的原理瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊使地面產(chǎn)生一個包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵。離震源一 定距離處有一觀測點A,記錄到的瑞雷波是f1（t），根據(jù)付立葉變換，其頻譜為 TOC o 1-5 h z F如=口雙）f擊1）在波的前進方向上與A點相距為的觀測點B同樣也記錄到時間信號剝，其頻沿是假若波AU點傳播S1B點，它們之間的變優(yōu)純粹是頻散引起的，由應有下列的關系式its 十，.-% 3）3）辦3）是詞頻率為們的瑞雷波的相速度3）或亦可寫成網(wǎng)伽廣F10眼F其中4*刀（。）和F0）之間的相位差-比較 式和（4）式，可以看出.爐q-M叩0）:即叩

6、皿）=眼/山3根據(jù)上式只要知道A、B兩測點間的距離和每一頻率的相位差f，就可以 求出每一頻率的相速度，從而可以得到勘探地點的頻散曲線。為此，我們需要 對A、B兩觀測點的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。作相干函數(shù)的目的是對 記錄信號的各個頻率成份的質量做出估計，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程 度。根據(jù)野外現(xiàn)場的實際情況，我們可以確定一個系數(shù)（在01.0之間）。當 相干函數(shù)大于這個系數(shù)，我們就認為這個頻率成份有效。反之，我們就認為這個 頻率成份無效。作互譜的目的是利用互譜的相位特性來求出這兩個觀測點在各個 不同頻率時的相位差，再利用公式（5），求出瑞雷波的速度VR。當我們已知頻率為f的瑞雷波速度

7、VR后，它相應的波長娠為；= V E/f根據(jù)彈性波理論，瑞雷波的能量主要集中在介質的自由表面附近，其深度差不多 在一個波長深度范圍內(nèi)。由半波長理論可知，所測量的瑞雷波平均速度VR可以 認為是1/2入波長深度處介質的平均彈性性質，即勘探深度H是由（6）式可知，頻率越高，波長越短，勘探深度越小，反之，頻率越低，波長 越長，勘探深度越大。因此兩個觀測點之間的距離也要隨著波長的改變而改 變。對于勘探深度較深的低頻而言，要變大，才能測到較為正確的相位。對于 勘探較淺的高頻來說，要變小。根據(jù)實際經(jīng)驗，取入/3 2入間較為合適。 即在一個波長內(nèi)采樣點數(shù)要小于在間距間的采樣點數(shù)的三倍，和大于在間 的采樣點數(shù)的

8、0.5倍。這個濾波準則對于不同的儀器分辨率和場地的實際情況要 作適當?shù)恼{(diào)整。3：瑞雷波與工程質量檢測3.1在自由界面(如地面)上進行豎向激振時，均會在其表面附近產(chǎn)生瑞雷波， 而瑞雷波有3個與工程質量檢測有關的主要特征：在分層介質中，瑞雷波具有頻散特性；瑞雷波的波長不同，穿過深度也不同；瑞雷波的傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。研究證明，瑞雷波能量約占整個地震波能量的67%，且主要集中在地表下一 個波長范圍內(nèi)，而傳播速度代表著半個波長(入/2)范圍內(nèi)介質震動的平均傳播速 度。因此一般認為瑞雷波法的測試深度為半個波長，而波長與速率及頻度有如下 關系：設瑞雷波的傳播速度為vr，頻率為fK，則波長

9、為入r =vr fK 當速度不變時，頻率越低，測試深度就越大。K瑞雷波檢測方法分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩種。這兩種方法的區(qū)別在于震源不同。 瞬態(tài)法是在激震時產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波，并以復頻波的形式傳播；而穩(wěn)態(tài) 法是在激震時產(chǎn)生相對單一頻率的瑞雷波，并以單一頻率波的形式傳播。我們在 強夯檢測項目中采用的是瞬態(tài)瑞雷波法。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采用縱排列接收瑞雷波。首先做現(xiàn)場試驗，根據(jù)場地情況， 選擇合適的工作參數(shù)，如偏移距、道間距、記錄長度、采集間隔等。3.2檢測方法：考慮到強夯后超凈孔隙水壓力消散時間，一般情況下在強夯結束后34周， 進場檢測。主要有瑞雷波法、靜載試驗法、以及鉆探標貫和其他原位測試方法。 首先

10、進行瑞雷波法，通過大范圍的快速測試，掌握地基承載力分布情況、地基均 勻性以及強夯加固深度、影響深度范圍。在此基礎上，尋找其相對薄弱部位，用 二種以上的傳統(tǒng)方法進行驗證。其一為大壓板試驗，底板面積為2X2 m2 3X3 m2,以便了解較深范圍地基土的承載力和變形模量，其二為鉆探取土標貫， 填土中每2m取一個土樣，每1m進行一次標準貫入試驗，以掌握垂直方向的地基 承載力分布情況，強夯加固深度和影響深度。后二種方法主要是對前一種方法進 行驗證，對比分析該場地的瑞雷波速和地基承載力的相關關系。瑞雷波法按格網(wǎng)式分布，重點穿過擬建建筑物基礎的主要特征受力部位，一 般測線間距取56m，測點間距取2m左右，兼

