工程物探基础方法及案例分析

反射波法、折射波和透射波法在工程勘查中的基础方法原理及其实测案例分析一、前言地震勘探是通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段。在煤田和工程地质勘察、区域地质研究和地壳研究等方面，地震勘探也得到广泛应用。20世纪80年代以来，对某些类型的金属矿的勘查也有选择地采用了地震勘探方法。目前的流行的地震勘探方法主要有反射波法、折射波法、透射波法、瑞雷波法和桩基无损检测法。本人认为桩基无损检测法实际上也是应用地震波发射波法检测桩基的完整性，故在本文中擅自将桩基无损检测法归纳入反射波法当中。二、正文1、反射波法的应用反射波法是利用地震反射波进行地质勘探的方法。通常在激发点附近，即深层折射波的盲区以内接收反射波。在巨厚沉积岩分布的地区，一般在几公里的深度范围内能有几个到几十个反射界面，故能详细研究浅、中、深层地质构造。根据反射波的资料，可求地震波在覆盖层的传播速度和大段地层的层速度，进而能准确地求得界面的埋藏深度并进行大段的地层对比。由于反射波法一般在激发点附近观测，受激发时产生的干扰及地表结构的影响较大，故随时都必须注意消除干扰，以获取质量良好的反射资料。1、1桩基无损性检测下面例举利用地震反射波法进行桩基完整性检测的试验:1、1、1桩基无损性检测原理桩基础是建筑结构工程重要的基础形式之一,由于工程地质及施工技术等方面的原因,部分桩常出现断裂、离析、夹泥、缩颈,严重影响基桩的承载力。为了保证工程质量,需要对基桩进行检测。对于桩基的低应变动态检测通常采用低应变反射波法。它的主要检测方法是通过激励锤在桩顶施加激振力,在桩顶产生压缩波。该波沿桩身向下传播过程中,遇到不连续界面、截面大小发生变化至桩底时,由于波阻抗发生变化,将产生反射波。利用传感器、信号线及数据采集系统将反射波的时程、幅值和波形特征记录下来,然后通过分析系统来判定桩的完整性情况。反射波法的理论基础是一维波动理论,当弹性波沿着垂直截面的方向从一种介质到另一阻抗不同的介质,在界面将会产生扰动,分别以反射波和透射波在两种介质中传播。（杆的一维波动微分方程）（通解采用行波形式）波的阻抗其中ρ为桩的质量密度,c为波速,A为面积,根据阻抗发生变化界面处的连续条件可得:其中Z1和Z2分别桩界面变化处的上、下部的阻抗。当VR与VI同号,说明反射波和入射波同相位,即Z1Z2,桩阻抗由大变小,此处桩发生了断裂、砼离析、夹泥、缩颈或摩擦桩底反射。当VR与VI异号,说明反射波和入射波反相位,即Z2Z1,桩阻抗由小变大,此处桩发生了嵌岩桩底反射或扩颈。假设桩为一维线弹性杆,其长度为L,横截面积为A,弹性模量为E,质量密度为ρ,弹性波速为C(C=E/ρ),广义波阻抗为Z=AρC;推导可得桩的一维波动方程:假设桩中某处阻抗发生变化,当应力波从介质Ⅰ(阻抗为Z1)进入介质Ⅱ(阻抗为Z2)时,将产生速度反射波Vr和速度透射波Vt。令桩身质量完好系数β=Z2/Z1,则有缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定,缺陷位置根据反射波的时间tx由下式确定1、1、2桩基无损性检测实例分析广东省东莞市某单位拟建三层厂房、六层宿舍各一幢,基础份采用锤击沉管灌注桩,桩径为480mm,设计桩长17.00m,单设计承载力值为600kN,施工总桩数为410根桩。根据该工程岩土工程地质勘察报告资料,该场地的地层由上而下主要素土、粉质粘土、淤泥质粉细砂、中砂及中粗砂组成,下伏基岩为质泥岩,桩端持力层为强风化砂质泥岩。根据有关要求某地质勘察院院对中62根工程桩进行了低应变反射波法检测,检测结果为:Ⅰ类7根,Ⅱ类桩46根,Ⅲ类桩5根,Ⅳ类桩4根,反映出该工程桩施工的整体质量是比较差的。下面就桩身实测波形曲线图进行分析：(1)、桩身基本完整型桩波型曲线特征某厂房2、30桩波形曲线图1和图2,据此可以看出这两根桩的波形曲线,桩底反射明显,没有明显的桩间反射波出现,根据桩底反射波的时间计算的纵波速度正常,说明桩身质量良好。