工程物探基础方法及案例分析

反射波法、折射波和透射波法在工程勘查中的基础方法

原理及其实测案例分析

一、前言

地震勘探是通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和

形状的地球物理勘探方法。地震勘探是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段。

在煤田和工程地质勘察、区域地质研究和地壳研究等方面，地震勘探也得到广泛

应用。20世纪80年代以来，对某些类型的金属矿的勘查也有挑选地采用了地宸

勘探方法。目前的流行的地震勘探方法主要有反射波法、折射波法、透射波法、

瑞雷波法和桩基无损检测法。本人认为桩基无损检测法实际上也是应用地震波发

射波法检测班基的完整性，故在本文中擅自将桩基无损检测法归纳入反射波法当

中。

二、正文

1、反射波法的应用

反射波法是利用地震反射波进行地质勘探的方法,通常在激发点邻近，即深层折射

波的盲区以内接收反射波。在巨厚沉积岩分布的地区，一样在几公里的深度范畴内能

有几个到几十个反射界面，故能详细研究浅、中、深层地质构造。根据反射波的资料，

可求地震波在覆盖层的传播速度和大段地层的层速度，进而能准确地求得界面的埋藏

深度并进行大段的地层对比。由于反射波法一样在激发点邻近观测，受激发时产生的

干扰及地表结构的影响较大，故随时都必须注意排除干扰，以获取质量良好的反射资

料。

1、1桩基无损性检测

下面例举利用地震反射波法进行桩基完整性检测的试睑：

1、1、1桩基无损性检测原理

桩基础是建筑结构工程重要的基础形式之一，由于工程地质及施工技术等方面的原因，

部分桩常显现断裂、离析、夹泥、缩颈，严重影响基桩的承载力。为了保证工程质量，需要对

基班进行检测。对于柱基的低应变动态检测通常采用低应变反射波法。它的主要检测方法是

通过鼓励锤在桩顶施加激振力，在桩顶产生压缩波。该波沿桩身向下传播过程中，遇到不连

续界面、截面大小发生变化至桩底时，由于波阻抗发生变化，将产生反射波。利用传感器、信

号线及数据采集系统将反射波的时程、幅值和波形特点无录下来，然后通过分析系统来判定

桩的完整性情形。

反射波法的理论基础是一维波动理论，当弹性波沿着垂直截面的方向从一种介质到另一

阻抗不同的介质，在界面将会产生扰动，分别以反射波和透射波在两种介质中传播。

d2u2a2〃♦.♦〃

A'-0X8&(杆的一维波动微分方程)

S=f(x-ct)+g(”+Ct)(通解采用行波形式)

波的阻抗Z=pM其中P为桩的质量密度，c为波速，A为面积，根据阻抗发生

变化界面处的连续条件可得：

底=Z2)/(ZI+ZD]