11、顧強夯墩上和墩間分布，偏移距 取26m (場地越硬，可取大些；越軟，取小些)。震源3050kg鍋底錘，檢波 器自振頻率428Hz，儀器記錄時間長度取2002000ms。3.3室內(nèi)資料處理主要內(nèi)容圖L璀雷波擂味原理對道間波形進行互相關對Rx做Fourier變換，得R2if)2= |R 1 (f)|由 R 3)得 q (f)。用V2=2n fA X/Aq，計算不同頻率的瑞雷波速。繪制瑞雷波頻散曲線。根據(jù)頻散曲線計算分層速度與深度。4：工程實例現(xiàn)以某建筑場地強夯地基為例說明，該場地為山溝填土整平形成，測試區(qū)域 填土深度約15m，強夯能量為6000kNm。本場地先后做了瑞雷波法，鉆探標貫試 驗和3mX

12、3m大壓板靜載試驗。0 zoo TOOEB 3 AQ + 12 中夾花蜉AG4I翳統(tǒng)原始記蛛EOOO_,25(X) gfkN圖4 A041測醍中點站探旃JT曲線圖S F2點3試驗明線圖2為該場地的瑞雷波測試原始記錄。該記錄偏移距4m,道間距2m, 32kg 錘1.5 m高自由下落激發(fā)，記錄波形規(guī)則，背景安靜。圖3為該記錄經(jīng)計算機處理后所得的頻散曲線。由圖可見，瑞雷波頻散曲線 規(guī)則，拐點清楚02m深度范圍內(nèi)，波速為260ms-1, 36m波速220ms-1, 6 9m波速為200ms-1，916m波速為190205ms-1。解釋加固深度9m，影響深 度為16m。圖4為該處所做鉆探標貫曲線。由圖可

13、見，013m范圍內(nèi)修正后的標貫擊 數(shù)為14.826.8擊，室內(nèi)土工試驗壓縮模量為58MPa，內(nèi)摩擦角15。左右，凝 聚力為36kPa左右。圖5為在該鉆探點所作靜載試驗曲線。該點按設計承載力1.5倍加荷，實測 承載力fk = 250kPa，變形變量E = 34.02MPa，換算壓縮模量Es=8.5MPa。由圖2圖5可見，瑞雷波頻散曲線可以直接反映強夯復合地基的加固深度、 影響深度，并與鉆探標貫和靜載試驗結果一致。通過大量統(tǒng)計對比，我們總結出了如下的經(jīng)驗公式：N63.5 = 1.779 X 10-3式中，Vr單位為ms-1，N63.5為標貫擊數(shù)，統(tǒng)計件數(shù)為86件，相對系數(shù)r=0.95。 fK =

14、2.777R式中，fK單位為kPa，統(tǒng)計件數(shù)94件，相關系數(shù)r=0.85。E =9.43 X 10-5式中，E。單位為MPa，統(tǒng)計件數(shù)62件，相關系數(shù)為r = 0.83。瑞雷波速與標貫試驗具有較好的相關性。以理論上分析，當?shù)鼗凛^密實， 較硬時，標貫擊數(shù)N值較高，波速V也較高。反之，N值較低，V也較低。只有 當?shù)鼗梁欢康奶钍瘯r，N值冒散性加大，V卻代表了一種整體平均效應。 不言而喻，當填石太多時瑞雷波法比鉆探法具有更大的優(yōu)越性。瑞雷波速與地基承載力也有較好的相關性。波速的高低反映了其介質的致密 程度或固結程度，大范圍的固結效果與承載力也有直接關系。相對壓板試驗來說， 瑞雷波法具有更加快速

15、、廉價、范圍廣、代表性強的特點。瑞雷波速與地基土變形模量也有相關關系。E與V的變化顯得比f還要靈 敏。其原因是，強夯復合地基往往在地表形成一層0硬殼，而壓板試驗得出的結果 與淺部1.52倍壓板直徑范圍有關，而我們所取的波速則是整個強夯加固地基 有效厚度范圍的平均速度。值得指出的是，這種遞推式的經(jīng)驗方法有其使用有局限性，應該在具體地區(qū) 做出具體的對比試驗，建立合適的相關關系。這樣，不僅有利于解決強夯復合地 基的均勻性問題，而且對解決地基的承載力問題也是十分有用的。4結論瑞雷波法解決強夯加固地基質量的檢測問題是十分有效的。它不僅可以 檢測大范圍地基加固效果，而且可以類似標貫試驗法間接提供地基的承載力和變 形模量。通過一定的壓板試驗，鉆探標貫與瑞雷波法的對比試驗，證明瑞雷波速 V與N63.5、f、E值有較好的相關性。R (3)瑞雷波法是一種快速、經(jīng)濟、有效的方法，特別是對于拋石填海地基、 鉆探難以進行而壓板數(shù)量又少，壓板面積又小的