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Z1 > Z2 ,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Z2 > Z1 ,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。

2

t V h

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1500m P秒, 为坡洪积物; 剖面东侧的波速仅900m P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2000～2600m P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3800m P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V 1 ,界面以下为原状岩体, 波速为V 2 , 有V 2 >V 1 。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V 1 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V 1 传播,在界面处以原状岩体波速V 2 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V 2 > V 1 ,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L 3 = L 4 ,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V 2 。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1～2 m ,整个排列长度< 10 m。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546 m , 坡脚高程196 m ,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200～350 m 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,这些工程地质问题的存在严重影响了边坡的稳定性。因此,须对边坡卸荷风化带厚度加以细致研究,方能在此基础上设计出安全、经济和合理的工程处理措施。

2、2、3 应用折射波法及数据处理分析

利用不同高程上的PD8 、PD52 和PD70 三个平硐开展小排列折射波法测试工作。测线布置在平硐侧壁上,方向与硐轴线平行。偏移距由试验和勘探平硐大小综合确定,一般为5～10 m。2～3 道接收,道间距1～2 m。锤击振源,100 Hz 的检波器,采集仪器为高采样率的地震仪,采样间隔1～5μs ,多次锤击叠加。1 个排列(炮点和所有接收道组成) 测试结束后,整个排列向测线方向移动1 m ,直至整个平硐测试结束。测试成果见图2 至图4 。从图中可以

看出,波速曲线呈现出明显的规律性,即波速随硐深增加有增大趋势,在不同深度处波速出现明显突变点。波速出现突变点的因素主要有原状岩体中的节理裂隙和岩体卸荷风化作用,前者使局部岩体波速降低;后者受其影响程度不同,近边坡段,卸荷风化作用强,岩体波速降低幅度大,远边坡段,卸荷风化作用小,岩体波速降低幅度小,边坡距增大,波速呈增大趋势,最后趋于稳定。PD52 平硐硐深0～15m ,波速在1 500 m/ s 波动; 15 m 处,波速从1 500m/ s 上升到2 800 m/ s ,并在该波速附近上下波动,变化幅度为±200 m/ s ;31 m 处,波速从2 800 m/ s上升到4 100 m/ s ,并在4 100 m/ s 附近保持小幅波动,因此,15 m 和31 m 两突变点是由卸荷风化作用引起的;PD8 平硐波速曲线具有PD52 平硐同样的规律性。PD70 平硐在硐口段,波速呈现缓慢的上升趋势,9～33 m 岩体波速在3 250 m/ s 左右上下波动,33. 0 m处,波速增加到4 500 m/ s ,37～52 m 为波速降低,52 m 以后波速增大到4 500 m/ s ,表明9 m 和33 m 两突变点是由卸荷风化作用引起的,而37 m 和52 m 两突变点是由节理裂隙引起的。根据卸荷风化作用引起的波速突变点,对岩体波速进行分段统计,见表1 。

利用波速进行岩体分带,国内外早就已采用。表2 为国内外具有代表性的岩体弹性波波速分带标准。在以往研究成果的基础上,根据马崖边坡的工程地质特征、同类工程经验类比以及该工程前期大量岩体波速测试资料的基础,并考虑折射波法是在特定地质构造的平硐内进行的,各种局部地质和现场条件对岩体波速的影响,提出了适应本工程的岩体弹性波波速分带标准建议值,见表3 。根据波速分段统计结果, 对马崖边坡岩体按强卸荷风化带、弱卸荷风化带和微卸荷风化带进行分带。0 至拐点1 为强卸荷风化带,厚度为8～15 m;

拐点1 至拐点2 为弱卸荷风化带,厚度16～52 m;拐点2 至硐底为微新带。图5 为卸荷风化带沿边坡高程的分布图。从图中可以看出:卸荷风化带厚度在直立边坡处达到最大。

