多道瞬态面波法在评价软土地基处理效果中的应用

多道瞬态面波法在评价软土地基处理效果中的应用1 概述多道瞬态面波法是在20世纪90年代中期发展起来的一种新的工程物探方法，随着对该方法的深入研究、工作方法和资料处理与分析软件的不断完善及大量的工程实践应用，该方法能够很好地解决实际工程地质问题，并取得了良好的应用效果，创造了良好的社会效益和经济效益。

由面波传播特征可知，它具有振动能量强、效率低、信噪比高、易识别和观测、不受介质层速度倒转的限制、对存在波速差异的介质层有较好的分辨能力等特点。

其与其他地震勘探方法相比，具有工作方法简单、所需的激发能量小、排列短、不受场地开阔程度限制、不受介质中饱水程度影响。

这些特点使得多道瞬态面波法有着广阔的应用范围，目前该方法广泛的应用于：（1）工程地质勘查：利用实测的瑞雷波频散曲线，通过定量解释，可以得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度，传播速度的大小直接反映了地层的“软、硬”程度。

因此，可以对第四系地层进行划分，确定地基的持力层。

地层中存在低速度带反映了地下赋存有软弱夹层，这类地层对建筑物易造成危害。

多道瞬态面波法可方便地划分出该软弱层的埋深及范围。

（2）地基加固处理效果评价：软地基的加固处理，就是通过不同的方法，如强夯、挤密置换、化学处理、真空预压等，使软地基变“硬”。

多道瞬态面波法评价加固效果，是通过实测地基加固前后的波速差异，得到处理后的地基较处理前土体的物理力学性质的改善程度，同时可方便地对处理后场地在水平方向的均匀性做出评价，以及确定加固所影响的深度和范围。

（3）岩土的物理力学参数原位测试：波速的大小与介质的物理力学参数，如密度、剪切模量、压缩模量、泊松比密切相关。

因此，通过对实测资料的反演拟合解释，可以得到岩、土层的横波速度、纵波速度、密度等参数，进而计算出其它的参数。

（4）地下空洞及掩埋物探测：地下土洞、溶洞、矿区废弃矿井以及各种地下掩埋物，有时需要准确地探测其在地下的赋存位置。

用多道瞬态面波进行勘察时，当面波的勘探深度与这些物体的深度相当时，频散曲线就会出现异常跳跃。

据此可以确定其理深及范围。

（5）公路、机场跑道质量无损检测：利用人工激发的数十～数千赫兹的高频瑞雷波，可以分别测出路面、路基的波速，进而计算出路面的抗折、抗压强度及路基的载荷能力，以及各结构层的厚度。

该方法用于机场跑道和高等级公路的另一项意义是可实现质量随年代变化的连续监控。

（6）饱和砂土层的液化判别：当较松散的饱和砂土层受到振动时就会被振实，体积减小。

如果不排水，孔隙水压力就会增高。

在连续振动条件下，砂土层内的孔隙水压力增高到了某个时候，孔隙水压力就会等于上覆土压力，在这种情况下，砂土层就不再具有抗剪强度，而处于液化状态。

可见，饱和砂土层在振动作用下液化与否，与砂土层的密实度有关，越松散越易发生液化；反之，不易液化。

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，可以计算出该饱和砂土层的液化临界波速值。

实测波速大于该临界值，则为非液化层，小于该临界值则为液化层。

（7）其它方面的应用：瑞雷波勘探用于工程地质，解决的问题是多方面的，除上述六个方面的应用外，还可有效地用于基岩的完整性评价，场地土类型、类别划分，滑坡调查，堤坝危险性预测，桩基入土深度探测等。

