本文摘要：文章是一篇地質(zhì)論文，主要講述了現(xiàn)在地理工程運(yùn)用的先管理發(fā)展?fàn)顟B(tài)，同時(shí)也對(duì)瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用的介紹。本文選自：《中國(guó)地質(zhì)教育》,《中國(guó)地質(zhì)教育》(季刊)創(chuàng)刊于1992年，由中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)主辦。本刊是我國(guó)惟一一份地學(xué)教育與研究的學(xué)術(shù)
文章是一篇地質(zhì)論文，主要講述了現(xiàn)在地理工程運(yùn)用的先管理發(fā)展?fàn)顟B(tài)，同時(shí)也對(duì)瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用的介紹。本文選自：《中國(guó)地質(zhì)教育》,《中國(guó)地質(zhì)教育》(季刊)創(chuàng)刊于1992年，由中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)主辦。本刊是我國(guó)惟一一份地學(xué)教育與研究的學(xué)術(shù)性期刊，以其指導(dǎo)性、學(xué)術(shù)性、應(yīng)用性為特色，是地學(xué)教育研究人員、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、教育管理和師生員工的學(xué)術(shù)論壇、決策參謀和良師益友。榮獲“地學(xué)人物”欄目被評(píng)為“北京高校人文社科學(xué)報(bào)優(yōu)秀欄目”。
摘要：應(yīng)用瞬態(tài)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來(lái)，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：瞬態(tài)面波,地理勘探應(yīng)用,地質(zhì)工程,地質(zhì)制度,地質(zhì)論文
1 前言
面波勘探，也稱(chēng)彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波(R波)和拉夫波(L波)，而R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩(wěn)態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無(wú)源法。它們的測(cè)試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。
1938年德國(guó)土力學(xué)協(xié)會(huì)首次嘗試用穩(wěn)態(tài)振動(dòng)來(lái)檢測(cè)巖土的各種彈性力學(xué)參數(shù)。1960年美國(guó)密西西比陸軍工程隊(duì)水陸試驗(yàn)所開(kāi)始開(kāi)發(fā)類(lèi)似的技術(shù)方法，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國(guó)F·K·Chang等人利用瞬態(tài)激振產(chǎn)生的瑞利波來(lái)研究淺部地質(zhì)問(wèn)題，并于1973年在第42屆國(guó)際地球物理勘探年會(huì)上發(fā)表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”(瞬態(tài)面波在淺層勘探中的應(yīng)用)論文，報(bào)道了有關(guān)的研究成果。在穩(wěn)態(tài)方面，直到80年代初，日本的VIC株式會(huì)社經(jīng)過(guò)多年的研究試制，推出了GR-810佐藤式全自動(dòng)地下勘探機(jī)，才使該項(xiàng)物探技術(shù)在淺層工程勘察工作中得以應(yīng)用。通過(guò)幾年的實(shí)踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個(gè)方面：
�、� 查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分;
�、� 對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試;
⑶ 工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察;
�、� 地下管道及埋藏物的探測(cè);
⑸ 地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測(cè);
�、� 軟土地基加固處理效果評(píng)價(jià)及飽和砂土層的液化判別;
�、� 公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè);
�、� 江河、水庫(kù)大壩(堤)中軟弱夾層的探測(cè)和加固效果評(píng)價(jià)等;
�、� 場(chǎng)地土類(lèi)別劃分及滑坡調(diào)查等;
�、� 斷層及其它構(gòu)造帶的測(cè)定與追蹤等。
2 勘探原理
面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波(P波)和橫波(S波)不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波(P、S波∝r-1)的衰減要慢得多。在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍瑐鞑r(shí)以波前面約為一個(gè)高度為λR(R波長(zhǎng))的圓柱體向外擴(kuò)散。
在各向均勻半無(wú)限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)計(jì)算出來(lái)，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說(shuō)，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。
綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：
�、� 在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng);
�、� 在不均勻介質(zhì)中R波相速度(VR)具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ);
�、� 由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：
VR=VS·(0.87+1.12μ)/(1+μ); 式中：μ為泊松比;
此關(guān)系奠定了R波在測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用;
�、� R波在多道接受中具有很好的直線(xiàn)性，即一致的波震同相軸;
⑸質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng);
�、� R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)(λR)尺度范圍內(nèi)。
依據(jù)上述特性，通過(guò)測(cè)定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。
3 野外工作方法
當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠的相位差，其間距△x應(yīng)滿(mǎn)足(λR/3)～λR，即在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對(duì)于不同的勘探深度及儀器分辨率和場(chǎng)地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。
當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，即可獲得較好的結(jié)果;當(dāng)探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。
震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對(duì)稱(chēng)激發(fā)，有利于R波的對(duì)比、分辨和識(shí)別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來(lái)說(shuō)，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測(cè)試結(jié)果。
由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線(xiàn)，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線(xiàn)所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測(cè)場(chǎng)地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí)，只要能滿(mǎn)足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀(guān)實(shí)際。
4 工程應(yīng)用
西部大開(kāi)發(fā)十大項(xiàng)目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河上游干流上，上距待建的大柳樹(shù)壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣。主要建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長(zhǎng)358.5m;副壩布置在黃河左岸Ⅰ級(jí)階地，擬建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長(zhǎng)約1.5km。
測(cè)區(qū)地層巖性由上至下依次為：①覆蓋層由全新統(tǒng)風(fēng)積砂壤土、粉細(xì)紗和全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石組成;②下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖組成，局部夾有礫巖。
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