工程物探基礎(chǔ)方法及案例分析

反射波法、折射波和透射波法在工程勘查中的根底方法原理及事實上測案例分析前言地震勘探是通過瞧測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。地震勘探是鉆探前勘測石油與天然氣資源的重要手段。在煤田和工程地質(zhì)勘察、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面，地震勘探也得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，對某些類型的金屬礦的勘查也有選擇地采納了地震勘探方法。目前的流行的地震勘探方法要緊有反射波法、折射波法、透射波法、瑞雷波法和樁基無損檢測法。本人認(rèn)為樁基無損檢測法實際上也是應(yīng)用地震波發(fā)射波法檢測樁基的完整性，故在本文中擅自將樁基無損檢測法回納進(jìn)反射波法當(dāng)中。二、正文1、反射波法的應(yīng)用反射波法是利用地震反射波進(jìn)行地質(zhì)勘探的方法。通常在激發(fā)點四面，即深層折射波的盲區(qū)以內(nèi)接收反射波。在巨厚沉積巖分布的地區(qū)，一般在幾公里的深度范圍內(nèi)能有幾個到幾十個反射界面，故能具體研究淺、中、深層地質(zhì)構(gòu)造。依據(jù)反射波的資料，可求地震波在覆蓋層的傳播速度和大段地層的層速度，進(jìn)而能正確地求得界面的埋躲深度并進(jìn)行大段的地層比照。由于反射波法一般在激發(fā)點四面瞧測，受激發(fā)時產(chǎn)生的干擾及地表結(jié)構(gòu)的礙事較大，故隨時都必須注重消除干擾，以獵取質(zhì)量良好的反射資料。1、1樁基無損性檢測下面例舉利用地震反射波法進(jìn)行樁基完整性檢測的試驗:1、1、1樁基無損性檢測原理樁根底是建筑結(jié)構(gòu)工程重要的根底形式之一,由于工程地質(zhì)及施工技術(shù)等方面的緣故,局部樁常出現(xiàn)斷裂、離析、夾泥、縮頸,嚴(yán)重礙事基樁的承載力。為了保證工程質(zhì)量,需要對基樁進(jìn)行檢測。關(guān)于樁基的低應(yīng)變動態(tài)檢測通常采納低應(yīng)變反射波法。它的要緊檢測方法是通過鼓舞錘在樁頂施加激振力,在樁頂產(chǎn)生壓縮波。該波沿樁身向下傳播過程中,碰到不連續(xù)界面、截面大小發(fā)生變化至樁底時,由于波阻抗發(fā)生變化,將產(chǎn)生反射波。利用傳感器、信號線及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將反射波的時程、幅值和波形特征記錄下來,然后通過分析系統(tǒng)來判定樁的完整性情況。反射波法的理論根底是一維動搖理論,當(dāng)彈性波沿著垂直截面的方向從一種介質(zhì)到另一阻抗不同的介質(zhì),在界面將會產(chǎn)生擾動,分不以反射波和透射波在兩種介質(zhì)中傳播?！矖U的一維動搖微分方程〕〔通解采納行波形式〕波的阻抗其中ρ為樁的質(zhì)量密度,c為波速,A為面積,依據(jù)阻抗發(fā)生變化界面處的連續(xù)條件可得:其中Z1和Z2分不樁界面變化處的上、下部的阻抗。當(dāng)VR與VI同號,講明反射波和進(jìn)射波同相位,即Z1>Z2,樁阻抗由大變小,此處樁發(fā)生了斷裂、砼離析、夾泥、縮頸或摩擦樁底反射。當(dāng)VR與VI異號,講明反射波和進(jìn)射波反相位,即Z2>Z1,樁阻抗由小變大,此處樁發(fā)生了嵌巖樁底反射或擴(kuò)頸。