图1厂房2桩实测波形曲线图图2厂房30桩实测波形曲线图(2)、桩身存在严重缺陷型桩波型曲线特征从图3、图4、和图5的波形记录曲线可以清晰的看到厂房113桩及宿舍30、7这三根桩在约2.0m左右的地方均出现明显的桩间同相反射波,且多次反射明显,说明在此位置桩身存在严重缺陷(经开挖均得到证实)。图3厂房113桩实测波形曲线图图4宿舍楼30桩实测波形曲线图图5宿舍楼7桩实测波形曲线图1、1、3由桩基无损性检测结果而得出的结论低应变反射波法基桩完整性测试技术具有经济、快速、方便等优点,是目前已成熟的普遍采用的一种基桩普查手段,在工程桩的检测验收中已得到广泛的应用,通过检测和分析桩间反射波的传播时间、幅值大小和波形记录的相位特征等因素,便可较准确的判断桩身存在的缺陷的类型及缺陷的严重程度,判断基桩的成桩质量,本实例就是很好的说明。1、2反射波法在地质勘探中的应用1、2、1反射波法在地质勘探中的基本原理及解释方法反射波在地震勘探中的资料的解释：由于反射法数据处理最终得到的是反射时间剖面，因此，反射波资料的解释也就是对地震时间剖面的解释。同相轴的起伏能定性地表现反射界面的产状变化：；时间剖面不一定是地质剖面，首先时间剖面中显示不出波阻抗为零的地质界面，因此地质界面有可能多于反射界面，其次同一岩性的地层有可能存在不同的物性界面（如水.气，油.水分界面），因此地质界面有可能少于反射界面，再者时间剖面不等于深度剖面，如绕射波、回转波等，会造成各种假想。在时间剖面上，反射层位表现为同相轴的形式。在地震记录上，相同相位（主要指波峰和波谷）的连线叫做同相轴。所以时间剖面上反射波的追踪实际上就变为同相轴的对比。反射波识别对比有三个标志，其一是振幅标志。来自反射界面的反射波具有显著增强的特征，且水平叠加次数走越多，这种特征越明显。如图（）所示：其二是波形标志同一界面的反射波在相邻地震道上波形相似（包括视周期、相位个数、振幅等）。最后是相位标志因为有效波记录时间已校正为同一基准面上接收的t0时间，因此，来自同一界面的反射波相同波峰相位的连线与相应的反射界面段的形态相似。实际对比中我们往往将垂直构造走向、信噪比高、同相轴连续性好的测线，做为主测线20tVh开始对比。而振幅强、同相轴连续性好、可在整个工区内连续追踪的目标反射层，即是标志层，我们作为重点对比对象。沿测线闭合圈对比（剖面的闭合）往往是保证对比质量的可靠方法，其在测线的交点处t0时间应该相等。水平叠加存在偏移问题，当构造较复杂时，波与波出现斜交，其中的偏移剖面也可以作为对比。向斜、背斜、断裂等特殊构造会形成回转波、发散波、绕射波和断面波等，这些特殊波在时间剖面上的空间分布，回声时间的大小、振幅的强弱、同相轴的连续性构成了地震波场。根据地震剖面和有限的钻探数据，我们可以基本上有效的分析剖面数据，确定地层分布及厚度、断层的分布等。一般用井孔资料的地震分层深度测算，转换成相应的时间反应在地震剖面上。地震反射波同轴相的错断，同相轴产状突变，反射零乱或出现空白带，均是断层分布的有效证据。同相轴数目突增或消失，波组间隔突变是由于断层上升盘沉积地层少，而在下降盘易形成沉降中心，沉积了较厚、较全的地层造成。以此我们基本上可以判断断层的位置、大致走向、断层面及断层的上下盘、断层的宽度等等。当测线与断层走向垂直时，地震剖面上断层的倾角为真倾；而当测线与断层面斜交时，我们可以得到断层面的视倾角，视倾角可以转换为真倾角。最后我们可以根据地震剖面绘制地质解释剖面：1、2、2反射波法在地震勘探中的应用实例：为探测康定木格措七色海附近是否存在一条隐伏断裂,进行了浅层地震勘探,将所得的原始时间记录经资料处理得到以下地震时间记录(如图)。图2康定木格措地震时间剖面结合该区地质调查及工程地质勘探结果,绘出了地质解释图(如图)。结合图2、图3分析可知:第一层位于地表和近地表,厚度较薄,仅数米至十余米,剖面西侧的波速为1500mP秒,为坡洪积物;剖面东侧的波速仅900mP秒,反映的是七色海沼相淤泥质沉积物。