瑞雷面波检测强夯地基方法说明

瑞雷波检测强夯地基方法说明及实例

2011.1.21

1：前言

（1）瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波，由英国科学家瑞雷（Rayleigh 1887）发现和数学论证。随着面波探测在天然地震和工程勘察领域中的应用，面波理论在原理、测量技术和数据处理方法上，都得到很大的发展。了解面波的原理是有效应用面波测深的基础。

面波勘探，也称弹性波频率测深，是一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞雷波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以瑞雷波勘探一般是指瑞雷面波勘探。

面波探测中取得地层频散特徵的技术方法目前有两种。一种是用可控频率的激震器，分别激发不同频率的面波，在不同距离的两个通道上记录面波的振幅，计算该频率的相速度。第二种是用冲击震源激发包括较宽频带的面波脉冲，在不同距离的多个通道上记录面波，用分频的数据处理方法计算频带范围内的面波相速度。除第二种方法有可能区分面波的模态外，两者从原理上没有本质的差别。

瑞雷面波的振动包含水平和垂直两个分量。从原理上看，在复杂情况下综合利用两个分量，有利于区分面波的模态，但目前一般仅测量面波地表振动的垂直分量。

面波探测的数据处理分两个步骤：

1. 由面波的时距数据求取频散数据，其中包括区分出基阶模态和不分模态的两种做法。

2. 由频散数据计算地层弹性参数，实质是采取地层模型参数迭代优化的方法。其中模型正演目前又有传输矩阵法和刚度矩阵法两种。

以基阶模态频散数据为基础的面波测深方法，频散数据特征和地层结构的关连比较直观，分层反演也比较容易实现。对于波速总体随深度增加的常见地层结构，如果采集多道地震记录并转换到频率波数域，也不难单独提取出基阶模态的频散数据。线性排列的多道地震记录，涵盖了面波离开震源不同偏移距的表现，综合到频率波数域提取的频散数据，虽然会引入一定的平均效应，但是在水平层状地层的条件下，不仅有利于反映不同深度地层的影响，也有利于提高原始数据的信噪比。

面波的应用范围：

一、对岩土体的物理力学参数的测定；

二、地层的划分和各层速度的确定；

三、地基“软”“硬”程度和承载力的判定；

四、地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；

五、软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别；

六、公路、机场跑道质量的无损检测；

七、江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价；

八、场地土类别划分及滑坡调查等；

（2）强夯法是一种十分经济有效的地基处理方法。它不仅能提高地基的强度并降低其压缩性，而且还有改善其抵抗液化的能力。在沿海地区，填海工程和低丘整平地基处理中，大量使用强夯法。强夯地基的承载力及在强夯效果的检测中十分重要。本文通过瑞雷波法的理论探讨以及多个工程中与压板试验、钻探标贯、室内土工试验的对比，证明瑞雷波法不仅可以检测出强夯地基加固深度、影响深度，而且可以推测出地基承载力和变形模量。

2：瑞雷波勘探原理

（1）瞬态瑞雷波法的原理

瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。离震源一定距离处有一观测点A，记录到的瑞雷波是f1(t)，根据付立叶变换，其频谱为

根据上式只要知道A、B两测点间的距离△和每一频率的相位差f，就可以求出每一频率的相速度，从而可以得到勘探地点的频散曲线。为此，我们需要对A、B两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相干函数的目的是对记录信号的各个频率成份的质量做出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。根据野外现场的实际情况，我们可以确定一个系数（在0—1.0之间）。当相干函数大于这个系数，我们就认为这个频率成份有效。反之，我们就认为这个频率成份无效。作互谱的目的是利用互谱的相位特性来求出这两个观测点在各个不同频率时的相位差，再利用公式（5），求出瑞雷波的速度V R。

当我们已知频率为f的瑞雷波速度V R后，

根据弹性波理论，瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度差不多在一个波长深度范围内。由半波长理论可知，所测量的瑞雷波平均速度V R可以认为是1/2λ波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H是