边坡岩体特性分析

根据分带结果,受卸荷风化作用影响较小的微新带岩体波速:PD52 平硐为4 090 m/ s ,PD8 平硐为4 330 m/ s ,PD70 平硐为4 100 m/ s ,由于PD70 平硐37～52 m 存在节理裂隙带,导致微新岩体波速统计值偏低,若不考虑结构面对波速的影响, PD70 平硐波速应在4 500 m/ s。微新带岩体的波速沿边坡高程增加有增大趋势,反映了马崖边坡岩体上硬下软的地质

结构。

在分带的基础上,结合室内岩石力学试验结果,采用国家标准《工程岩体分级标准》( GB50218 -94) [11 ]对岩体质量进行评价。图6 为岩体质量BQ 与边坡距的关系。由图可知:马崖边坡强卸荷风化带岩体一般为Ⅳ上,弱卸荷风化带岩体质量为Ⅲ级,新鲜岩体为Ⅱ级或Ⅲ上。

3、透射波法的应用

在工程地震勘探中，透射波法主要用于地震测井（地面与井之间的透射）地面与地面之间凸起介质体的勘查和井与井之间地层介质体的勘查。地质目的不同，所采用的方法手段也不同。从原理上讲，均是采用透射波理论，利用波传播的初至时间，反演表征岩土介质的岩性、物性等特性以及差异的速度场，为工程地质遗迹地震工程等提供基础资料或直接解决其问题。

下面简要叙述穿孔透射波法在水泥搅拌桩质量检测中的应用。

如图（）所示仪器装置，各个位置的传感器都可以接收到经由桩传过来的脉冲。脉冲由锤子在基础上部激振产生。其中锤子和一个精确触发装置相连接，锤子一接触基础，仪器即开始记录。随后，声波沿基础开始传播。每次锤子敲击到初始波到达的持续时间都记录在图表中，并且利用程序绘制传播持续时间—深度图，如图（）所示。

由于混凝土波速大于土的波速, 桩尖以下土层波到达时间要长，所以一般图中呈现的是两根直线构成的角。其中，上部的斜率对应位于基础上部的传感器。下部的斜率对应于位于基础底部以下的传感器。图中斜率改变的地方即是基础的底端位置。同样在桩的缺陷处波到达的时间也长，图形也会产生折点。

三、结束语

反射波法、折射波法、透射波法均是比较重要的地震勘探方法，其中以反射波法在实际工程应用中最为普遍。地震波勘探手段以效率高，操作性强，数据较为准确等优点越来越多

的在地质勘探中使用。对于每一个地质工作者或者是将要走上地质工作岗位的学生来说，学好每一种物理勘探方法并能亲手操作应用于实际生产都是必须具备的技能。物理本身就像魔术一般带给我们奇妙的境界。我们拿着一个物探仪便可以发现断裂带，甚至找到煤层，发现古河道，而不需要利用低效率高成本的钻机去亲眼看到岩心。对于艰苦的地质行业来说，这是一件欣慰的事情。生产力发展的一种标志就是生产工具的改进，使得劳动者相对的减少。这对于我们学地质的也是一种挑战。不久的将来会不会出现一种仪器可以让人清晰的看到地下，到时候有多少地质工作者都要失业。但是我相信，不断的学习是没有错的，即使先进的生产方法，依旧需要靠学习去渐渐的发现和发明。

参考文献

1、某工程锤击沉管灌注桩低应变反射波法检测实例分析。邓国生。西部探矿工程。

2、混凝土灌注桩低应变动态诊断方法应用。李旭,郝文璐,李微。江苏建筑。

3、旁孔透射波法检测水泥搅拌桩质量的研究。汤建新，黄大治。中国市政工程。

4、折射波法在边坡岩体卸荷风化分带中的应用。肖国强, 刘天佑, 王法刚, 周黎明,李运栋。

长江科学院院报。

5、浅层地震折射波法综述。赵德亨，田钢，王帮兵。世界地质。