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1、管波探测法伪瑞利波 pseudo-Rayleigh wave 在地层横波速度大于泥浆速度的情况下，从声源以大于横波临界角射向井壁的那部分波，将在井壁发生全反射，并以锥形波的形式在井内传播，这部分波称为伪瑞利波。实际上它是泥浆中反射的锥形波与井壁上传播的面波混合而成。在波列中它紧跟在横波初至的后面。由于没有能量折射到地层中，它的幅度比较大。瑞利波 Rayleigh wave 是一种面波一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为 0.2 个波长的深度以下，其
2、运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。在自由表面上，质点沿表面法向的位移约为切向的 1.5 倍。瑞利波的波速与频率无关 ，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的 0.8620.955 倍。在震中附近，不出现瑞利波。从震源射出的纵波在离震源距离为 后才形成瑞利波。由震源射出的横波在离震源距离为 后才形成瑞利波。其中 cR 为瑞利波波速；h 为震源深度 ；c1、c2 分别为纵波和横波波速。瑞利波沿二维自由表面扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波和横波大得多，因而它是地震学中的主要研究对象。由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运
3、动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。 地球介质，包括表层的岩石和地球深部物质，都不是完全弹性体，但因地球内部有很高的压力，地震波的传播速度很大，波动给介质带来的应力和应变是瞬时的，能量的消耗很小，因此可以近似地把地震波看作弹性波。 从震源发出的波动有两种成分: 一种代表介质体积的涨缩，称为涨缩波，其质点振动方向与传播方向一致，所以又称纵波。另一种成分代表介质的变形，称为畸变波，其质点振动方向与传播方向垂直，所以又称横波。纵波的传播速度较快，在远离震源的地方这两种波动就分开，纵波先到，横波次之。因此纵波又称P波，横波又
4、称S波。在没有边界的均匀无限介质中，只能有P波和S波存在，它们可以在三维空间中向任何方向传播，所以叫做体波。但地球是有限的，有边界的。在界面附近，体波衍生出另一种形式的波，它们只能沿着界面传播，只要离开界面即很快衰减，这种波称为面波。面波有许多类型，它们的传播速度比体波慢，因此常比体波晚到，但振幅往往很大，振动周期较长。如果地震的震源较深，震级较小，则面波就不太发育。 波速随频率或波长而变化，这种现象叫做频散。在完全弹性的平行层介质中，由于各种类型的波的叠加，在地表观察到的面波频散是几何原因造成的。在地球内部，由于介质的不均匀性和非完全弹性，会导致体波的频散，这是物理原因造成的。由于频散，波形
5、在传播过程中会发生变化。例如在震源处发出的一个脉冲，在远处就可以散成一个波列。管波探测法是在钻孔中利用“管波”这种物理弹性波探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的，是具有自主产权的最新的孔中物探方法。物探资料显示，当流体和固体两种介质相互接触时，流体的振动会在两种介质的分界面附近产生沿界面传播的界面波，称做广义的瑞利波。在液体填充的孔内及孔壁上广义的瑞利波沿孔的轴向传播，则称为管波。管波探测法正是利用管波的这种传播特性对孔中桩位的岩溶等地质体进行探测。在石灰岩地区，在施工勘察阶段，当采用大直径嵌岩桩时，管波探测法可在桩位中的一个超前钻孔中开展工作，即可探明以钻孔为中心、半径
6、为半波长范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的发育程度，探测范围直径在1.5米至2.5米之间。目前，我院运用管波探测法已先后完成了多项重点工程的约800个桩位的探测情况。科技人员根据管波探测法解释结果，在满足嵌岩1倍桩径、桩底以下桩径的3倍并不小于5米范围内无溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的条件下确定桩端深度。基桩工程完工后，经按有关规范抽检，从未发现桩底及桩底以下存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等缺陷，从而也有力地证实了管波探测法的可靠程度。与一桩多孔（钻探）或“跨孔CT”等方法相比，管波探测法具有明显的技术和经济优势，它同时有易解释、精度高、异常明显、分辨能力强、工期短、仪器设备