由（6）式可知，频率越高，波长越短，勘探深度越小，反之，频率越低，波长越长，勘探深度越大。因此两个观测点之间的距离Δ也要随着波长的改变而改变。对于勘探深度较深的低频而言，Δ要变大，才能测到较为正确的相位。对于

勘探较浅的高频来说，Δ要变小。根据实际经验，Δ取λ/3 ~2λ间较为合适。即在一个波长内采样点数要小于在间距Δ间的采样点数的三倍，和大于在Δ间

的采样点数的0.5倍。这个滤波准则对于不同的仪器分辨率和场地的实际情况要作适当的调整。

3：瑞雷波与工程质量检测

3.1 在自由界面(如地面)上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞雷波，而瑞雷波有3个与工程质量检测有关的主要特征：

(1) 在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；

(2) 瑞雷波的波长不同，穿过深度也不同；

(3) 瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。

研究证明，瑞雷波能量约占整个地震波能量的67%，且主要集中在地表下—个波长范围内，而传播速度代表着半个波长(λ/2)范围内介质震动的平均传播速度。因此一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长，而波长与速率及频度有如下关系：

设瑞雷波的传播速度为V

R ，频率为f

K

，则波长为λ

R

=V

R

f

K

当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。

瑞雷波检测方法分为瞬态法和稳态法两种。这两种方法的区别在于震源不同。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；而稳态法是在激震时产生相对单一频率的瑞雷波，并以单一频率波的形式传播。我们在强夯检测项目中采用的是瞬态瑞雷波法。

现场数据采集采用纵排列接收瑞雷波。首先做现场试验，根据场地情况，

选择合适的工作参数，如偏移距、道间距、记录长度、采集间隔等。

3.2 检测方法：

考虑到强夯后超净孔隙水压力消散时间，一般情况下在强夯结束后3～4周，进场检测。主要有瑞雷波法、静载试验法、以及钻探标贯和其他原位测试方法。首先进行瑞雷波法，通过大范围的快速测试，掌握地基承载力分布情况、地基均匀性以及强夯加固深度、影响深度范围。在此基础上，寻找其相对薄弱部位，用二种以上的传统方法进行验证。其一为大压板试验，底板面积为2×2 m2～

3×3 m2，以便了解较深范围地基土的承载力和变形模量，其二为钻探取土标贯，填土中每2m取一个土样，每1m进行一次标准贯入试验，以掌握垂直方向的地基承载力分布情况，强夯加固深度和影响深度。后二种方法主要是对前一种方法进行验证，对比分析该场地的瑞雷波速和地基承载力的相关关系。

瑞雷波法按格网式分布，重点穿过拟建建筑物基础的主要特征受力部位，一般测线间距取5～6m，测点间距取2m左右，兼顾强夯墩上和墩间分布，偏移距

取2～6m (场地越硬，可取大些；越软，取小些)。震源30～50kg锅底锤，检波器自振频率4～28Hz，仪器记录时间长度取200～2000ms。

3.3 室内资料处理主要内容

(1) 对道间波形进行互相关

(2) 对R

21

做Fourier变换，得

R

21f)＝|R

21

(f)|

(3) 由R

21

(f)得Δφ(f)。

(4) 用V

R

=2πfΔX/Δφ，计算不同频率的瑞雷波速。

(5) 绘制瑞雷波频散曲线。

(6) 根据频散曲线计算分层速度与深度。

4：工程实例

现以某建筑场地强夯地基为例说明，该场地为山沟填土整平形成，测试区域填土深度约15m，强夯能量为6000kNm。本场地先后做了瑞雷波法，钻探标贯试验和3m×3m大压板静载试验。