近年来，我国的岩土工程发展迅速，尤其是软土地基处理手段如振冲碎石桩、强夯、真空预压等得到广泛应用。

与此相应的是如何对软土地基的加固效果进行检验和评价，已成为岩土工程中一个必不可少的重要环节。

一般说来，软土地基加固效果，大都以常规的钻探、标准贯入试验、动力触探和静载试验等手段进行检验。

无疑这些方法对软土地基加固效果的检验和评价都是有效的，可是采用上述方法往往需要较多的人力和物力，成本高，设备笨重，有时由于某些条件的限制难于进行或不宜较多的进行，且只能对某一点进行评价，此外难以对软土地基加固的均匀性、加固有效影响深度做出评价。

应用多道瞬态面波法，采用无损动测技术，可以快速方便的实现地基加固效果的评价，并且可以对软土地基加固的均匀性、加固有效影响深度做出评价。

瞬态面波法与传统方法相比，有以下特点：（1）钻探、挖坑取样试验仅仅反映一个孤立的点，而瞬态面波检测反映的是一个体积单元，因而更具有真实性和代表性。

（2）钻探、挖坑取样是对体积单元某点上破坏，而瞬态面波是无损的原位检测；在施工监理中。

能够对已隐蔽的填土压实度作出评价，在处理质量争议及检验验收时作用较为明显。

（3）钻探、挖坑取样速度慢，费用高，而瞬态面波法在现场检测时，不影响现场施工，具有速度快、效率高、方便、快捷等优点，可以明显降低检测费用。

（4）瞬态面波法也可以利用钻探等传统方法的检测结果，建立面波波速与某一岩土参数的相关关系，这就为方便、快捷地研究特殊地质条件下某一岩土参数提供了基础。

目前人们已经建立了特定地区面波波速与地基处理后地基承载力、面波波速与含水量、面波波速与干密度等经验公式。

2 多道瞬态面波法基本原理图1是多道瞬态面波法测试的原理，其测试的实质是通过量测不同频率瑞雷波的传播速度，来探测不同深度（距离）的岩土介质性质。

当在地面上施加一瞬间冲击力后，在地面表层就有瑞雷波的传播，这种方法产生的瑞雷波是由许多简谐波叠加而成的。

用人工震源（如锤击、夯击、爆炸等）使诸如地面的自由表面产生包含所需频率范围的瞬态激励。

图1 瞬态面波法测试原理示意图面波实质是纵波与横波垂直分量干涉而成。

在瞬态激励下，地面将产生直达波、反射波、折射波、面波及声波等扰动波，其中面波能量最强，约占传播总能量的67%。

它的传输速度低（V R< V S< V P），频率低，衰减慢，因而信号易于提取。

面波的能量差不多只集中于一个波长λR左右的范围内，也就是说在一定的深度范围内，可以选择一定的波长λR，其速度提供的信息只在一个波长范围内，这对工程测试尤其当深度不大时（一般在数十米范围内），显然是极为有利的。

面波的另一重要特征就是当瑞雷面波在均匀介质中传播时，无频散特性。

但是当瑞雷面波在非均匀层状介质中传播时，不同频率的面波其传输速度是不同的，这种频散特性为将其应用到工程实践中提供了重要前提条件。

另外，由半波长理论知，地面测得的速度V R反映了二分之一波长深度内介质的平均弹性性质，因λR=V R/f只与介质特性有关，其变化范围是一定的，所以波长人主要取决于频率f，不同频率的面波有不同的波长，f的变化反映了不同深度内介质平均性质的变化，低频反映了深层的信息，高频则反映了浅层的信息。

计算过程如下：设锤击产生的瑞利波经过地面上间距为△的两点A, B，记录时域信号分别为A(t) , B(t)，根据傅氏变换原理，其频谱分别为：而A(t) , B(t)的互功率谱为：（2-1）在式(2-1)中，G AB(f)的相位表示A(t) , B(t)间的相位差；表示共扼运算。

