5浅层瞬态瑞雷波勘探软土的有效性-李志华.doc

浅层瞬态瑞雷波法勘探软土的有效性李志华 任春山铁道部第三勘测设计院物探所前言 软土在我国沿海地区广泛分布，内陆平原和山区亦有存在。由于软土地区大面积覆盖着第四系松散层，地层沉积变化极为复杂，要进行工程勘察仅凭常规的地质测绘和常规物探勘察手段，必然需要数量可观的勘探量和较大的勘察周期，即使如此也难以满足高等级线路勘测设计要求，为达到详细勘察的需要，铁三院物理勘探技术研究所采用瞬态瑞雷波法辅之其它的物探方法探查软土分布，在生产实践中进行了有益的尝试，通过大量的工作获得较显著的成效。下面结合某高速铁路工程探测软土实例，说明瞬态瑞雷波法探测软土的效果。1、探测原理： 此次采用瞬态瑞雷波法辅之电法，地震(横、纵波)等进行综合物探。 瑞雷波法是基于瑞雷波具有的如下特性： (1)在层状介质中，瑞雷波具有频散特性。 (2)瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同。 (3)瑞雷波传播速度与横波传播速度具有相关性。 (4)浅层分辨率高，同一介质中瑞雷波较其它类型的弹性波传播速度小，只在表层某一深度内传播。 (5)不受各地层速度的影响，折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度，反射波要求各层波阻抗差异，瑞雷波法只需具有波速差异，即可进行分辨软土地区各层间面波速度。具有波速差异 (6)现场场地要求不高，并具有省力等优点。前两种特性为瑞雷波勘探提供了充分的理论依据，后四种特性为该方法的应用开拓了广阔的前景。2、探测实例 工作区位于黄淮海的冲积平原，第四纪沉积物很厚，该地下水浅，地基土的承载力较低，部分地段存在着软土，并且厚度变化较大。软土对工程危害性很大，当夹有软土的地基受振动荷载后，易产生侧面滑动，地基沉积或基底面向两侧挤出等不良的地质现象，危机行车安全。查明软土的埋深情况及分布范围，对工程治理是非常必要的。2.l 瑞雷波法勘探正演试验试验工作遵循从已知到未知的原则，首先已知触探孔处进行对比正演试验，以认识总结软粘土在面波等资料上的反映特征。据此开展一定数量的代生产勘察，给出探测解释的地质剖面，并通过触探来检验试验解释的地质剖面。并且通过试验确定该工区面波法最佳采集观测系统。 现将有代表性试验结果介绍如下： 从表1可见两层软粘土层分别与第三层，第六层对应，波速分别为126m/s和134m/s。表层砂粘土Vr=105.8m/s, 该层速度较低的原因是由于现场试验期间正值灌溉季节，砂粘土潮湿、松散所致(以下同)。 由表2可见两层软粘土分别与第二、四层对应，表现为低速层的存在，速度分别为114m/s和113m/s。由表3可见，除表层砂粘土以外，该孔处砂粘土等各层的速度均在140m/s以上，面波曲线上不存在速度低于140m/s的低速层。2.2 正演试验的认识2.2.1 本次工作采用SWS-2型面波仪用一些方向性明显的震源，选择最佳窗口作宽角测量，利用计算机对野外实测记录的瑞雷波资料进行快速傅氏变换，相干, 相关处理分析，可得到瑞雷波频散曲线，通过定量解释，可以得到各地层及传播速度，速度的大小直接反映地层的“软”“硬”程度，因此可以对第四系地层进行划分，并可探测具有一定厚度软粘土层，软粘土层存在的特征是：面波曲线随深度增加，VR降低，不变式增加很少，本区VR一般小于140m/S。2.2.2 若布置平面测网，则瞬态面波法可以探测具有厚度的软粘土的平面分布范围。2.2.3 关于面波法的纵向分辨能力(即纵向分层能力)正演试验结果表明，在本次采用的观测系统和自己研制激发方法的条件下，具备h/H=1/2(15米以上)的分辨能力，我们知道分辨能力与土层间的弹性差异, 径深比有关，同时也与激发出的波频谱有关，在相同的条件下频谱越丰富，频带越宽，分辨能力就越高。