第二层底界面埋深约120～180m,波速值为2000～2600mP秒,为该地区较厚的晚更新世冰碛物的具体反映。第三层波速值大于3800mP秒,为该地区广泛出露的花岗混合岩,其顶面具起伏特征,总体来说埋深是西深东浅。从图2分析可知,在55号CDP点附近的反射波同相轴产生了明显的不连续,尤其是在反映基岩界面的反射波同相轴错断更为明显,基岩顶面垂直位错约为20～25m,其间断宽度约在15～25m之间,应为七色海断裂在测线剖面上的具体反映。从该剖面可见,七色海断裂的断面略向西倾,具正断层性质。在主断面上盘的35号CDP附近,还发育有一条规模相对较小的次级断裂,破碎带宽度约8～10m,东盘相对上冲,导致基岩顶面垂直位错了5m左右,分析是由于主断面上盘下掉时所导致的构造效应。2、折射波法的应用2、1折射波法的基本原理及方法折射波法是利用地震折射波进行地质勘探的方法。由于折射波首先到达地面，所以容易观测和识别。但必须在盲区以外接收它。通过折射波法可以求得界面速度，从而了解折射界面的岩石成分，进行地层对比等。折射波法对激发条件的要求不如反射波法严格，干扰背景较小，不必使用自动振幅控制和混波等措施，故可充分利用波的动山学特点，对于确定断层，煤田边界效果较好。折射波法能够观测从几公尺的浅界面到几十公里的深界面。但此法局限性较大：折射波相互干涉、置换(一个波代替另一个波)严重：它不能独立求得覆盖层的波速，难以研究受屏蔽现象影响的地层；也不宜于勘探大倾角构造；随着勘探深度加大，使施工复杂，炸药量消耗增大等等。因此，要根据具体情况应用，或与反射波法配合应用。2、2折射波法的应用实例以下例举折射波法在边坡岩体卸载风化分带中的应用，在此例中我们将用到小排列折射波法测试。下面讲述小排列折射波法测试的基本原理及算法。2、2、1小排列折射波法原理勘探平硐爆破开挖后,受到爆破动荷、应力释放和调整等综合影响,将在硐室周围形成一定范围的、岩体波速明显降低的爆破松动层。这为折射波法测试原状岩体波速提供了前提条件。假定硐室爆破松动层和未扰动层(原状岩体)之间存在波阻抗差异界面,界面以上为松动层岩体,波速V1,界面以下为原状岩体,波速为V2,有V2V1。在二层介质模型中,弹性波将按图1所示的三种路径进行传播。图示可知:直达波和反射波均在松动层内以波速V1传播,直达波传播距离短,总是比反射波先到达接收点。而折射波在松动层内以波速V1传播,在界面处以原状岩体波速V2将沿界面滑行。依上所述,可以知道只有折射波才能获得原状岩体波速。由于V2V1,当偏移距足够大时,折射波将比直达波先到达接收点。考察折射波最先到达的情况,以两接收道为例,各接收道初至波到达时间T:当X很小时,认为硐壁表面地形高差和松动层厚度变化不大,则L3=L4,式(3)可改写成式中:T1,T2分别为第1、第2道折射波到达时间,单位μs,直接从接收波形中读取;X为两接收道之间的距离。利用式(4)可计算接收道间原状岩体的波速V2。小排列折射波法要求记录仪具有高采样率,采样间隔应小于5μs,接收换能器应具有宽频带高频,一般为加速度传感器,接收道为2～3道,道间距1～2m,整个排列长度10m。可以灵活方便地调整接收道的位置,有效减少平硐表面地形变化和松动层厚度变化对测试结果精度的影响。2、2、2应用小排列折射波法地区地质慨况清江水布垭水利枢纽下游峡谷出口处的马崖自然高边坡,坡顶高程546m,坡脚高程196m,边坡陡峭。拟建的地下厂房尾水硐群将从马崖陡崖之下出口。边坡近东西走向。以高程200～350m为界,以下为多软层、多剪切带、多层面的二叠系马鞍煤系(P1ma)与泥盆系写经寺组(D3x)、黄家蹬组(D3h)砂、页岩组成的约30°缓坡;以上为剪切带发育的二叠系栖霞组(P1q)和第4组(P1m)灰岩组成的陡崖,属典型的上硬下软的不利地质结构。马崖高边坡岸坡卸荷裂隙极为发育,已形成多处大规模的危岩体和处于临空状态的结构体,这些工程