8.瞬态多道瑞利波勘探技术的原理方法、仪器设备和应用实例-李哲生

瞬态多道瑞利波勘探技术的原理
方法、仪器设备和应用实例
李哲生
(福建省建筑设计研究院)
提要
本文阐述了瞬态多道瑞利波勘探的原理和方法，提出了适用该方法的仪器和设备工程为实例，介绍了这种方法在岩土工程勘察中的应用。

关键词 瑞利波 稳态法 瞬态法 瞬态多道瑞利波勘探技术
一 前言
在进行折射法和反射法地震勘探时，由纵波激震震源产生的地震波在传播过程中，不可避免地产生瑞利波，为了取得折射波的初至或反射波的同相轴，需要选择合适的窗口和滤波，将瑞利波作为干扰波设法排除。

但近些年来，人们已成功地利用瑞利波传播过程中的频散特性，将其应用于岩土工程勘察中来。

瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：一为稳态法，另一为瞬态法。

前些年，主要以稳态激振方法为主，其代表为日本VIC 株式会社的GR-810、GR-830地下勘探机。

国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，即利用扫频仪和功率放大器发出的谐波电流推动电磁激振器对地面产生稳态面波，由相隔一定距离的拾振器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机(频谱分析仪)进行相关计算，得出频散曲线。

由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂，重量也大，随之根据其原理，出现了瞬态面波勘探方法，其设备较为轻便，测试速度快。

但也有许多缺点，其一是瞬态激振的功率密度谱分布不均，许多频率能量大小，随机干扰大，以致于频散曲线与理论相差太大，常常无法利用。

其二是仍按照稳态激振面波勘探方法接收地面震动波，致使所有的波，如反射波、折射波、直达波等均作为干扰波而与面波混在一块，有可能导致误差较大的结果，这也是稳态激振面波勘探方法主要缺点之一。

为了克服这些缺点，目前发展了一种新的面波勘探方法--瞬态多道瑞利波勘探技术。

它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振，在地面布置多个拾震器，并选择最佳面波接收窗口接收震动，通过多次迭加多道和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。

据此，北京水电物探研究所(原北京华水物探研究所)研制了SWS 多功能面波仪，并将分析处理软件装入计算机内。

经过许多工程应用表明，这种方法在地基场地土类型和建筑场地类别的划分、建筑场地土层的划分、地基加固效果评价、灾害地质体调查等方面应用具有轻便、快速、准确等特点。

二 方法原理
在地面施一适当的竖向激振力(可用大锤敲击地面或吊高重物自由下落)，地下介质中可产生纵波、横波和瑞利波，可用如下的波动方程来描述它们的运动。

2221t V p ∂Φ
∂=Φ∇ 2221t V s ∂∂=∇ϕϕ
其中φ，ϕ为质点位移场的势函数，Vp 和Vs 分别为纵波和横波的速度。

对于平面波可得(1)式的一个解为：
ϕ（X ，Y ，Z ，t ）=A )(1Vt x ik KV e z e
-- ϕ（X ，Y ，Z ，t ）=B )(2Vt x ik Z KV e e --
式中：V1= [1-(V r/Vp)] V2= [1-(V r/Vs)]
K 为波效，V r 为瑞利波速，A 、B 为常数。

由(2)式可得到为瑞利波传播的二个特性：一是瑞利波振幅随深度衰减，能量大致被限制在一个波长以内；二是由地面振动波的瞬时相位可确定瑞利波传播的相速度。

瞬态面波法即根据这二个特性，在相距一定距离的地面二点安置拾振器，接收面波振动，通过频谱分析，作出波长—波速频散曲线，从而算出地下土层的瑞利波速V r 。

瑞利波速和横波波速的关系为 Vs= Vr ν
ν12.187.01++ （ν为泊松比） 当ν从0.25至0.5时，V r/Vs 从0.92至0.95。

由此可将瑞利波波速换算成横波波速。

瞬态多道瑞利波是在地面上沿着面波传播的方向布置间距相等的多个拾振器，一般可为12个或24个。

选择适当的偏移距和道间距，以满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度。

将多个拾振器信号通过逐道频谱分析和相关计算，并进行迭加，得出一条频散曲线，从而消除了大量的随机干扰，信号中各频率成分能量大为增强，使得地质体在频散曲线上的反映更加突出，判断准确性大大增强。

