弹性波技术在公路土石方勘察中的应用初探.doc

弹性波技术在公路土石方工程勘察中的应用 李汉江, 李建飞, 陈斌文 （江西省交通设计院, 江西 南昌 330002） 摘 要：该文基于“弹性波波速与土石开挖等级的相关性研究”的课题研究成果，介绍弹性 波勘探技术在南奉线挖方段土石方勘察中的应用情况，通过对比分析，总结了该技术的特点 和优势，为弹性波技术在公路土石方工程勘察中的应用和推广积累一定的实践经验。 关键词：岩土工程；弹性波技术；土石开挖等级；土石方勘察 0 前 言 随着我省乃至全国的高速公路的迅猛发展，高速公路的修建已全面进入地形及地质复杂地区，不可避免地要进行大填大挖，导致大量的土石方工程。挖方段由于地形复杂，钻探一般难于到位，人工地质调绘又难于达到深度要求，土石方勘察手段的单一给土石方工程评估和计量带来困难。根据前期公路建设中反馈来的信息可知，土石方工程变更一直为高速公路建设中的主要变更项之一，不仅影响工程造价，同时还可能由于土石成分的误判，导致工程滑坡等边坡病害。 目前，工程物探，特别是弹性波技术，由于其轻便、经济、高效、无创伤等显著特点，能很好地弥补了钻探的缺点，已在公路地质勘察中得到广泛应用，弹性波技术已成功地应用于隧道围岩勘察，但弹性波技术尚没规范性地应用于土石方工程勘察。最近，我院正在进行的题为“岩土体弹性波速与土石方开挖等级的相关性研究”的课题研究，已初步制定出了一套用弹性波速来界定挖方段土石开挖等级的标准，为弹性波技术应用于土石方工程勘察提供了理论基础和规范性实践依据。 1 弹性波技术在土石方勘察中应用的理论基础[1～2] 通过对岩土体弹性波速的影响因素分析，以及对决定土石开挖等级的几个重要指标分析可知，岩土体的弹性波速与其开挖等级之间存在明显的内在联系（如图1所示）。岩土体的性质是影响岩土体的弹性波速和开挖等级的决定因素，岩土体的弹性波速和开挖等级同时与岩土体的密实度、坚硬程度、孔隙度、完整程度和风化程度等密切相关。一般来说，密实度越大的岩土体其坚硬程度越大，而岩体的完整程度又与孔隙度密切相关，岩石的裂隙发育、胶结差，则孔隙度大，从而岩体的完整性差。另外，岩石的风化程度越大，其弹性波速越小，同时土石开挖等级也越低。由此可知，岩土体的弹性波速与其开挖等级存在较好的正相关性，岩土体的土石开挖等级越高，其相应的弹性波速越大。反之，土石开挖等级越低，其弹性波速越小。 图1 土石开挖等级的与弹性波速的关系图 从上面的分析推导可知，岩土体的开挖等级与其弹性波速存在明显的正相关性关系，从而从理论上证明了用岩土体的弹性波速的大小来判断土石的开挖等级的可能性。 2 浅层地震折射波形成及传播原理[3] 折射波形成的条件不仅要求界面两侧的速度不等，而且必须满足下层介质的速度V2 大于上层介质的速度V1，(如图2) 。据透射定律可知，当V2＞V１，随α增大，β也增大，透射波射线偏离法线向界面靠扰，当α为临界角时，使β=90°，透射波以V2速度沿界面滑行，形成滑行波。这时，，由式中若已知V1、V2 ，可求出临界角i。根据波前原理，从振源出发的地震波以临界角入射到界面上，形成滑行波，滑行波所经过的界面上的任何一点，都可看作从该时刻产生子波的新震源，在上层介质中形成一种新的波动，即形成折射波。 图2 折射波传播原理图 浅层地震勘探折射波法（弹性波技术）是通过人工在地面激发地震波，地震波在地下介质传播过程中，经地层折射到达地面，通过埋置在地面的检波器接收后，又经电缆线传入地震仪。通过地震仪进行信号放大和采样后，将波形数据记录于磁盘。通过计算机对接收到的地震波的时间、相位和振幅等信息进行分析和解释，计算出地层的纵波速度和厚度，并根据波速确定岩土体的开挖等级，计算出各开挖等级的土石方含量。 3 案例分析[4] 下面以南奉线为例，主要介绍南奉线K22+690 ~ K22+940段网纹土及红砂岩挖方段的浅层地震折射波勘探应用情况。本段为高岗地，地形较平缓，本段最大挖深10m左右，由于基岩出露较差，地表调查难于查明并量化土层厚度及基岩全强风化层厚度，土石方含量难于确定，本次勘察使用了浅层地震折射波勘探技术。 3.1 参数的选定 本次勘察采用相遇追逐观测系统（如图3），使用的仪器为WZG-24工程地震仪和38Hz垂直检波器，测线分别垂直和平行路线布置。根据场地的地形和地质条件，野外数据采集参数设置为：道间距4.0m ；偏移距0m、4m、12m ；24磅铁锤锤击激发。 图3 　相遇追逐观测系统 3.2 资料处理 从所采集的原始波形记录看，大部分折射波初至都比较清晰，能够直接读取时间数据。部分离震源较远的记录，由于波传播距离较远，以及地表的不均匀性和局部地形变化的影响，折射波能量较小，而干扰波能量相对较大。对这些受干扰较大的记录，通过数字滤波和增益控制等处理后，干扰波得到了压