3Ki2Z|/(Zi+Z。

其中Zl和Z2分别框界面变化处的上、下部的阻抗。当VR与VI同号，说明反射波

和入射波同相位，即Zl>Z2，桩阻抗由大变小，此处桩发生了断裂、硅离析、夹泥、缩颈

或摩擦桩底反射。当VR与VI异号，说明反射波和入射波反相位，即Z2>Z1,桩阻抗

由小变大，此处桩发生了嵌岩桩底反射或扩颈。

假设桩为一维线弹性杆，其长度为L,横截面积为A,弹性模量为E,质量密度为P,弹

性波速为C(C=E/P),广义波阻抗为Z=ApC；推导可得桩的一维波动方程：

心=2心

&2-C加-P叭假设柱中某处阻抗发生变化，当应力波从介质I(阻抗为

Z1)进入介质H(阻抗为22)时，将产生速度反射波Vr和速度透射

波Vto

令桩身质量完好系数B=Z2/Z1,则有

3

Vvi17B

缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间tx由下式确

定

Lx=ctx/2

1、1、2桩基无损性检测实例分析

广东省东莞市某单位拟建三层厂房、六层宿舍各一幢，基础份采用锤击沉管灌注桩，

桩径为480mm,设计桩长17.00m，单设计承载力值为630kN，施工总桩数为410根桩。根

据该工程岩土工程地质勘察报告资料，该场地的地层由上而下主要素土、粉质粘土、污泥质

粉细砂、中砂及中粗砂组成，下伏基岩为质泥岩，桩端持力层为强风化砂质泥岩。根据有关

要求某地质勘察院院对中62根工程桩进行了低应变反射波法检测，检测结果为：1类7

根，H类桩46根，IH类桩5根，IV类桩4根，反映出该工程桩施工的整体质量是比

较差的。

下面就桩身实测波形曲线图进行分析：

(1)、柱身基本完整理独波型曲线特点

某厂房2、30桩波形曲线图1和图2，据此可以看出这两根

桩的波形曲线，班底反射明显，没有明显的桩间反射波显现，根据

桩底反射波的时间运算的纵波速度正常，说明桩身质量良好。

图1厂房2桩实测波形曲线图

图2厂房30桩实测波形曲线图

(2)、桩身存在严重缺陷型桩波型曲线特点

从图3、图4、和图5的波形记录曲线可以清楚的看到厂房

113桩及宿舍30、7这三根桩在约2.0m左右的地方均显现明

显的桩间同相反射波，且多次反射明显，说明在此处置桩身存在

严重缺陷(经开挖均得到证实)。

图4宿舍楼30桩实测波形曲线图

图5宿舍楼7桩实测波形曲线图

1、1、3由桩基无损性检测结果而得出的结论

低应变反射波法基桩完整性测试技术具有经济、快速、方便等优点，是目前已成熟的普

遍采用的一种基桩普查手段，在工程桩的检测验收中已得到广泛的应用，通过检测和分析

桩间反射波的传播时间、幅值大小和波形记录的相位特点等因素，便可较准确的判定桩身存

在的缺陷的类型及缺陷的严重程度，判定基桩的成桩质量，本实例就是很好的说明。

1、2反射波法在地质勘探中的应用

1、2、1反射波法在地质勘探中的基本原理及说明方法

反射波在地震勘探中的资料的说明：

由于反射法数据处理最终得到的是反射时间剖面，因此，反射波资料的孱明也就是对地

震时间剖面的说明。同相轴的起伏能定性地表现反射界面的产状变化：力=卒;时间剖

面不一定是地质剖面，第一时间剖面中显示不出波阻抗为零的地质界面，因/地质界面有可

能多于反射界面，其次同一岩性的地层有可能存在不同的物性界面（如水.气，油.水分界面）,

因此地质界面有可能少于反射界面，再者时间剖面不等于深度剖面，如绕射波、回转波等，

会造成各种假想。在时间剖面上，反射层位表现为同相轴的形式。在地震记录上，相同相位

（主要指波峰和波谷）的连线叫做同相轴。所以时间剖面上反射波的追踪实际上就变为同相

轴的对比。

反射波识别对比有三个标志，其一是振幅标志。来自反射界面的反射波具有显著增强的

特点，且水平叠加次数走越多，这种特点越明显。如图（）所示：

其二是波形标志同一界面的反射波在相邻地震道上波形相似（包括视周期、相位个数、

振幅等）。最后是相位标志因为有效波记录时间已校正为同一基准面上接收的tO时间，因

此，来自同一界面的反射波相同波峰相位的连线与相应的反射界面段的形状相似。

实际对比中我们往往将垂直构造走向、信噪比高、同相轴连续性好的测线，做为主测线

开始对比。而振幅强、同相轴连续性好、可在整个工区内连续追踪的目标反射层，即是标志

层，我们作为重点对比对象。沿测线闭合圈对比（剖面的闭合）往往是保证对比质量的可靠

方法，其在测线的交点处to时间应该相等。水平叠加存在偏移问题，当构造较复杂时，波

与波显现斜交，其中的偏尊剖面也可以作为对比。向斜、背斜、断裂等特别构造会形成回转

