多道瞬态面波勘察技术规程-建筑工程质量无损检测仪器,公路

中华人民共和国行业标准多道瞬态面波勘察技术规程Technicalspecificationsofmulti-channeltransientsurfacewaveinvestigationJGJ/T143-2004J370-20042004北京中华人民共和国建设部公告第260号建设部关于发布行业标准《多道瞬态面波勘察技术规程》的公告现批准《多道瞬态面波勘察技术规程》为行业标准，编号为JGT/T143-2004,自2004年12月1日起实施。本规程由建设部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行。中华人民共和国建设部2004年8月18日前言根据建设部建标[2002]84号文的要求，规程编制组在广泛调查研究，认真总结实践经验，参考有关国际先进标准，并在广泛征求意见的基础上，制定了本规程。本规程的主要技术内容是：1总则；2术语和符号；3基本规定；4仪器设备与处理软件的要求；5现场采集；6数据资料处理；7成果报告编写。本规程由建设部负责管理，由主编单位负责具体技术内容的解释。本规程主编单位：北京市水电物探研究所（地址：北京市东城区东中街58号美惠大厦A902室；邮政编码：100027）。本规程参编单位：建设综合勘察研究设计院福建省建筑设计研究院中航勘察设计研究院中交第一公路勘察设计研究院北京市地震局震害防御与工程地震研究所本规程主要起草人员：刘云祯梅汝吾任书考李哲生刘金光刘运平胡平目次1总则2术语和符号2.1术语2.2符号3基本规定4仪器设备与处理软件的要求4.1仪器设备4.2处理软件5现场采集5.1现场试验5.2测线、测点布设5.3正式采集5.4采集记录质量评价6数据资料处理6.1资料处理的主要内容6.2数据资料处理6.3面波资料的分析论证7成果报告编写7.1一般规定7.2成果报告的基本要求本规程用词说明条文说明1总则1.0.1为了规范多道瞬态面波勘察方法，保证勘察成果的精度和可靠性，提高工程投资效益、环境效益和社会效益，制定本规程。1.0.1面波勘察方法是近年来发展很快的一种物探方法，大致可分为稳态方法和瞬态方法两大类。这句话含有三层内容：○1为什么需要面波勘察方法？○2什么是稳态面波方法？○3什么是瞬态面波方法？○1为什么需要面波勘察方法？这是由于面波勘察成果具有地层高分辨的特点，同时获得地层物性的参数。面波勘察方法与以前的弹性波勘察方法相比较：例如与折射波方法、反射波方法。折射波方法的适用条件要求下伏地层的速度一定要高于其上层地层的速度，而且探查地层要有一定厚度，否则因层厚较小，造成时间距离曲线上折射波段难于识别。折射波方法测线的长度是探察地层深度的3~5倍以上。反射波方法用于浅地层探查，由于近震源处直达波、折射波、和面波的干扰，使得在地表以下约20米范围内的反射波无法识别，造成反射波方法用于岩土勘察的困难。反射波方法对地层的分辨能力依赖采集的反射波频率，例如：地层纵波速度为700~1500米/秒，可采集到反射波频率为60~100赫兹，则其波长为10~20米，以四分之一波长或八分之一波长的可分辨计算，其可分辨地层也需要几米的的厚度。对地层的分辨能力也是制约反射波方法应用的问题。瑞雷面波方法用于岩土勘察，与以往的弹性波勘察方法差别在于，它应用的不时纵波和横波，而是以前视为干扰的面波。其原理是，面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变。这种频散特性可以反映地下岩土介质的特性。瑞雷面波的特点：瑞雷面波易于激发瑞雷面波速度最低瑞雷面波在岩土介质泊松比在0.4~0.5范围内，面波速度与横波速度关系基本接近瑞雷面波对地层的分辨能力，决定于频率，频率高则分辨能力强。瑞雷面波技术的开发过程瑞雷面波在以上几个方面的特点，一直引起国内外的重视和不断的研究。二十世纪60年代初，美国密西西比陆军工程队水路试验所研究这种方法，由于当时的条件而未能成功。到二十世纪80年代，日本VIC株式会社推出GR-810后，瑞雷面波技术有了一定进展，日本的研究是稳态瑞雷面波方法。