2.2.4 初步统计本工作区的法速Vr值见表4工作区土层VR值 表4土 层VR (m/s)备 注表层湿砂粘土80120m/s15米以上软 粘 土90140ms砂 粘 土140250ms粘 砂 土240300ms砂300400ms3、探测成果3.1 瞬态瑞雷波法 本次试生产共完成两条探测剖面点距30米测线总长1380米。I测线通过Jc-280触探孔，测线通过Jc279触探孔，根据1测线26条面波成果曲线特征进行分析，可将其分为以下两大类：第一类为1#-9#测点，以2#测点为例如图E，经反演拟合解释结果为勘探深度内土层共分七层，除表层呈低速特性外，第三层(1.916.01m)，第六层(15.3618.84m)明显存在两层低速，其面波速度分别为128m/s、150m/s。结合Jc280触探孔资料，上述七层解释结果为：第一层为湿砂粘土；第三层为软粘土；第二、四层为砂粘土；第五层为粘砂土，第六层，第七层为砂。其中第六层砂粘土层相对应的面波速度较低，推断是因为沉积层颗粒细，孔隙比小，且呈不规则的尖灭层式透镜体夹层状，排水性较差，沉积层抗剪强度随深度不同程度的增大，强度相对于软粘土有所提高，该类曲线的特征是上部低速层明显存在，特征明显；下部低速层虽存在，速度稍高，特征不明显，推断为砂粘土。第二类为10#26#测点。以17#测点为例，反演拟合解释初步结果为：勘探深度内土层共分七层；除表层为低速外，第三层2.26.73m明显存在低速，其面波速度为130m/s，其余各层的面波速度均大于140ms，解释结果该段不存在软粘土层。 测线通过JC-279触探孔，该测线以7#测点为，典型反演拟合解释结果，土层共分六层，除表层低速外，其余五层面波速度均大于140ms，推断地段不存在软土层。3.2 普通电法，地震法， 这两种方法为面波勘探的辅助方法, 为分析的解释软土的分布规范起到一定的辅助作用，在此不再赘述。3.3 成果验证此次工作共布置了4个验证孔，1个剖面异常验证孔，经验证触探资料与解释剖面相对应，可以看出地层层序及划分基本上是一致的，低速层在面波曲线上反映不明显，并揭示了物探解释异常。第六层1#12#，12#26#点面波波速分别为150180ms，170240ms，1#12#，12#26#锥尖阻分别为0.891.16mpa，0.892.16MPa(见表五)呈递增态势，波速与锥尖阻基本上相对应的并揭示了物探解释异常即12#为锥类阻及波速变化处；面波、触探曲线上表示为第三层低速层明显存在的，通过分析解释软粘土层顶，底板埋深与触探结果对比如下表五。 表五顶底触探误差百分比触探锥尖阻(Mpa)S82.051.90.150.157%1.01.16S84.20.050.051.2%S124.003.370.570.577.5%0.890.91S127.20.000.000S213.03.20.20.26.2%0.892.16S218.00.50.56.2%4. 试验认识4.1 瞬态瑞雷面波法辅之其它勘探手段，划分埋深浅，厚度薄的土层与目前常规的电法，地震反射(纵横波)相比，具有明显的优势。4.2软粘土存在的特点是：面波曲线上软粘土层表现为低速特性，电性表现为低阻特性，本区VR一般小于140ms。4.3所取得的原始数据简便直观，可以为施工阶段地基处理效果及检测提供最直接的检测数据。4.4利用SWS2型仪器反演特性结合丰富的实践经验可以克服人为因素，并与触探等手段相对应，可以大大提高勘察精度，降低勘测费用。4.5利用瞬态瑞雷波法等探测具有一定厚度的软土层是有效的, 但是纵向分辨精度的提高，应采取综合地质勘察的方法，达到优势互补，相互补充，使勘察手段不断完善，提高勘察设计水平。4.6 应从勘测设计实际出发，使地层