对给定的频率f，都可由式(2-1)得出相位差中，进而求出频率为f的面波到达A, B两点的时间差，即有：（2-2）式(2-2)中，T为频率为f的面波所对应的周期，将t代V R=△/t，得：（2-3）同时由半波长理论可知，勘探深度近似为：（2-4）因此从理论上来讲，对于任何给定的频率f，都可以通过式(2-3), (2-4)求解出一组对应的(V R，H)，用V R和H建立平面坐标，即可得到V R-H频散曲线。

由于这种频散曲线与地下地质条件密切相关，通过对频散曲线进行反演分析，就可得到地下某一深度范围内的地质情况及地下速度结构。

多道瞬态面波法是在地面上沿着面波传播的方向布置间距相等的传感器，道间距及偏移距的选择，以满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度为原则。

将多个检波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，从而可消除大量的随机干扰，各频率成分能量大为增强，使被测试体在频散曲线上的反映更加突出，判断准确性大大增强。

实际检测中，面波数据处理通常分两个步骤：（1）由面波的时距数据求取频散数据，其中包括区分出基阶模态和不分模态的两种做法。

为了排除其他干扰波的影响，在作频率波数转换时，对时间距离域数据加时距窗口，也就是把窗口外的波形数据置以零值。

以基阶模态频散数据为基础的面波检测方法，频散数据特征和地层结构的联系比较直观，分层反演也比较容易实现。

对于波速总体随深度增加的常见地层结构，如果采集多道面波记录并转换到频率波数域，也不难单独提取出基阶模态的频散数据。

线性排列的多道面波记录，涵盖了面波离开震源不同偏移距的表现，综合到频率波数域提取的频散数据，虽然会引入一定的平均效应，但是在水平层状地层的条件下，不仅有利于反映不同深度地层的影响，也有利于提高原始数据的信噪比。

（2）由频散数据计算地层弹性参数，实质是采取地层模型参数迭代优化的方法。

其中模型正演目前又有传输矩阵法和刚度矩阵法两种。

根据国内外面波测试结果可知，当探测深度小于30m时。

频散曲线与地层弹性性能有较好的对应关系，可直接推断地层情况，根据异常幅值大小，可判断软弱层强度大小。

并且该方法具有仪器配备轻便，实际操作简便，对被测物没有损坏等优点，并经过大量实测对比研究表明，其精度能满足工程要求。

3 多道瞬态面波法工作方法多道瞬态面波法是在地面上沿着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，将多个拾振器信号通过逐道频谱分析和相关计算，并进行叠加，得出频散曲线上的反映更加突出，判断准确性大大增强。

多道采集方式有以下优点：（1）可以在时间剖面上准确识别面波所在的时间空间位置，从而为合理设计面波观测窗口提供依据；（2）可以在多道采集的有效面波记录上，依据波形的时序关系分析波的来源。

识别所采集的波是直接来自激发震源的波，还是间接来自激发震源的侧面波、绕射波以及其它环境干扰震源所产生的波，据此正确选定布设测线的方向，震源位置和激发时机；（3）在多道采集的面波记录上可以容易区分开基本振形和高阶振形的面波，从而为合理选用不同振形的面波，解决不同工程地质问题创造了条件；（4）可以在同一地点，使用不同窗口采集不同类型的波，互相进行校核。

3.1 多道瞬态面波法野外数据采集系统多道瞬态面波法野外数据采集系统由3部分组成：数据接收系统（主机）、震源、信号接收系统（检波器）。

（1）数据接收系统：SWS-6型主机，接收检波器采集的信号，将模拟信号转化为数字信号，形成波形记录显示在屏幕上。

（2）震源：可采用大锤、落重、炸药。

大锤：一般采用12磅的大铁锤；勘察深度可达20~30米。

落重：通常采用标贯用的63.5kg的落锤，从2m高处自由落下，勘察深度可达30~40米。

有时为了取得更深的测试结果，可采用自制的100kg重的大铁球。

炸药：测深可达几百米，但是使用时限制条件太多，使用起来不方便，一般不采用。