工程物探技术在我院公路勘测与检测
工作中的应用与效果
前言
工程地球物理勘探简称工程物探，其作为一项轻便、快捷、经济的工程地质勘探与地下工程质量检测手段已被国内外工程界所共识，并有了近四十年的发展应用历史，其方法之多，已有电法、地震法、电磁法、重力法、磁法、放射性法、声波法、地质雷达法及多种物理测井技术等，但在土木工程中应用最多的效果显著的首推包括以地震为主的弹性波探查检测法，次为电法与综合测井法。工程物探技术，尤其是弹性波探查检测技术得到更快全面的发展和应用却始于八十年代以来，九十年代更取得了突破性的进展，部分技术方法已跃居世界当代先进水平。本文以弹性波法探测技术为主介绍一下我院在公路勘察设计与工程监理工作中应用工程物探技术方法的概况与其效果。
一、应用工程物探历程：
六十年代初期，我院在公路部门率先引进与推广了电法勘探，用于山区道路人工构造物地基的勘察并与钻探配合取得了一定的生产应用效果。1980年我院购置了美国ES-lA型袖珍式单边数字地震仪，开始了公路地震勘探的生产应用试验，1986年又引进了美国信号增强型ES-1210F型12道工程地震仪，正式将地震勘探技术引入了公路桥梁地基的勘探生产实际试用阶段。1990年我院突破了八十年代单一的折射波法勘探技术方法，从水电系统“七五”科技攻关技术专利成果中引进了浅层地震反射勘探及地震波速测井技术与浅反数据采集及数据处理软件，开始了利用微机与地震仪联机从事浅反与折射法结合应用的应用历程，由测纵波(即P波)到测横波使地震勘探水平上了一个新台阶。1994年又引进推广了瑞雷面波探测技术和超声波检测技术，购置了国内先进的SWS-1型多功能面波仪和数字图像结合型超声波仪，使近地表30米以浅地层的探查有了更好的方法，并开展了岩土物性参数和不良地质的定性定量评价工作及基桩质量检测工作。1996年我院引进推广了水域地震映像勘探技术，购置了国内当前最先进的SWS-II型多波列、多功能数字图像勘探与工程检测仪及其软件包，并在南京长江第二大桥桥基及引线勘探工作中进行了生产应用，取得了喜人的成果，使我院工程物探技术水平与应用领域又上了一个大台阶。总之，截至目前，我院工程物探地位已由配合钻探的次要地位发展到以物探为主钻探验证的主导地位，为“工可”研究与山区丘陵、基岩浅埋平原 地区公路地质初勘的主要手段，在技术方法上已由单一电法、地震折射波法发展为多种弹性波法与多种测井技术综合应用；工作范围已由陆上扩展到江河水域及钻孔(井)内，工作服务对象已由仅为公路地质勘探服务扩展到为公路工程设计与施工质量检测服务等。上述的发展与应用事实说明了工程物探在公路建设中的重要地位与作用，在今后公路测设投入国内外市场、平等竞争的大潮中，工程物探技术将具有强大的生命力和更广阔的应用前景，它为公路工程勘测、检测手段多快好省和实现现代化提供了有效途径。下面仅就我院工程物探应用实例对部分较新的技术方法作一具体说明。
二、横波、纵波浅层反射勘探法：
简称地震浅反技术，它是国内外工程界八十年代末刚兴起的一种新技术，从理论上讲，形成反
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射波的物理条件是地层中存在有波阻抗界面，而波阻抗的定义为地层波速与密度的乘积，由于它代表了工程地质与岩土物理力学性的两个因素，故它比用折射波法勘探中的速度V来划分岩土层有更高的精度，再加之横波不受地下水的影响，其值并与岩土物性特征有着密切的关系，故用浅反纵横波勘探方法更能准确地反映地下地质层位的厚度和岩性变化、地层起伏变化形态、确定岩土层物理力学指标、解决折射波法因地层波速倒转而无法解决的地质问题及详细分层问题，且其放线工作面要求比折射小，探测深度大，故在公路地质勘探中地位更加重要。其探测是采用接ES磁盘采集系统 的ES-1210F地震仪或SWS型仪器，采用18~24磅锤击震源或激震枪爆炸振源激震，采用36~100Hz检波器或横波检波器；工作方法采用较小偏移距和检波距，选择合理的仪器采集接收技术窗口，采取多次覆盖叠加方式进行野外探测；横波激发方式采用工作汽车或拖拉机装载砂袋对激发木板压重措施；数据资料解释采用浅反处理绘图软件进行微机作业，通过以上措施均可取得较好的勘探效果，其勘探精度可达到95%以上，部分可达100%，探测深度可达百米至数百米。