假設(shè)樁為一維線彈性桿,其長度為L,橫截面積為A,彈性模量為E,質(zhì)量密度為ρ,彈性波速為C(C=E/ρ),廣義波阻抗為Z=AρC;推導(dǎo)可得樁的一維動搖方程:假設(shè)樁中某處阻抗發(fā)生變化,當(dāng)應(yīng)力波從介質(zhì)Ⅰ(阻抗為Z1)進(jìn)進(jìn)介質(zhì)Ⅱ(阻抗為Z2)時,將產(chǎn)生速度反射波Vr和速度透射波Vt。令樁身質(zhì)量完好系數(shù)β=Z2/Z1,那么有缺陷的程度依據(jù)缺陷反射的幅值定性確定,缺陷位置依據(jù)反射波的時刻tx由下式確定1、1、2樁基無損性檢測實例分析廣東省東莞市某單位擬建三層廠房、六層宿舍各一幢,根底份采納錘擊沉管灌注樁,樁徑為480mm,設(shè)計樁長,單設(shè)計承載力值為600kN,施工總樁數(shù)為410根樁。依據(jù)該工程巖土工程地質(zhì)勘察報告資料,該場地的地層由上而下要緊素土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、中砂及中粗砂組成,下伏基巖為質(zhì)泥巖,樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。依據(jù)有關(guān)要求某地質(zhì)勘察院院對中62根工程樁進(jìn)行了低應(yīng)變反射波法檢測,檢測結(jié)果為:Ⅰ類7根,Ⅱ類樁46根,Ⅲ類樁5根,Ⅳ類樁4根,反映出該工程樁施工的整體質(zhì)量是比立差的。下面就樁身實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖進(jìn)行分析：(1)、樁身全然完整型樁波型曲曲折折曲曲折折折折線特征某廠房2、30樁波形曲曲折折曲曲折折折折線圖1和圖2,據(jù)此能夠瞧出這兩根樁的波形曲曲折折曲曲折折折折線,樁底反射明顯,沒有明顯的樁間反射波出現(xiàn),依據(jù)樁底反射波的時刻計算的縱波速度正常,講明樁身質(zhì)量良好。圖1廠房2樁實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖圖2廠房30樁實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖(2)、樁身存在嚴(yán)重缺陷型樁波型曲曲折折曲曲折折折折線特征從圖3、圖4、和圖5的波形記錄曲曲折折曲曲折折折折線能夠清晰的瞧到廠房113樁及宿舍30、7這三根樁在約左右的地點均出現(xiàn)明顯的樁間同相反射波,且屢次反射明顯,講明在此位置樁身存在嚴(yán)重缺陷(經(jīng)開挖均得到證實)。圖3廠房113樁實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖圖4宿舍樓30樁實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖圖5宿舍樓7樁實測波形曲曲折折曲曲折折折折線圖1、1、3由樁基無損性檢測結(jié)果而得出的結(jié)論低應(yīng)變反射波法基樁完整性測試技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、快速、方便等優(yōu)點,是目前已成熟的普遍采納的一種基樁普查手段,在工程樁的檢測驗收中已得到廣泛的應(yīng)用,通過檢測和分析樁間反射波的傳播時刻、幅值大小和波形記錄的相位特征等因素,便可較正確的判定樁身存在的缺陷的類型及缺陷的嚴(yán)重程度,判定基樁的成樁質(zhì)量,本實例確實是根基特別好的講明。