波、发散波、绕射波和断面波等，这些特别波在时间剖面上的空间分布，回声时间的大小、

振幅的强弱、同相轴的连续性构成了地震波场。

根据地震剖面和有限为钻探数据，我们可以基本上有效的分析剖面数据，确定地层分布

及厚度、断层的分布等。一样用井孔资料的地震分层深度测算，转换成相应的时间反应在地

震剖面上。地震反射波同袖相的错断，同相轴产状突变，反射零乱或显现空白带，均是断层

分布的有效证据。同相轴数目突增或消逝，波组间隔突变是由于断层上升盘沉积地层少，而

在下降盘易形成沉降中心，沉积了较厚、较全的地层造成。以此我们基本上可以判定断层的

位置、大致走向、断层面及断层的上下盘、断层的宽度等等。当测线与断层走向垂直时，地

震剖面上断层的倾角为真倾；而当测线与断层面斜交时，我们可以得到断层面的视倾角，视

倾角可以转换为真倾角。最后我们可以根据地宸剖面绘制地质说明剖面：

NKq

留70-39

3km

5km

第70-39

3km

4km

5km

1、2、2反射波法在地震勘探中的应用实例：

为探测康定木格措七色海邻近是否存在一条隐伏断裂，进行了浅层地震勘探，将所得

的原始时间记录经资料处理得到以下地震时间记录（如图）。

10203040506070B0Cdp

图2康定木格措地震时间剖面

结合该区地质调查及工程地质勘探结果，绘出了地质说明图（如图）。

3M4：0.「

3充0・.八•一U.•X,：0./O'C\M60

•p.o,0..匕？：9・。’

以办J。对父,邢方130a

aoCQX△之吟.：£0

32501-4.厂3250

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MOO-+V>3SI»m/

100

・▼・・・・•,

结合图2、图3分析可知：第一层位于地表和近地表，厚度较薄，仅数米至十余米，剖面西

侧的波速为1500肝秒，为坡洪积物；剖面东侧的波速仅900mp秒，反映的是七色海沼相污泥

质沉积物。第二层底界面埋深约120〜180m,波速值为2000〜2600mP秒，为该地区较厚的晚

更新世冰硬物的具体反映，第三层波速值大于3800mP秒，为该地区广泛出露的花岗混合岩，

其顶面具起伏特点，总体来说埋深是西深东浅。从图2分析可知，在55号CDP点邻近的反

射波同相轴产生了明显的不连续，特别是在反映基岩界面的反射波同相轴错断更为明显，

基岩顶面垂直位错约为20〜25m,其间断宽度约在15〜25m之间，应为七色海断裂在测设剖

面上的具体反映。从该剖面可见，七色海断裂的断面略向西倾，具正断层性质。在主断面上

盘的35号CDP邻近，还发育有一条规模相对较小的次级断裂，破碎带宽度约8〜10m,东盘

相对上冲，导致基岩顶面垂直位错了5nl左右，分析是由于主断面上盘下掉时所导致的构造

效应。

2、折射波法的应用

2、1折射波法的基本原理及方法

折射波法是利用地震折射波进行地质勘探的方法C由于折射波第一到达地面，所以

容易观测和识别。但必须在盲区以外接收它。通过折射波法可以求得界面速度，从而

了解折射界面的岩石成分，进行地层对比等。折射波法对激发条件的要求不如反射波

法严格，干扰背景较小，不必使用自动振幅控制和混波等措施，故可充分利用波的动

山学特点，对于确定断层，煤田边界成效较好。折射波法能够观测从几公尺的浅界面

到几十公里的深界面。但此法局限性较大：折射波相互干涉、置换（一个波代替另一个

波）严重：它不能独立求得覆盖层的波速，难以研究受屏蔽现象影响的地层；也不宜于

勘探大倾角构造；随着勘探深度加大，使施工复杂，炸药量消耗增大等等。因此，要

根据具体情形应用，或与反射波法配合应用。

2、2折射波法的应用实例

以下例举折射波法在边坡岩体卸载风化分带中的应用，在此例中我们将用到小排列折射

波法测试。下面讲述小排列折射波法测试的基本原理及算法。

2、2、1小排列折射波法原理

勘探平碉爆破开挖后，受到爆破动荷、应力开释和调整等综合影响，将在碉室周围形成一

定范畴的、岩体波速明显降低的爆破松动层。这为折射波法测试原状岩体波速提供了前提条

件。

假定碉室爆破松动层和未扰动层（原状岩体）之间存在波阻抗差异界面，界面以上为松动层

岩体，波速VI,界面以下为原状岩体，波速为，2,有『2>/1。在二层介质模型中，弹性

波将按图1所示的三种路径进行传播。

电点楼收ifil播收接收道3

、/、人、八卜

弋tSi/Tn

松动员.'、人射波・・4*

瑞力人脚源折械

17/淅射波________________

东松动层Li:

波速4

4叫

图1弹性波传播路径示意图

图示可知：直达波和反射波均在松动层内以波速p1传播，直达波传播距离短，总是比反射

波先到达接收点。而折射波在松动层内以波速1/1传播，在界面处以原状岩体波速12将沿

界面滑行。依上所述，可以知道只有折射波才能获得原状岩体波速。由于『2》/1,当偏移

距足够大时,折射波将比直达波先到达接收点。考察折射波最先到达的情形，以两接收道为

例，

各接收道初至波到达时间r：

_Z1

为一八十七vx°

一口ALA

当X很小时，认为碉壁表面地势高差和松动层厚度变化不大，则£3=Z4，式（3）可改

写成r=，，/式中：71,72分别为第1、第2道折射波到达时间，单位ns，直接从接

收波形中读取；才为两接收道之间的距离。利用式(4)可运算接收道间原状岩体的波速『2。

小排列折射波法要求记录仪具有高采样率，采样间隔应小于5us，接收换能器应具有宽频带

高频，一样为加速度传感器，接收道为2〜3道，道间距1〜2m，整个排列长度＜10m。可以灵

活方便地调整接收道的位置，有效减少平碉表面地势变化和松动层厚度变化对测试结果精度

的影响。

2、2、2应用小排列折射波法地区地质慨况

清江水布.俄水利枢纽下游峡谷出口处的马崖自然高也坡，坡顶高程546m,坡脚高程

196m，边坡陡峭。拟建的地下厂房尾水碉群将从马崖陡崖之下出口。边坡近东西走向。以

高程200〜350nl为界，以下为多软层、多剪切带、多层面的二我系马鞍煤系(Pima)与泥盆

系写经寺组(D3x)、黄家遥组(D3h)砂、页岩组成的约30°缓坡；以上为剪切带发育的二叠

系栖霞组(Plq)和第4组(Pim)灰岩组成的陡崖，属典型的上硬下软的不利地质结构。马崖

高边坡岸坡卸荷裂隙极为发育，已形成多处大规模的危岩体和处于临空状态的结构体，这些

工程地质问题的存在严重影响了边坡的稳固性。因此，须对边坡卸荷风化带厚度加以细致研

究，方能在此基础上设计出安全、经济和合理的工程处理措施。

2、2、3应用折射波法及数据处理分析

利用不同高程上的PD8、PD52和PD7O三个邛碉开展小排列折射波法测试工作。测线布

置在平明侧壁上，方向与砌轴线平行。偏移距由试验和勘探平碉大小综合确定，一样为5〜10

mo2-3道接收，道间距1〜2m。锤击振源，100Hz的检波器，采集仪器为高采样率的地震仪，

采样间隔1〜5Hs，多次铤击叠加。1个排列(炮点和所有接收道组成)测试终止后，整个排

列向测线方向移动1m,直至整个平碉测试终止。测试成果见图2至图4。从图中可以

看出，波速曲线出现出明显的规律性，即波速随碉深增加有增大趋势，在不同深度处波速显现

明显突变点。波速显现突变点的因素主要有原状岩体中的节理裂隙和岩体卸荷风化作用，前

者使局部岩体波速降低；后者受其影响程度不同，近边坡段，卸荷风化作用强，岩体波速降低

幅度大，远边坡段，卸荷风化作用小，岩体波速降低幅度小，边坡距增大，波速呈增大趋势，最

后趋于稳固。PD52平明州深0〜15m,波速在1500m/s波动；15m及，波速从1500m/s上

升到2800m/s，并在该波速邻近上下波动，变化幅度为±200m/s；31m处，波速从2800

m/s上升到4100m/s，并在4100m/s邻近保持小幅波动，因此，15m和31m两突变点

是由卸荷风化作用引起的;PD8平碣波速曲线具有PD52平碉同样的规律性。PD70平碉在碉

口段，波速出现缓慢的上方趋势,9〜33m岩体波速在3250m/s左右上下波动，33.0m处，

波速增加到4500m/s,37〜52m为波速降低,52m以后波速增大到4500m/s，表明9m

和33m两突变点是由卸荷风化作用引起的，而37m和52m两突变点是由节理裂隙引起的。