由于该方法需要一套稳态的激震设备，因此价格昂贵，设备笨重，使该方法的应用受到一定的限制。此后的一些研究集中在震源激发方面，即采用大锤激震产生震动，这方面的研究开辟了激发震源的思路，而探查的深度据搜集到的资料，往往深度较小，难于满足岩土勘察工作的需要。瑞雷面波技术成果，在地层分辨率方面的突出表现，激发进一步研究的动力。同时其成果的缺陷引发研究人员对客观事物复杂性的认识。以上几个方面对瑞雷面波的研究，由稳态到瞬态，采用两点接收，从未见到瑞雷面波在地层介质中传播在地面所接收到的面貌，即应用中瑞雷面波在时间~空间域中的形态特点。研究处于一种理性化状态。二十世纪90年代中期，北京市水电物探研究所刘云祯提出多道瞬态面波勘察与检测系统，使瑞雷面波技术的研究开创新局面，使该技术应用于岩土勘察与检测走出一条新路。刘云祯提出的多道瞬态面波方法，在震源方面：提出采用不同材质和轻重的锤子，采用落重法和炸药激振的方法；在接收方面：提出采用地震勘探中采用的多道排列的方法，例如：１２道、２４道或更多道组成的排列。由此，瑞雷面波在瞬态激振条件下的传播特征进入可视状态，为研究瑞雷面波的传播特征、面波频散的提取计算方法研究、认识瑞雷面波在传播过程中具有多组份波传播特征、以及应用瑞雷面波中的干扰等问题开创了新局面，为瞬态瑞雷面波技术的推广应用奠定基础。瑞雷面波的传播示意图：时间空间域中可视的瑞雷面波纪录面貌：上图为72道的面波采集记录：震源在左上角，同一震源下的直达波、折射波、反射波、声波和面波遵循各自的传播规律，分布在不同的位置。面波传播的特征：近震源处发育、震幅大、传播速度低。上图为多道细化采集的面波记录：以近震源、小道距、长采样、宽频率激发、低频率接收。简单面波型：在地表具有一定厚度硬层条件下采集。多轴面波型：在地表较软或较松软，而其下存在速度骤增的地层时出现。高基阶面波发育型：1为纵波的直达波和折射波；2为高阶面波；3为基阶面波。直达波、高阶面波和基阶面波源于同一震源，3个波轴同呈直线型且反向延伸归于震源点。高基阶面波发育型：图中1为纵波；2、3、4为面波：其中2为线性高阶面波，直接来源于震源；3为非线性高阶波，来源于界面反射；4为基阶面波。干扰面波的类型：上图中1为纵波；2为基阶面波；3为由界面反射回来的面波。由时距曲线图上波的旅行关系可以看出反射界面在震源的后方；由箭头所指处的非线性可以推断反射界面与测线不垂直，有一定夹角。干扰面波的类型：1为基阶面波；2为由震源后方界面反射回的面波；3为由震源前方（排列的大号端）的界面反射回的面波。干扰面波的类型：该纪录在软土地质条件下，排列下有空洞隐患的采集。干扰面波的类型：该纪录在排列下有地裂缝隐患的条件下采集。以上例举出多道排列条件下采集的面波纪录类型，在时间空间域中的面波传播表现变为可视，对于面波的传播研究和应用研究具有重大意义！稳态面波勘察技术由于设备沉重、勘探深度不大，虽然经过十余年的实践，但进展不快。而以北京市水电物探研究所生产的SWS系列为代表的多道瞬态面波仪，却以其轻便、高效、勘探深度大、重复性好、可靠性高等优势受到业界的普遍好评，呈现出了良好的发展态势。为提高工程投资效益和社会效益做出了贡献。但是，由于各仪器厂家以及使用单位，对仪器的性能指标的要求以及对方法技术本身的理解、掌握程度不一致，也出现了不注重应用条件，没有科学严谨、统一的数据处理以及解释方法，给物探方法本身带来负面影响的情况。因此，制定本规程是适时和必要的。1.0.2本规程适用于各行业利用多道瞬态面波方法进行的各类岩土工程勘察、检测。可应用于探查覆盖层厚度、划分松散地层沉积层序；探查基岩埋深和基岩界面起伏形态，划分基岩的风化带；探测构造破碎带；探测地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区；探测非金属地下管道；探测滑坡体的滑动带和滑动面起伏形态；地基动力特性测试；地基加固效果检验等。本条强调规程的范围：适用于各行业利用多道瞬态面波方法进行的各类岩土工程勘察、检测。