桩基检测中波速测试技术的应用

sinorock

工程概况

北大港水库位于天津市东南部大港区境内，东临渤海湾，地貌上属于海积平原的滨海洼地，隶属华北平原一部分。该库地处海河流域的大清河、南运河、子牙河水系，独流减河下游右岸。水库自1954年开始建设，1974年对围堤进行培厚加高加固处理，1976年初步建成，并陆续修建蓄、引、输、排水配套工程，至1980年建成。水库蓄水面积150km2，占地面积164km2，设计堤顶高程9.5m，设计最高蓄水位7.0m，相应总库容5.0×108m3。是一座以蓄供水为主，兼有防洪、浇灌、养殖等综合效益的大型平原水库，工程等级为Ⅱ类，围堤及主要穿堤建筑物级别为2级，其余次要建筑物级别为3级。

水库枢纽工程主要由围堤、穿堤建筑物以及蓄水建筑物组成。其中水库围堤为均质土堤，总长54.511km，堤顶设计高程为9.5m，堤顶宽度10m，迎水坡1：3，背水坡上部1：3，马道以下1：4。主堤前紧接防浪林台，其边坡1：8，林台台顶宽度28～35m不等，台顶高程7.5m。在库内距围堤堤轴线200～1000m处，筑有防浪堤一道，总长36.048km。
勘探深度20.0m范围内堤基地层为第四系全新统第一陆相沉积物和第一海相沉积物。其中第一陆相层岩性主要为壤土、粘土、局部夹砂壤土透镜体，第一海相层岩性主要为粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥质壤土。该区地层结构多呈层状发育，局部呈透镜体状分布。地下水位埋深一般为2.1～3.5m，水质多为半咸水～咸水。根据1/400万《中国地震动参数区划图》GB18306—2001，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s，按照地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表，本区地震基本烈度为Ⅶ度。

受水库治理单位委托，中水北方勘测设计研究有限责任公司勘察院承担了该工程除险加固地质勘察工作，物探总队进行了现场波速测试，其主要目的是对水库围堤及穿堤建筑场地类别及砂性土液化势做出判别。
使用仪器为：美国产R24数字化工程地震仪。面波法采用4Hz低频检波器接收，单孔法下孔探头采用三分量检波器接收。测试所用仪器设备均在计量认证有效期内，现场实施期间性能稳定、工作正常。

测试方法与技术
面波法

面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波和拉夫波，而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，轻易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。

人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。目前常使用瞬态面波法进行勘探。

工作原理
面波是一种非凡的地震波，它与地震勘探中常用的P波和S波不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面四周，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR的圆柱体向外扩散。

在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller计算出来，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。

综合分析表明R波具有如下特点：

⑴在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；
⑵在不均匀介质中R波相速度具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；
⑶由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性，其相关式为：
式中：μ为泊松比；
由于第四系地层的泊松比一般为0.37～0.49，故VR=VS，可以认为对土体而言，VR与VS基本相等，其误差只有5%左右。该关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；
⑷R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；
⑸质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；
⑹R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长尺度范围内。
依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。

测试方法

应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。

当选取两道检波数据进行反演处理时，应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距△x应满足～λR，即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍，而大于在间距△x内的采样点数的1倍，该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。

当采用多道检波数据进行反演处理时，虽然不受道间距公式的约束，但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，易采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于R波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。

由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际。
本次工作共布置5条测试断面，分别位于水库围堤桩号2+500、14+000、21+250、28+200及45+970处，同时在相应部位布置了单孔剪切波测试。因进入第一海相层后缩孔严重，除G03、G04孔做了部分钻孔剪切波测试外，在全部测试断面均布置了瑞雷面波测试剖面以代替钻孔剪切波测试。瑞雷面波测试剖面单一排列长度62m。
面波法采用瞬态瑞雷波探测技术，两端激发多道接收的完整对比观测系统，12道接收、道间距2m，经展开排列试验选择偏移距20m。锤击震源。