提起工程勘察，很多人第一反應(yīng)就是鉆探取芯。但鉆探屬于“點(diǎn)狀勘探”，面對(duì)長(zhǎng)大線路、大面積場(chǎng)地，全斷面鉆孔勘察不僅工期長(zhǎng)、成本高，部分區(qū)域還不具備鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)作業(yè)條件。
有沒有一種技術(shù)手段，可以快速實(shí)現(xiàn)地下淺部地層的連續(xù)掃描？今天帶大家認(rèn)識(shí)工程物探領(lǐng)域非常實(shí)用的多道瞬態(tài)面波法。
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地面通過重錘、落重人工激發(fā)振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生縱波、橫波、瑞雷面波，其中瑞雷面波占總振動(dòng)能量2/3，沿地表傳播、衰減慢，是面波勘探的核心信號(hào)。
核心原理：頻散特性，層狀巖土介質(zhì)中面波具有頻散效應(yīng)，不同頻率面波對(duì)應(yīng)不同探測(cè)深度；高頻信號(hào)探測(cè)淺部地層，低頻信號(hào)探測(cè)更深位置。野外布設(shè)多道檢波器陣列接收地震信號(hào)，經(jīng)面波頻散分析提取頻散曲線，經(jīng)反演計(jì)算輸出地下橫波速度Vs二維剖面。
巖土越密實(shí)，橫波速度越高；土體松散、溶洞、破碎帶、欠壓實(shí)區(qū)域，橫波速度會(huì)出現(xiàn)明顯低值異常。簡(jiǎn)單來說：橫波速度就是地下巖土的“體檢報(bào)告”，間接反映土層軟硬、地層分界、不良地質(zhì)的分布位置。
檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：
GB 50021-2001(2009年版)《巖土工程勘察規(guī)范》
JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》
JGJT 143-2017《多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程》
TB 10013-2010《鐵路工程物理勘探規(guī)范》
CJJ/T 7-2017《城市工程地球物理探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》
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作業(yè)效率高：設(shè)備輕便，錘擊激發(fā)，測(cè)線滾動(dòng)采集，短時(shí)間完成長(zhǎng)剖面探測(cè)，適配鐵路、公路這類線性工程。
無損非侵入：無需鉆孔，不破壞原有地表，可在運(yùn)營(yíng)既有線、市政道路、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地開展檢測(cè)。
淺層分辨率優(yōu)異，對(duì)于淺部分層、填土壓實(shí)狀態(tài)、破碎帶識(shí)別效果突出。
輸出連續(xù)二維剖面，彌補(bǔ)鉆探“以點(diǎn)代面”短板，捕捉鉆孔之間遺漏的局部地質(zhì)異常。
綜合成本低，相比大規(guī)模鉆探，有效降低勘察檢測(cè)投入。
客觀局限性，物探方法本身具備多解性，無法完全替代鉆探；成果需要結(jié)合少量鉆孔做標(biāo)定校驗(yàn)；強(qiáng)振動(dòng)干擾、高飽和軟土場(chǎng)地會(huì)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，建議采用多方法聯(lián)合勘探。
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鐵路、公路、市政場(chǎng)地勘察，快速劃分土層界面，確定覆蓋層、風(fēng)化基巖埋深，識(shí)別土石分界面，為項(xiàng)目選址、初步設(shè)計(jì)提供連續(xù)剖面依據(jù)，尤其適合線路長(zhǎng)、工點(diǎn)分散的線性工程。
填方路基、強(qiáng)夯處理場(chǎng)地，依據(jù)橫波速度分布，評(píng)價(jià)填土壓實(shí)均勻性；圈定局部松散、欠壓實(shí)區(qū)域，對(duì)比處理前后土體加固效果，實(shí)現(xiàn)大面積普查。
巖溶場(chǎng)地探查溶洞、溶蝕裂隙；淺層采空塌陷邊界圈定；滑坡勘察中確定滑體厚度、滑動(dòng)面位置，輔助滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。
鐵路巖溶路基注漿治理工程，注漿充填密實(shí)區(qū)域橫波速度明顯提升；借助面波剖面定位注漿薄弱部位，作為注漿效果輔助評(píng)價(jià)手段，彌補(bǔ)鉆孔取芯抽樣的局限性。
橫波速度是場(chǎng)地地震安全評(píng)價(jià)核心參數(shù)，利用面波獲取Vs隨深度變化曲線，判定建筑場(chǎng)地類別，為工程抗震設(shè)計(jì)提供參數(shù)。
運(yùn)營(yíng)期鐵路路基病害普查，在不中斷運(yùn)營(yíng)條件下探查地下隱患，為病害整治提供參考依據(jù)。
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震源匹配探測(cè)目標(biāo)：淺部檢測(cè)選用小錘高頻激發(fā)；需要加大探測(cè)深度時(shí)，采用重錘落重獲取低頻信號(hào)。有效檢測(cè)深度不超過20m時(shí)宜采用大錘激振，不超過30m時(shí)宜采用砂袋和落重激振。
合理布置測(cè)線：測(cè)線盡量垂直地質(zhì)構(gòu)造走向；遠(yuǎn)離大型機(jī)械、交通等強(qiáng)振動(dòng)噪聲源。
鉆探標(biāo)定必不可少：物探做面，鉆探做點(diǎn)，利用少量鉆孔標(biāo)定速度剖面，降低物探多解風(fēng)險(xiǎn)，提升地質(zhì)解譯可靠性。
復(fù)雜場(chǎng)地建議綜合物探，搭配地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法，多種方法互相印證，提高異常判識(shí)準(zhǔn)確度。
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某項(xiàng)目強(qiáng)夯地基處理，檢驗(yàn)質(zhì)量以壓實(shí)度控制，8m深度范圍內(nèi)的壓實(shí)度要求達(dá)到93%。路基壓實(shí)過程中，填料的壓密導(dǎo)致路基的剪切模量和密度同時(shí)增大，由于剪切模量的增大速度比密度快得多，所以密度增大的同時(shí)波速也會(huì)增大。相關(guān)文獻(xiàn)表明，面波速度和密度具有很好的相關(guān)性，一般面波速度與密度的相關(guān)關(guān)系式可表示為如下幾種：