1、2反射波法在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用1、2、1反射波法在地質(zhì)勘探中的全然原理及解釋方法反射波在地震勘探中的資料的解釋：由于反射法數(shù)據(jù)處理最終得到的是反射時刻剖面，因此，反射波資料的解釋也確實是根基對地震時刻剖面的解釋。同相軸的起伏能定性地表現(xiàn)反射界面的產(chǎn)狀變化：；時刻剖面不一定是地質(zhì)剖面，首先時刻剖面中顯示不出波阻抗為零的地質(zhì)界面，因此地質(zhì)界面有可能多于反射界面，其次同一巖性的地層有可能存在不同的物性界面〔如水.氣，油.水分界面〕，因此地質(zhì)界面有可能少于反射界面，再者時刻剖面不等于深度剖面，如繞射波、回轉(zhuǎn)波等，會造成各種假想。在時刻剖面上，反射層位表現(xiàn)為同相軸的形式。在地震記錄上，相同相位〔要緊指波峰和波谷〕的連線喊做同相軸。因如今刻剖面上反射波的追蹤實際上就變?yōu)橥噍S的比照。反射波識不比照有三個標(biāo)志，其一是振幅標(biāo)志。來自反射界面的反射波具有顯著增強(qiáng)的特征，且水平疊加次數(shù)走越多，這種特征越明顯。如圖〔〕所示：其二是波形標(biāo)志同一界面的反射波在相鄰地震道上波形相似〔包括視周期、相位個數(shù)、振幅等〕。最后是相位標(biāo)志因為有效波記錄時刻已校正為同一基準(zhǔn)面上接收的t0時刻，因此，來自同一界面的反射波相同波峰相位的連線與相應(yīng)的反射界面段的形態(tài)相似。實際比照中我們往往將垂直構(gòu)造走向、信噪比高、同相軸連續(xù)性好的測線，做為主測線開始比照。而振幅強(qiáng)、同相軸連續(xù)性好、可在整個工區(qū)內(nèi)連續(xù)追蹤的目標(biāo)反射層，即是標(biāo)志層，我們作為重點比照對象。沿測線閉合圈比照〔剖面的閉合〕往往是保證比照質(zhì)量的可靠方法，其在測線的交點處t0時刻應(yīng)該相等。水平疊加存在偏移咨詢題，當(dāng)構(gòu)造較復(fù)雜時，波與波出現(xiàn)歪交，其中的偏移剖面也能夠作為比照。向歪、背歪、斷裂等特不構(gòu)造會形成回轉(zhuǎn)波、發(fā)散波、繞射波和斷面波等，這些特不波在時刻剖面上的空間分布，回聲時刻的大小、振幅的強(qiáng)弱、同相軸的連續(xù)性構(gòu)成了地震波場。依據(jù)地震剖面和有限的鉆探數(shù)據(jù)，我們能夠全然上有效的分析剖面數(shù)據(jù)，確定地層分布及厚度、斷層的分布等。一般用井孔資料的地震分層深度測算，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時刻反響在地震剖面上。地震反射波同軸相的錯斷，同相軸產(chǎn)狀突變，反射零亂或出現(xiàn)空白帶，均是斷層分布的有效證據(jù)。同相軸數(shù)目突增或消逝，波組間隔突變是由于斷層上升盤沉積地層少，而在下落盤易形成沉落中心，沉積了較厚、較全的地層造成。以此我們?nèi)簧夏軌蚺卸〝鄬拥奈恢谩⒋笾伦呦颉鄬用婕皵鄬拥纳舷卤P、斷層的寬度等等。當(dāng)測線與斷層走向垂直時，地震剖面上斷層的傾角為真傾；而當(dāng)測線與斷層面歪交時，我們能夠得到斷層面的視傾角，視傾角能夠轉(zhuǎn)換為真傾角。最后我們能夠依據(jù)地震剖面繪制地質(zhì)解釋剖面：1、2、2反射波法在地震勘探中的應(yīng)用實例：為探測康定木格措七色海四面是否存在一條隱伏斷裂,進(jìn)行了淺層地震勘探,將所得的原始時刻記錄經(jīng)資料處理得到以下地震時刻記錄(如圖)。