學(xué)習(xí)彈性波技術(shù)在公路土石方工程勘察中的應(yīng)用

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1、彈性波技術(shù)在公路土石方工程勘察中的應(yīng)用李漢江,李建飛,陳斌文（江西省交通設(shè)計(jì)院,江西南昌330002）摘要：該文基于“彈性波波速與土石開挖等級(jí)的相關(guān)性研究”的課題研究成果，介紹彈性波勘探技術(shù)在南奉線挖方段土石方勘察中的應(yīng)用情況，通過對(duì)比分析，總結(jié)了該技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，為彈性波技術(shù)在公路土石方工程勘察中的應(yīng)用和推廣積累一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：巖土工程；彈性波技術(shù)；土石開挖等級(jí)；土石方勘察0前言隨著我省乃至全國的高速公路的迅猛發(fā)展，高速公路的修建已全面進(jìn)入地形及地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，不可避免地要進(jìn)行大填大挖，導(dǎo)致大量的土石方工程。挖方段由于地形復(fù)雜，鉆探一般難于到位，人工地質(zhì)調(diào)繪又難于

2、達(dá)到深度要求，土石方勘察手段的單一給土石方工程評(píng)估和計(jì)量帶來困難。根據(jù)前期公路建設(shè)中反饋來的信息可知，土石方工程變更一直為高速公路建設(shè)中的主要變更項(xiàng)之一，不僅影響工程造價(jià)，同時(shí)還可能由于土石成分的誤判，導(dǎo)致工程滑坡等邊坡病害。目前，工程物探，特別是彈性波技術(shù)，由于其輕便、經(jīng)濟(jì)、高效、無創(chuàng)傷等顯著特點(diǎn)，能很好地彌補(bǔ)了鉆探的缺點(diǎn)，已在公路地質(zhì)勘察中得到廣泛應(yīng)用，彈性波技術(shù)已成功地應(yīng)用于隧道圍巖勘察，但彈性波技術(shù)尚沒規(guī)范性地應(yīng)用于土石方工程勘察。最近，我院正在進(jìn)行的題為“巖土體彈性波速與土石方開挖等級(jí)的相關(guān)性研究”的課題研究，已初步制定出了一套用彈性波速來界定挖方段土石開挖等級(jí)的

3、標(biāo)準(zhǔn)，為彈性波技術(shù)應(yīng)用于土石方工程勘察提供了理論基礎(chǔ)和規(guī)范性實(shí)踐依據(jù)。1彈性波技術(shù)在土石方勘察中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)[1～2]通過對(duì)巖土體彈性波速的影響因素分析，以及對(duì)決定土石開挖等級(jí)的幾個(gè)重要指標(biāo)分析可知，巖土體的彈性波速與其開挖等級(jí)之間存在明顯的內(nèi)在聯(lián)系（如圖1所示）。巖土體的性質(zhì)是影響巖土體的彈性波速和開挖等級(jí)的決定因素，巖土體的彈性波速和開挖等級(jí)同時(shí)與巖土體的密實(shí)度、堅(jiān)硬程度、孔隙度、完整程度和風(fēng)化程度等密切相關(guān)。一般來說，密實(shí)度越大的巖土體其堅(jiān)硬程度越大，而巖體的完整程度又與孔隙度密切相關(guān)，巖石的裂隙發(fā)育、膠結(jié)差，則孔隙度大，從而巖體的完整性差。另外，巖石的風(fēng)化程度越大

4、，其彈性波速越小，同時(shí)土石開挖等級(jí)也越低。由此可知，巖土體的彈性波速與其開挖等級(jí)存在較好的正相關(guān)性，巖土體的土石開挖等級(jí)越高，其相應(yīng)的彈性波速越大。反之，土石開挖等級(jí)越低，其彈性波速越小。圖1土石開挖等級(jí)的與彈性波速的關(guān)系圖從上面的分析推導(dǎo)可知，巖土體的開挖等級(jí)與其彈性波速存在明顯的正相關(guān)性關(guān)系，從而從理論上證明了用巖土體的彈性波速的大小來判斷土石的開挖等級(jí)的可能性。2淺層地震折射波形成及傳播原理[3]折射波形成的條件不僅要求界面兩側(cè)的速度不等，而且必須滿足下層介質(zhì)的速度V2大于上層介質(zhì)的速度V1，(如圖2)。據(jù)透射定律可知，當(dāng)V2＞V１，隨α增大，β也增大，透射波射線偏離

5、法線向界面靠擾，當(dāng)α為臨界角時(shí)，使β=90°，透射波以V2速度沿界面滑行，形成滑行波。這時(shí)，，由式中若已知V1、V2，可求出臨界角i。根據(jù)波前原理，從振源出發(fā)的地震波以臨界角入射到界面上，形成滑行波，滑行波所經(jīng)過的界面上的任何一點(diǎn)，都可看作從該時(shí)刻產(chǎn)生子波的新震源，在上層介質(zhì)中形成一種新的波動(dòng)，即形成折射波。圖2折射波傳播原理圖淺層地震勘探折射波法（彈性波技術(shù)）是通過人工在地面激發(fā)地震波，地震波在地下介質(zhì)傳播過程中，經(jīng)地層折射到達(dá)地面，通過埋置在地面的檢波器接收后，又經(jīng)電纜線傳入地震儀。通過地震儀進(jìn)行信號(hào)放大和采樣后，將波形數(shù)據(jù)記錄于磁盤。通過計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的地震波的時(shí)間、

6、相位和振幅等信息進(jìn)行分析和解釋，計(jì)算出地層的縱波速度和厚度，并根據(jù)波速確定巖土體的開挖等級(jí)，計(jì)算出各開挖等級(jí)的土石方含量。3案例分析[4]下面以南奉線為例，主要介紹南奉線K22+690~K22+940段網(wǎng)紋土及紅砂巖挖方段的淺層地震折射波勘探應(yīng)用情況。本段為高崗地，地形較平緩，本段最大挖深10m左右，由于基巖出露較差，地表調(diào)查難于查明并量化土層厚度及基巖全強(qiáng)風(fēng)化層厚度，土石方含量難于確定，本次勘察使用了淺層地震折射波勘探技術(shù)。3.1參數(shù)的選定本次勘察采用相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)（如圖3），使用的儀器為WZG-24工程地震儀和38Hz垂直檢波器，測(cè)線分別垂直和平行路線布置。根據(jù)場(chǎng)地的

7、地形和地質(zhì)條件，野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置為：道間距4.0m；偏移距0m、4m、12m；24磅鐵錘錘擊激發(fā)。圖3　相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)3.2資料處理從所采集的原始波形記錄看，大部分折射波初至都比較清晰，能夠直接讀取時(shí)間數(shù)據(jù)。部分離震源較遠(yuǎn)的記錄，由于波傳播距離較遠(yuǎn)，以及地表的不均勻性和局部地形變化的影響，折射波能量較小，而干擾波能量相對(duì)較大。對(duì)這些受干擾較大的記錄，通過數(shù)字濾波和增益控制等處理后，干擾波得到了壓制，記錄上的折射波初至變得較為清晰，同時(shí)對(duì)由于濾波使波形相位發(fā)生變化而產(chǎn)生的初至波在時(shí)間上的誤差進(jìn)行校正。圖4(a、