三 瞬态多道瑞利波的采集方法
在时域内，面波采集的质量好坏，直接影响到计算出的频散曲线。

与反射法地震勘探方法相同，瞬态多道面波勘探也存在一个最佳窗口问题。

弹性波在时间空间域内传播时，其各种波型(直达波、折射波、反射波、声波和面波)均遵循各自的传播规律，在应用瞬态多道瑞利波方法时应注意；
1．各道采样必须设计排列在面波域内，且采集到足够长的记录
2．尽量使采集到的波型单一，即；不使直达波的后续波或反射、折射波干扰面波，同时避免周
围的干扰振动。

3．采集的波形不能失真。

根据以上原则，在设计排列时，应按照不同的探测深度选择不同的偏移距和道间距，偏移距较小时，产生的高频分量就大些，由之，浅部的信息就强些；若需突出深部信息，应使偏移距放大些，致使高频分量衰减，而低频分量突出。

同样也根据探测深度选择道间距。

对于同样的道间距，反映深部的信号频率较低，传感器之间该频率的相位差较小，而为了突出有效信号，必须使相位差有一定的值，所以必须使道间距加大些。

反之，减少道间距，避免相位差超过360度。

瞬态多道瑞利波法的激震可采用大锤或吊高重物自由落下，一般地，对于深度在20—30米内，土质不是很软，采用24磅大锤敲击地面即可获得不错的频散曲线，如果深度加大、土质较软或提高探测质量，也可吊高重物自由落下，这种方法可获得较好的低频震动。

在产生撞击振源时，常常不可避免地产生二次撞击，如重物碰地回弹后再次撞地，有些人想方设法控制此二次震动，以获得干净的面波资料，结果影响了工作效率，其实这大可不必。

我们知道，对于时域中分析的反射法或折射法地震勘探，二次激发必须排除，因为第二次激发波会迭加在第一次激发的波上，形成干扰。

而在频域中则无此问题，这从以下推导可得佐证；
设地面上A 点接收到第一次激振产生的振动为 ),(t x f y =
地面上A 点接收到第二次激振产生的振动为 ),(t t x Cf y ∇-=
C 为小于1的比例系数，合成振动为),(),(t t x Cf t x f y ∇-+=
将上式进行富里埃变换，并注意到富里埃变换的延时定理，可得
)],(),()],(),([t t x Cf t x f iV t t x Cf t x f U X Y m m m ∇-++∇-+∑=∑=
m U 和m V 分别为频谱的实部和虚部，令
⎪⎩
⎪⎨⎧=+==m m m m m m m U V arctg V U X A φ22|| 则 t fm i m i m m i m m e e t x f A C e t x f A X ∆-⋅⋅+=πφφ2)],([]),([
令-2πom t fm φ=∆ 则m i m i m m i m i m m e B e t x f A Ce e t x f A X 10)],([)1()],([φφφφ⋅⋅=+⋅⋅= 其中⎪⎩
⎪⎨⎧+=++=m m m m m C C arctg C B 00102220cos 1sin sin )(cos 1φφφφφ 则对于A 点 )1()],([m ma i A A mA mA e B t x f A X φφ+⋅⋅=
同理，对于B 点 )1()],([m mb i B B mB mB e B t x f A X φφ+⋅⋅=
对于计算某点频率的相位差时，
mB mA m mB m mA φφφφφφϕ-=--+=∆11
因此，二次激发造成的延时迭加被减去了，所以它们在频率域中并不对相位差造成影响。