圖2康定木格措地震時刻剖面結(jié)合該區(qū)地質(zhì)調(diào)查及工程地質(zhì)勘探結(jié)果,繪出了地質(zhì)解釋圖(如圖)。結(jié)合圖2、圖3分析可知:第一層位于地表和近地表,厚度較薄,僅數(shù)米至十余米,剖面西側(cè)的波速為1500mP秒,為坡洪積物;剖面東側(cè)的波速僅900mP秒,反映的是七色海沼相淤泥質(zhì)沉積物。第二層底界面埋深約120～180m,波速值為2000～2600mP秒,為該地區(qū)較厚的晚更新世冰磧物的具體反映。第三層波速值大于3800mP秒,為該地區(qū)廣泛出露的花崗混合巖,其頂面具起伏特征,總體來講埋深是西深東淺。從圖2分析可知,在55號CDP點四面的反射波同相軸產(chǎn)生了明顯的不連續(xù),尤其是在反映基巖界面的反射波同相軸錯斷更為明顯,基巖頂面垂直位錯約為20～25m,其間斷寬度約在15～25m之間,應(yīng)為七色海斷裂在測線剖面上的具體反映。從該剖面可見,七色海斷裂的斷面略向西傾,具正斷層性質(zhì)。在主斷面上盤的35號CDP四面,還發(fā)育有一條規(guī)模相對較小的次級斷裂,破裂帶寬度約8～10m,東盤相對上沖,導(dǎo)致基巖頂面垂直位錯了5m左右,分析是由于主斷面上盤下掉時所導(dǎo)致的構(gòu)造效應(yīng)。2、折射波法的應(yīng)用2、1折射波法的全然原理及方法折射波法是利用地震折射波進(jìn)行地質(zhì)勘探的方法。由于折射波首先到達(dá)地面，因此輕易瞧測和識不。但必須在盲區(qū)以外接收它。通過折射波法能夠求得界面速度，從而了解折射界面的巖石成分，進(jìn)行地層比照等。折射波法對激發(fā)條件的要求不如反射波法嚴(yán)格，干擾背景較小，不必使用自動振幅操縱和混波等措施，故可充分利用波的動山學(xué)特點，關(guān)于確定斷層，煤田邊界效果較好。折射波法能夠瞧測從幾公尺的淺界面到幾十公里的深界面。但此法局限性較大：折射波相互干預(yù)、置換(一個波代替另一個波)嚴(yán)重：它不能獨立求得覆蓋層的波速，難以研究受屏蔽現(xiàn)象礙事的地層；也不宜于勘探大傾角構(gòu)造；隨著勘探深度加大，使施工復(fù)雜，炸藥量消耗增大等等。因此，要依據(jù)具體情況應(yīng)用，或與反射波法配合應(yīng)用。2、2折射波法的應(yīng)用實例以下例舉折射波法在邊坡巖體卸載風(fēng)化分帶中的應(yīng)用，在此例中我們將用到小排列折射波法測試。下面講述小排列折射波法測試的全然原理及算法。2、2、1小排列折射波法原理勘探平硐爆破開挖后,受到爆破動荷、應(yīng)力釋放和調(diào)整等綜合礙事,將在硐室四面形成一定范圍的、巖體波速明顯落低的爆破松動層。這為折射波法測試原狀巖體波速提供了前提條件。假定硐室爆破松動層和未擾動層(原狀巖體)之間存在波阻抗差異界面,界面以上為松動層巖體,波速V1,界面以下為原狀巖體,波速為V2,有V2>V1。在二層介質(zhì)模型中,彈性波將按圖1所示的三種路徑進(jìn)行傳播。圖示可知:直達(dá)波和反射波均在松動層內(nèi)以波速V1傳播,直達(dá)波傳播距離短,總是比反射波先到達(dá)接收點。而折射波在松動層內(nèi)以波速V1傳播,在界面處以原狀巖體波速V2將沿界面滑行。依上所述,能夠明白只有折射波才能獲得原狀巖體波速。由于V2>V1,當(dāng)偏移距足夠大時,折射波將比直達(dá)波先到達(dá)接收點。考察折射波最先到達(dá)的情況,以兩接收道為例,各接收道初至波到達(dá)時刻T:當(dāng)X特別小時,認(rèn)為硐壁外表地形高差和松動層厚度變化不大,那么L3=L4,式(3)可改寫成式中:T1,T2分不為第1、第2道折射波到達(dá)時刻,單位μs,直截了當(dāng)從接收波形中讀取;X為兩接收道之間的距離。