我院在隧道、立交、桥梁、大中型人工构造物的地基勘察中把浅反作为震探基本主要手段予以普遍采用，尤其是对岩层风化带，构造破碎带，软弱夹层及不良地质体和构造问题的探查方面有着良好的效果。现举以下几例予以佐证。
(1) 南京长江二桥引线勘探有效地查明了第四系岩土分层和砂泥质软弱基岩风化带的划分。 (2)徐连高速公路甫城互通立交及京杭运河特大桥有效地查明了隐伏的基岩断层及第四系岩土地 质分层。
(3)温州瓯江二桥连接线樟岙隧道有效地查明了熔结凝灰岩中的岩石风化带及节理、裂隙发育带。
三、瑞利面波勘探
该项勘测技术国外于六十年代从美国首先提出，八十年代在美国及日本得到了较快进展，我国始于九0年前后开始了应用研究。1993年水电部研制了第一台国产仪器——SWS-1型多功能瞬态面波仪，正式揭开了我国面波技术应用的新阶段。1995年SWS-II型国产仪器面世，使面波的生产应用与研究在国内有了更大进展。中国在瞬态面波勘测技术上走在了世界的前列，我院由1994年引进了面波勘探技术手段，并在公路勘测中进行了生产应用，并写出了专门论文在国内有关刊物和13届国际地质大会上进行了发表和交流。
面波，顾名思义即沿地面表层传播的弹性应力波，因而也叫地滚波(R)，该波与传统地震勘探的研究对象体波(纵波P和横波S)比较具有以下不同特性：
面波对于P波、S波相对比较而言，具有冲击波能高(R波占67％、S波占26％、P波占7%)振幅大，垂向大于水平向(比体波大的多)。能量与振幅随传播距离衰减慢，在水平向R波以1／r 的比例衰减，体波以1／r2 比例衰减；在垂直向R波呈指数衰减(1／r2 )。波的传播速度最慢(P波最快、S波次之、R波最慢)，瑞利波（R波）的波速Vr与介质的剪切波波速Vs之同存在着密切的近似关系，即：
0.87?1.12??Vs1??
1??Vs??Vr0.87?1.12?Vr?? —为岩土体介质的泊松比
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S波因对介质中水的影响关系不大，却与岩土体物性指标有着密切的相关关系进而用它来定量地评价岩土的工程性质并进行岩土分层，由于瑞雷面波波型易识别，探测设备轻便、方法简单、资料解释直观、分层精度高等优点，人们现今把R波作为获取岩土体剪切波速Vs的桥梁作用来达到实现对岩土体进行工程地质分层和进行物性指标定量评价的目的。用地震浅层反射、折射勘探手段测求横波，野外施工方法复杂繁重(要压重)，用测井方法要打钻孔，甚至要套管保护孔壁等，相比之下，瑞雷面波法则成为工程地震探测技术手段中一种重要的方法，得到了人们的重视和应用。 瑞利面波根据产生震源的激振方法的不同及室内数据分析计算方法的不同，可分为稳态面波法与瞬态面波法两种。前者激发振源产生单一频率的瑞雷波；后者是产生一定频率范围的瑞雷波，再经过分析处理，把各种不同频率的瑞雷波分离出来，从而得出各种不同频率下的波传播速度，进而绘制出一条深频散曲线，作为R波解释的依据。
我院在生产工作中采用了瞬态瑞雷面波频率测深技术方法，主要用于浅层(0～30米最大40米)工程地质探查和岩土评价。94～97年间在4条长大高等级公路的生产实践中把面波探测主要应用在以下几个方面：
(1)进行地表下30米以内岩土工程地质分层：