根据卸荷风化作用引起的波速突变点，对岩体波速进行分段统计，见表1。

硝探/m

图2PD52平胴波速与南深关系曲线

6

G5O0O

O00

M4

£OOO

)300O

«200O

«IO0OO

图3PD8平酮波速与硒深关系曲线

-ST

E

2

图4PD70平洞波速与碉深关系曲线

去1马崖高边坡岩体波速统计

Table1Statisticelasticvelocityofrockmassof

_______________Mayahighslope_______________

0〜拐点1拐点1〜拐点2拐点2〜

高程

编号波速波速厚度波速

/m厚度厚度

/m/(ms")/m/（mS」）/m/(m-s-1)

PD5221615.0144016.02850-4090

PD829912.0166052.02400-4330

PD704269.01S5024.03250-4100

利用波速进行岩体分带，国内外早就已采用。表2为国内外具有代表性的岩体弹性波波速分

带标准。在以往研究成果的基础上，根据马崖边坡的工程地质特点、同类工程体会类比以及

该工程前期大量岩体波速测试资料的基础，并考虑折射波法是在特定地质构造的平碉内进行

的，各种局部地质和现场条件对岩体波速的影响，提出了适应本工程的岩体弹性波波速分带

标准建议值，见表3。根据波速分段统计结果，对马崖边坡岩体按强卸荷风化带、弱卸荷风

化带和微卸荷风化带进行分带。（）至拐点1为强卸荷风叱带，厚度为8〜15m；

表2岩体工程地质特征与弹性波波速关系表［⑼

Table2Relationbetweenengineeringgeological

characterandelasticwavevelocity

岩体名称裂隙及风化波速/(a’T)

中、古生代岩体新鲜、坚硬、完整>5500

火山岩新鲜、坚硬5500-4500

新鲜岩体

岩石自体新鲜、4500-3500

江

々沿裂隙有血化微新岩体

第

灰

砂

硬

安

岩

体裂隙发育、并风3500~2500

山

页

白化有夹层弱风化岩体

岩

砂

4X白岩石白体风化多

玄2500~1500

勖

口

岗

花裂隙多软弱夹层强风化岩体

武

砂

质

长

闪

岩

页

岩裂骸极发育、多1500-1000

其

池夹有祜土状岩石全风化岩体

全风化、粘土化、

有底呈岩堆状<1000

表3弹性波波速分带标准建议值

TaHe3Elasticwavevelocityclassificationstandard

ofunloadingzonesoflughslope

强卸荷风化带弱卸的风化带微新

波速建议曲(m■<】)1400〜24002400~34003400〜4400

拐点1至拐点2为弱卸荷风化带，厚度16〜52m；拐点2至碉底为微新带。图5为卸荷风化带

沿边坡高程的分布图。从图中可以看出：卸荷风化带厚度在直立边坡处达到最大。

边坡岩体特性分析

根据分带结果，受卸荷风化作用影响较小的微新带岩体波速:PD52平碉为4090111/5108平

码为4330in/s,PD70平碉为4100in/s，由于PD70平码37〜52m存在节理裂隙带，导致

微新岩体波速统计值偏低，若不考虑结构面对波速的影响，PD70平碉波速应在4500n/so

微新带岩体的波速沿边坡高程增加有增大趋势，反映了马崖边坡岩体上硬下软的地质结构。

图5卸荷风化带厚度沿边坡高程的分布图

在分带的基础上，结合室内岩石力学试验结果，采用国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218

-94)[11]对岩体质量进行评判。图6