利用式(4)可計算接收道間原狀巖體的波速V2。小排列折射波法要求記錄儀具有高采樣率,采樣間隔應(yīng)小于5μs,接收換能器應(yīng)具有寬頻帶高頻,一般為加速度傳感器,接收道為2～3道,道間距1～2m,整個排列長度<10m。能夠靈活方便地調(diào)整接收道的位置,有效減少平硐外表地形變化和松動層厚度變化對測試結(jié)果精度的礙事。2、2、2應(yīng)用小排列折射波法地區(qū)地質(zhì)慨況清江水布埡水利樞紐下游峽谷出口處的馬崖自然高邊坡,坡頂高程546m,坡足高程196m,邊坡陡峭。擬建的地下廠房尾水硐群將從馬崖懸崖之下出口。邊坡近東西走向。以高程200～350m為界,以下為多軟層、多剪切帶、多層面的二疊系馬鞍煤系(P1ma)與泥盆系寫經(jīng)寺組(D3x)、黃家蹬組(D3h)砂、頁巖組成的約30°緩坡;以上為剪切帶發(fā)育的二疊系棲霞組(P1q)和第4組(P1m)灰?guī)r組成的懸崖,屬典型的上硬下軟的不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)。馬崖高邊坡岸坡卸荷裂隙極為發(fā)育,已形成多處大規(guī)模的危巖體和處于臨空狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體,這些工程地質(zhì)咨詢題的存在嚴(yán)重礙事了邊坡的穩(wěn)定性。因此,須對邊坡卸荷風(fēng)化帶厚度加以細(xì)致研究,方能在此根底上設(shè)計出平安、經(jīng)濟(jì)和合理的工程處理措施。2、2、3應(yīng)用折射波法及數(shù)據(jù)處理分析利用不同高程上的PD8、PD52和PD70三個平硐開展小排列折射波法測試工作。測線布置在平硐側(cè)壁上,方向與硐軸線平行。偏移距由試驗和勘探平硐大小綜合確定,一般為5～10m。2～3道接收,道間距1～2m。錘擊振源,100Hz的檢波器,采集儀器為高采樣率的地震儀,采樣間隔1～5μs,屢次錘擊疊加。1個排列(炮點和所有接收道組成)測試結(jié)束后,整個排列向測線方向移動1m,直至整個平硐測試結(jié)束。測試成果見圖2至圖4。從圖中能夠瞧出,波速曲曲折折曲曲折折折折線呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,即波速隨硐深增加有增大趨勢,在不同深度處波速出現(xiàn)明顯突變點。波速出現(xiàn)突變點的因素要緊有原狀巖體中的節(jié)理裂隙和巖體卸荷風(fēng)化作用,前者使局部巖體波速落低;后者受其礙事程度不同,近邊坡段,卸荷風(fēng)化作用強(qiáng),巖體波速落低幅度大,遠(yuǎn)邊坡段,卸荷風(fēng)化作用小,巖體波速落低幅度小,邊坡距增大,波速呈增大趨勢,最后趨于穩(wěn)定。PD52平硐硐深0～15m,波速在1500m/s動搖;15m處,波速從1500m/s上升到2800m/s,并在該波速四面上下動搖,變化幅度為±200m/s;31m處,波速從2800m/s上升到4100m/s,并在4100m/s四面維持小幅動搖,因此,15m和31m兩突變點是由卸荷風(fēng)化作用引起的;PD8平硐波速曲曲折折曲曲折折折折線具有PD52平硐同樣的規(guī)律性。