由于反射波勘探在上述浅表层范围内易受强大折射波、面波、声波的于扰，其近地表层反射波不易辨认识别，经常成为解释盲区。而瑞雷面波在此范围内却易辨认识别，故用其波速可以提高岩土分层精度，可区分出0.5米的薄层。对于小桥涵和支挡防护地基、不良路基等它是主要的地质探查手段。
(2)对可液化土地基进行评价：
根据国家岩土工程规范和铁路抗震设计规范，规定了用Vs值评价可液化土的方法， 即可利用以下公式进行：
砂土：VSCR=Kc(ds-0.01d2s) 粉土：VSCR=Kc(ds-0.0133d2s)1／2
其中：VSCR—土的液化剪切波速临界值(m／s)
Kc—经验系数，抗震设防烈度为了7°、8°、9°时对于饱和砂土分别取92、130和184，对于饱
和粉土分别可取42、60和84； ds---砂层或粉土层剪切波测深点深度(m)
Vs---各测点处土的实测剪切波速，可根据其瑞雷波的关系式求出
Vs?1???Vr
0.87?1.12?? —土的泊松比，可按手册查表采用
当Vs 瑞雷波判断液化与标贯试验判断液化对照表 表l 桩号 深度(m) 土类 实测Vs K154+060 6.3 淤泥质粘性土 140 K154+060 12.6 砂性土 186 K64+230 4.4 淤泥质粘土 130 K64+230 7.0 砂性土 340 3 计算Vs 185 170 不液化 不液化 193 液化 液化 244 不液化 不液化 波速判断结果 液化 标贯判断结果 液化 (3)用经验公式计算标贯击数N63.5间接评价土的稠度和密实度。 横波波速Vs与上层的标准贯入击数N63.5的关系： 我们知道标准贯入击数N63.5值的大小主要用来判定土层的软硬程度，确定各种土层的承载力。而横波波速Vr与N63.5值的大小均反映着土层的软硬程度，所以两者间存在着良好的相关关系。为此，我们对徐一连高速公路初勘中钻孔旁的面波参数测试成果进行统计分析及Vr与Vs的转化。总结出了Vr与N63.5的相关关系式。 N63.5=lg lgVr?lgA?lg62.8?0.23lgH 0.219 其中粘性土时 A=1.402 砂性土时 A=1.183 相关系数为 r=0.826 在同一点，用Vr计算出N63.5与实测N63.5的对比关系见表2。这样就可确定岩土层的状态。在日本公路桥梁抗震设计新规程中就有利用Vr求N63.5的关系式。 徐连公路部分工点实测标贯与面波反算标贯对照 土类 深度(m) 桩号 粘性土 砂性土 粘性土 4.50 13.6 27.2 表2 砂性土 7.70 3.70 5.70 6.90 11.8 12.8 K154+060 K159+940 2.60 2.80 3.40 3.50 K0+455 K118+115 2.00 11.0 5.50 7.70 计算N63.5 3.40 4.30 3.70 9.20 8.40 实测N63.5 4.60 4.40 8.40 9.20 13.1 (4) 为建筑物与桥梁抗震设计提供有关参数, 并进行场地类别及场地土的评价。 求出地表下15m以内土层的Vs值按建筑抗震设计规范进行划分与评价(Vs用Vr求出)如南京长江二桥抗震设计中作了应用。 除上述我院工程应用实践外，从国内外面波技术的应用报导中尚有以下几个方面的应用实例： (1)探测石灰岩中的溶洞与岩土体中的空洞、墓穴、采空区等。 (2)对软弱地基与复合地基加固处理效果的评价。 (3)检测路基土的压实度，利用公式 K=(VR/VRo)b VR—路基实际压实后实测的波速值 VR0—标准击实试验?d对应的波速值 K——压实度 b——常数 (4) 结合超声波法检测水泥混凝土路面的抗压抗折强度，用R波法求Vs值，用超声波法求Vp 值。 ?——密度 ? (泊松比)=(Vp?Vp)/(Vp?Vs) E (压缩模量)=2?Vs2(HG)?10-3?l0-3(Mpa) G (剪切模量)= ?Vs2?l0-3 (Mpa) 4 2222