○1探查覆盖层厚度、划分松散地层沉积层序；上图为：某建筑场地勘察成果图由面波频散曲线成果图划分8个地层：第一层：厚度2.69米，横波速度86米/秒，岩性为亚粘土；第二层：厚度2.26米，横波速度127米/秒，岩性为亚沙土；第三层：厚度3.66米，横波速度181米/秒，岩性为粘土；（软）第四层：厚度5.45米，横波速度217米/秒，岩性为粘土；（硬）第五层：厚度4.87米，横波速度252米/秒，岩性为粘土；（半坚硬）第陆层：厚度8.18米，横波速度324米/秒，岩性为细沙；第七层：厚度7.38米，横波速度348米/秒，岩性为含砾中细沙；第八层：厚度18.59米，横波速度388米/秒，岩性为砾沙；成果图中面波频散曲线具有以下特征：○1面波频散曲线拐点明确；○2面波频散曲线的层斜率就有明显差异；○3面波频散曲线上频散点的疏密变化明显。场地土类别的判断：15米以上地层的平均横波速度为：(2.69*86+2.26*127+3.66*181+5.45*217+0.94*252)/15=173(米/秒)根据《岩土工程勘察规范》，该波速Vs=173米/秒大于140米/秒，小于250米/秒，场地土类别应定为中软场地土。上图采集地点为：甘肃兰州北九州开发区，采集地点照片见右上图。采集记录的场地条件：原先为冲沟，是照片右上角“箭头处”所指冲沟的下段，经挖坡上黄土回填整平。左上彩色图为15个测点的面波频散曲线，经过SWS多道瞬态面波处理软件处理，绘制的等速度物性彩色剖面。左下图为物性彩色剖面图的地质解释成果图。解释成果与原冲沟地貌完全一致。回填黄土的密实度有差异，下部密实些，上部密实性稍差，在地质解释图上也可以分辨出来。○2基岩埋深和基岩界面起伏形态的探查上图为大连七台合热电厂勘察成果图。图中的照片为地基开挖形成的剖面，箭头处为老回填土与强风化基岩的界限。上图中的彩色图为面波物性彩色剖面图，图中黄色与绿色界限的形态与照片箭头所指处的基岩界面起伏形态完全相似，彩色图解释的基岩埋深与现场实地测量基本吻合。○3划分基岩的风化带；探测构造破碎带；上图资料的采集地点为：云南思茅-小勐养线高速公路隧道勘察，隧道岩性为花岗岩。仪器采集参数为：采样点数：1024；采样间隔：0.5ms;测线布置为：测线沿隧道轴线布置，在隧道的进口与出口段面波测点间距是12米；在隧道的洞深段面波测点间距是24米；激发震源方式为：炸药激震方式，控制勘察深度80米。彩色等速度剖面解释：视速度小于500米/秒解释为覆盖层（含残坡积土）；视速度大于500米/秒，小于700米/秒解释为强风化花岗岩层；波速大于700米/秒解释为中风化花岗岩层；彩色等速度剖面中的箭头处低速带深切中风化花岗岩层，解释为断层破碎带。以上由面波成果解释的地质结论经过钻孔验证完全吻合。同时利用面波测试成果计算各类岩体的动剪切模量、动弹性模量、动泊松比、和岩体完整性系数，对隧道围岩分类作出推断。○4地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区探测；上图采集资料为：甘肃兰州中川机场扩建工程地下空洞探查，洞穴的成因是近200年农民采砂保墒所至。由于是人为期活动造成，所以洞的大小、深浅规律性很差，造成探查的困难。经过多种物探手段的对比，确定采用多道瞬态面波方法。在0.93km2范围内共布设物探测线249km，发现物探异常126处，经2989个验证孔，和15632m钻探与静探测试验证，确定暗埋塌落空洞型砂井、砂巷共118个，其中空洞6处，最大空洞体积200m3；该工程物探勘察获全国第七届优秀工程勘察银奖。在空洞上方的面波频散曲线特征表现为：频散曲线在洞顶位置发生向低速度拐折的明显特征，而无空洞的地层频散曲线，视地层速度向深部延伸，曲线是连续的。○5探测滑坡体的滑动带和滑动面起伏形态；上图采集地点为：山西安太堡煤矿，煤层相对于砂页岩地层是低速度地层，可以视为工程岩体的软弱层，在面波频散曲线上深度30米和50米处，表现为明显的低速度带。上图采集地点位：云南嵩明-待补高速公路某滑坡段探查，施工中表现为坡面土发生滑坡，经过瞬态面波方法勘察