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采用灌砂法檢測(cè)路基的密度，由此建立壓實(shí)度與面波層波速之間關(guān)系，利用這一關(guān)系在其他路段作測(cè)試工作，得出各層波速VS，計(jì)算出各層壓實(shí)度K。
通過對(duì)SY01~SY07測(cè)線（點(diǎn)）的波速與密度測(cè)試，并對(duì)幾種擬合曲線的對(duì)比，采用指數(shù)關(guān)系時(shí)擬合程度最高，擬合結(jié)果見圖1。
表1 SY01~SY07測(cè)線（點(diǎn)）的波速與密度對(duì)應(yīng)關(guān)系
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測(cè)線（點(diǎn)）號(hào) |
SY01 |
SY02 |
SY03 |
SY04 |
SY05 |
SY06 |
SY07 |
強(qiáng)風(fēng)化 泥巖 |
中風(fēng)化 泥巖 |
|
干密度ρd（g/cm3） |
1.88 |
1.95 |
1.86 |
1.92 |
1.9 |
1.9 |
1.94 |
2.03 |
2.21 |
|
波速VS（m/s） |
281 |
320 |
274 |
302 |
302 |
310 |
326 |
433 |
540 |
圖1?干密度-波速擬合關(guān)系
對(duì)應(yīng)關(guān)系推算出干密度及壓實(shí)度，現(xiàn)場(chǎng)共采集41組數(shù)據(jù)，提取波速值215個(gè)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，以SY01測(cè)點(diǎn)為例成果如下：
表2 SY01測(cè)點(diǎn)不同深度壓實(shí)度推算表
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測(cè)點(diǎn) |
頻散曲線圖 |
深度H （m） |
波速VS （m/s） |
干密度ρd （g/cm3） |
壓實(shí)度Ki （%） |
|
SY01 |
|
2.88 |
280.7 |
1.88 |
92.6 |
|
4.55 |
274.4 |
1.87 |
92.1 |
||
|
5.73 |
432.0 |
2.06 |
100.0 |
||
|
8.00 |
339.2 |
1.95 |
96.1 |
采用多道瞬態(tài)面波法對(duì)某項(xiàng)目地基注漿后的波速進(jìn)行檢測(cè)，利用面波的頻散特性，通過測(cè)試得到該場(chǎng)地頻散曲線圖，再通過分析頻散曲線的形態(tài)特征和各分層的相位波速大小，推算出不同深度的面波速度。并結(jié)合注漿前的波速進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行注漿效果分析。
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圖2 注漿前后波速等值線圖
依據(jù)JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，面波波速與承載力特征值和變形模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比對(duì)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)積累確定，初步判定碎石土地基承載力特征值和變形模量，可按下表估算。
表3 面波波速與碎石土地基承載力特征值和變形模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系
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VR?(m/s) |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
|
fak?(kPa) |
110 |
150 |
200 |
240 |
280 |
|
Eo?(MPa) |
5 |
10 |
20 |
30 |
45 |
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理，取每條測(cè)線的中點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的模型圖，測(cè)點(diǎn)波速代表了該條測(cè)線下方土體不同深度的平均波速。依據(jù)波速與承載力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)地基承載力見下表。
表4 地基承載力推算表
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深度 （m) |
測(cè)點(diǎn)號(hào) |
|||||||||||||
|
S1 |
S2 |
S3 |
S4 |
S5 |
S6 |
S7 |
||||||||
|
波速 （m/s) |
fak? (kPa) |
波速 （m/s) |
fak? (kPa) |
波速 （m/s) |
fak?(kPa) |
波速 （m/s) |
fak?(kPa) |
波速 （m/s) |
fak? (kPa) |
波速 （m/s) |
fak? (kPa) |
波速 （m/s) |
fak? (kPa) |
|
|
2 |
520 |
>280 |
342 |
>280 |
415 |
>280 |
524 |
>280 |
434 |
>280 |
368 |
>280 |
485 |
>280 |
|
4 |
801 |
>280 |
611 |
>280 |
434 |
>280 |
433 |
>280 |
629 |
>280 |
309 |
>280 |
468 |
>280 |
|
6 |
1240 |
>280 |
700 |
>280 |
469 |
>280 |
579 |
>280 |
688 |
>280 |
493 |
>280 |
376 |
>280 |
多道瞬態(tài)面波并不是萬能技術(shù)，但作為高效、無損的“地下掃描儀”，已經(jīng)在鐵路、公路、市政、房建勘察檢測(cè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。物探做面，鉆探做點(diǎn)，點(diǎn)面結(jié)合，才是工程勘察的最優(yōu)思路。
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