图2为该场地的瑞雷波测试原始记录。该记录偏移距4m，道间距2m，32kg 锤1.5 m高自由下落激发，记录波形规则，背景安静。

图3为该记录经计算机处理后所得的频散曲线。由图可见，瑞雷波频散曲线规则，拐点清楚。0~2m深度范围内，波速为260m?s-1，3～6m波速220m?s-1，6～9m波速为200m?s-1，9～16m波速为190～205m?s-1。解释加固深度9m，影响深度为16m。

图4为该处所做钻探标贯曲线。由图可见，0～13m范围内修正后的标贯击数为14.8~26.8击，室内土工试验压缩模量为5～8MPa，内摩擦角15°左右，凝聚力为36kPa左右。

图5为在该钻探点所作静载试验曲线。该点按设计承载力1.5倍加荷，实测

承载力f

k ＝250kPa，变形变量E

＝34.02MPa，换算压缩模量E

S

=8.5MPa。

分析

由图2～图5可见，瑞雷波频散曲线可以直接反映强夯复合地基的加固深度、影响深度，并与钻探标贯和静载试验结果一致。

通过大量统计对比，我们总结出了如下的经验公式：

N63.5＝1.779 × 10-3

(4)式中，V

R

单位为m?s-1，N63.5为标贯击数，统计件数为86件，相对系数r=0.95。fK＝2.777

(5)式中，f

K

单位为kPa，统计件数94件，相关系数r=0.85。

E

＝9.43 × 10-5

(6)式中，E

单位为MPa，统计件数62件，相关系数为r＝0.83。

瑞雷波速与标贯试验具有较好的相关性。以理论上分析，当地基土较密实，

较硬时，标贯击数N值较高，波速V

R 也较高。反之，N值较低，V

R

也较低。只有

当地基土含—定量的填石时，N值离散性加大，V

R

却代表了一种整体平均效应。不言而喻，当填石太多时瑞雷波法比钻探法具有更大的优越性。

瑞雷波速与地基承载力也有较好的相关性。波速的高低反映了其介质的致密程度或固结程度，大范围的固结效果与承载力也有直接关系。相对压板试验来说，瑞雷波法具有更加快速、廉价、范围广、代表性强的特点。

瑞雷波速与地基土变形模量也有相关关系。E

0与V

R

的变化显得比f

K

还要灵

敏。其原因是，强夯复合地基往往在地表形成一层硬壳，而压板试验得出的结果与浅部1.5～2倍压板直径范围有关，而我们所取的波速则是整个强夯加固地基有效厚度范围的平均速度。

值得指出的是，这种递推式的经验方法有其使用有局限性，应该在具体地区做出具体的对比试验，建立合适的相关关系。这样，不仅有利于解决强夯复合地基的均匀性问题，而且对解决地基的承载力问题也是十分有用的。

4 结论

(1) 瑞雷波法解决强夯加固地基质量的检测问题是十分有效的。它不仅可以检测大范围地基加固效果，而且可以类似标贯试验法间接提供地基的承载力和变形模量。

(2) 通过一定的压板试验，钻探标贯与瑞雷波法的对比试验，证明瑞雷波速

V R 与N63.5、f

K

、E

值有较好的相关性。

(3)瑞雷波法是一种快速、经济、有效的方法，特别是对于抛石填海地基、

钻探难以进行而压板数量又少，压板面积又小的工程，更有意义。

(4)瑞雷波的平均速度和横波速度Vs相差无几，因而可用它来得到各种岩土的动力参数。这对工程设计是非常有用的。而且V

R

比纵波的速度要小，因而有着更高的分辨率。

(2)在被勘探的地层中，可以有速度倒转现象，即在高速层中可以夹低速层。这在地震勘探的折射法中就不能勘探。因而用这种方法可以勘探滑坡、混凝土公路面下面的岩土结构等。

(3)测量时所需的场地范围可以很小，并有着较强的抗干扰能力，即使周围有汽车或其它干扰，对仪器测量无多大影响，因而可以在市中心繁华地区或狭窄的小地区来探测。