PD70平硐在硐口段,波速呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢,9～33m巖體波速在3250m/s左右上下動搖,33.0m處,波速增加到4500m/s,37～52m為波速落低,52m以后波速增大到4500m/s,講明9m和33m兩突變點是由卸荷風(fēng)化作用引起的,而37m和52m兩突變點是由節(jié)理裂隙引起的。依據(jù)卸荷風(fēng)化作用引起的波速突變點,對巖體波速進(jìn)行分段統(tǒng)計,見表1。利用波速進(jìn)行巖體分帶,國內(nèi)外早就已采納。表2為國內(nèi)外具有代表性的巖體彈性波波速分帶標(biāo)準(zhǔn)。在以往研究成果的根底上,依據(jù)馬崖邊坡的工程地質(zhì)特征、同類工程經(jīng)驗類比以及該工程前期大量巖體波速測試資料的根底,并考慮折射波法是在特定地質(zhì)構(gòu)造的平硐內(nèi)進(jìn)行的,各種局部地質(zhì)和現(xiàn)場條件對巖體波速的礙事,提出了適應(yīng)本工程的巖體彈性波波速分帶標(biāo)準(zhǔn)建議值,見表3。依據(jù)波速分段統(tǒng)計結(jié)果,對馬崖邊坡巖體按強(qiáng)卸荷風(fēng)化帶、弱卸荷風(fēng)化帶和微卸荷風(fēng)化帶進(jìn)行分帶。0至拐點1為強(qiáng)卸荷風(fēng)化帶,厚度為8～15m;拐點1至拐點2為弱卸荷風(fēng)化帶,厚度16～52m;拐點2至硐底為微新帶。圖5為卸荷風(fēng)化帶沿邊坡高程的分布圖。從圖中能夠瞧出:卸荷風(fēng)化帶厚度在豎立邊坡處到達(dá)最大。邊坡巖體特性分析依據(jù)分帶結(jié)果,受卸荷風(fēng)化作用礙事較小的微新帶巖體波速:PD52平硐為4090m/s,PD8平硐為4330m/s,PD70平硐為4100m/s,由于PD70平硐37～52m存在節(jié)理裂隙帶,導(dǎo)致微新巖體波速統(tǒng)計值偏低,假設(shè)不考慮結(jié)構(gòu)面對波速的礙事,PD70平硐波速應(yīng)在4500m/s。微新帶巖體的波速沿邊坡高程增加有增大趨勢,反映了馬崖邊坡巖體上硬下軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在分帶的根底上,結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗結(jié)果,采納國家標(biāo)準(zhǔn)?工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)?(GB50218-94)[11]對巖體質(zhì)量進(jìn)行評價。圖6為巖體質(zhì)量BQ與邊坡距的關(guān)系。由圖可知:馬崖邊坡強(qiáng)卸荷風(fēng)化帶巖體一般為Ⅳ上,弱卸荷風(fēng)化帶巖體質(zhì)量為Ⅲ級,新奇巖體為Ⅱ級或Ⅲ上。3、透射波法的應(yīng)用在工程地震勘探中，透射波法要緊用于地震測井〔地面與井之間的透射〕地面與地面之間凸起介質(zhì)體的勘查和井與井之間地層介質(zhì)體的勘查。地質(zhì)目的不同，所采納的方法手段也不同。從原理上講，均是采納透射波理論，利用波傳播的初至?xí)r刻，反演表征巖土介質(zhì)的巖性、物性等特性以及差異的速度場，為工程地質(zhì)遺跡地震工程等提供根底資料或直截了當(dāng)解決其咨詢題。下面簡要表達(dá)穿孔透射波法在水泥攪拌樁質(zhì)量檢測中的應(yīng)用。如圖〔〕所示儀器裝置，各個位置的傳感器都能夠接收到經(jīng)由樁傳過來的脈沖。脈沖由錘子在根底上部激振產(chǎn)生。其中錘子和一個精確觸發(fā)裝置相連接，錘子一接觸根底，儀器即開始記錄。隨后，聲波沿