四 仪器、设备的要求
1． 仪器：瞬态多道瑞利波的数据采集必须选用多道数据采集系统，最少12道以上，以24道为好。

由于面波分析是在频率域中进行，各种频率成份能量差异很大，要想取得尽可能多的地下信息，尤其是地下深部的信息，而上部的信息又不能产生失真，仪器的动态范围必须要大，AD 转换一般要在16位以上，最好达20位，本机的噪音水平一定要低，折合输入端的噪音要小于或等于5微伏峰值电压；并且频响范围要宽，尤其低频频响要好，频率下限应小于1Hz ，上限应大于1000Hz ．这几项要求均高于普通浅层地震仪，因此可以这么说，浅层地震仪可以做的工作，面波仪均适用，而面波仪所做的工作，浅层地震仪的指标往往
2． 拾振器：由于面波频率成分较低，所以必须选择低频拾振器。

究竟频率下限是多少的拾振器可达到要求，则可根据场地地层波速值和探测深度确定，若以探测深度以波长一半计，则
f
V 22=λ 如果波速为200m/s ，2
λ为20m ，则f 为5Hz 。

这时，拾振器的下限频率至少要选择在5Hz 以下。

五 工 程 应 用
福建东部沿海地区普遍为软土地层，利用瞬态多道瑞利波勘探技术划分20—30m 以内的土层分布仅用18磅大锤激振即能产生相当不错的效果。

在场地抗震参数测试中，使用这种方法确定地面下层15—20m 范围内平均剪切波速，进而确定场地类别效果尤佳。

福州某处场地上拟建20层楼房，我们承担勘察任务，鉴于福州市为七度抗震设防城市，我们在
钻孔边地面进行了瞬态多道瑞利波测试，并在钻孔中进行了土层剪切波速测试。

面波测试采用12道，道间距为2米，振源采用18磅大锤敲击地面，采样间隔为10ms，采样点数为1024点，拾振器为25Hz 垂直检波器，接收和处理仪器为SWS面波仪，处理软件采用FKSW20面波处理系统。

图1为采集的面波记录，图2为经过计算机处理过的频散曲线和钻孔
柱状图。

从频散曲线算得地面下15米内平均波速V r＝
135m/s，换算为剪切波速为Vs＝142m/s，钻孔剪切波速测
得Vs=147m/s，两者基本上是相同的。

瞬态多道瑞利波勘探方法用于建筑场地地层划分亦
是一种低成本、快速的物探方法。

某拟建的18层建筑物
位于河漫滩冲积平原上，勘察要求划分强风化及中风化岩
面深度。

我们进行了瞬态多道瑞利波勘察，在频散曲线上
根据拐点划分出了层面深度，经钻探验证，推断深度与实
际深度相符。

图3为频散曲线及钻孔柱状图。

六结束语
瞬态多道瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中是一种有效的方法。

它对于土层波速测试、场地类别划分、土层划分、不良地质体的探查等具有快速、灵活、准确的优点，地层分层的准确度常可达到分米级。

但在应用中应选择恰当的工作布置和采集参数，选择合适的仪器设备，注意避开地面振动干扰，才能得到好的频散曲线。

在解释过程中，可根据瑞利波在成层地层中的传播特性，进行频散曲线的正反演计算，准确地获得土层波速、深度等参数。

参考文献
[1] SWS-1多功能面波仪使用说明，北京华水物探技术研究所，1994年5月。

[2] FKSWS2.0面波软件使用说明书，北京华水物探技术研究所，1994年5月。

[3] 地震学中的计算方法，朱介寿，地震出版社1988年。

[4] 瑞利波勘探，杨成林，地质出版社，1993年。

[5] 信号数字处理的数学原理，程乾生，石油工业出版社。

The Principle，method, Instruments and Application of Transient Multi-Channel Reyleigh Wave Exploration
Li Zhe sheng
(Fujian Building Design Institute)
[Abstract]In this paper the principle and method of transient multi—channel Rayleigh wave exploration is described．The method and its instruments in the field of geotechnical investigation is introduced through engineering applications．
[Keywords] Rayleigh wave，steady-state method，transient method，transient multi-channel Rayleigh wave exploration。