7、投资少、探测费用低等优点。利用该技术在复杂的岩溶发育地区进行桩基勘察，其存在的桩底溶洞、半边嵌岩等风险将大为减少。最近，在一次全国性的物探界的学术交流会上，该成果亦引起了与会专家学者的极大兴趣和广泛关注。管波探测法专题 - 适应性和可靠性一、适用范围桩位岩溶勘察我省乃至全国灰岩分布较广，由于岩面埋深较浅，土层较软弱并且存在土洞等不良地质现象，在这些地区进行工程项目建设，常采用嵌岩桩的基础形式。在石灰岩基岩中，岩溶发育，存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2001），在施工勘察阶段，当采用大直径嵌岩桩时，应对桩位进行专门的桩基勘察，勘察点应逐桩布置，勘
8、探的深度应不小于桩底以下桩径的3倍并不小于5m。管波探测法是利用一勘察钻孔，通过在孔液中产生管波，并接收记录其经过孔液和孔旁岩土体传播的振动波形，来探测孔旁一定范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育分布情况，达到查明建（构）筑物基桩桩体范围内的地质情况和评价嵌岩桩基桩持力层的完整性，指导基桩设计和施工工作的目的。其有探测半径可达2.0m。管波实际探测孔旁洞穴大小的分辨率达0.3米；垂向探测精度高，可满足工程勘察需求。二、可靠性工程实测和模型试验重复对比观测结果表明，管波探测资料重现性好，异常的地质解释识别标志明显，模型试验结果表明，有洞则有管波异常，工程实测结果与钻探验证结果表明，异常的地质解释
9、与实际地质情况一致，基桩施工和抽芯检验结果表明，管波探测法探测结果可靠。1. 模型试验管波探测法应用研究项目选择在较完整的花岗岩中建立充水洞穴模型，模拟灰岩中的溶洞，使探测的岩体条件具有唯一性。洞穴模型建立前、后的管波测试表明，孔旁一定距离无洞则无管波异常，有洞则有管波异常，表明管波探测方法对探测孔旁洞穴有效。 2. 工程实例管波探测法自提出以来，完成的工程主要有：1. 广清高速公路与环城高速公路连接线工程，由广东省公路勘察规划设计院委托，共完成51个桩位。 2. 佛山市和顺至北滘公路主干线工程DS17标段和顺南立交桥工程，由上海市政工程设计研究院委托，共完成188个桩位。 3. 佛山市狮山至
10、和顺公路主干线工程桂和互通立交、里和互通立交工程，由天津市市政工程设计研究院委托，共完成约96个桩位。 4. 佛山市和顺至北滘公路主干线工程DS13、DS15、DS16、DS17标段，由广东省佛山市路桥工程总公司委托，共完成约480个桩位。 5. 佛山市三水二桥，由广东省公路勘察规划设计院委托，共完成30个桩位。 6. 佛山市南海区江厦立交至东西二线段加宽改造工程雅瑶桥、大冲桥工程，由佛山市南海区道路建设管理处委托，共完成约280个桩位。 7. 佛山市和顺棠溪至料美公路主干线勘察第HLK-0103合同段工程，由佛山市南海区道路建设管理处委托，共完成约250个桩位。 8. 广州市轨道交通五号线滘
11、口大坦沙石灰岩分布范围高架桥工程，由广州市地下铁道总公司委托，共完成约188个桩位。 9. 广州市轨道交通六号线浔峰岗河沙石灰岩分布范围高架桥工程，由广州市地下铁道总公司委托，共完成约251个桩位。 基桩工程完工后，100%采用低应变反射波法及10%采用钻芯法检测基桩，从未发现桩底及桩底以下存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等缺陷。根据我们收集到的基桩施工记录、基桩的抽芯检验及委托的用户意见来看，管波探测法对岩溶的探测准确率达98%，深度误差在0.3m以内，委托单位均认为管波探测法是一种很有效的探测手段，可查明灰岩地区嵌岩桩位范围内岩溶的发育分布情况，为桩基的设计和施工提供可靠的地质依据。 3. 探
12、测结果验证我们于2004年8月，受天津市市政设计研究院的委托，对佛山市狮山至和顺公路主干线工程桂和里和互通立交进行了96个桩位的管波探测工作，并对其中ZK-Y29和ZK-Y34二个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。桩位钻探、管波探测及钻探验证结果如图1所示。ZK-Y29桩位钻孔资料表明，微风化基岩（灰岩）面高程为-17.28m，以下无溶洞，为完整基岩。进行管波探测后，管波探测法解释在-17.6-19.74m高程段为岩溶发育段，-19.74m以下才是完整基岩段。ZK-Y34桩位钻孔资料表明，微风化基岩（灰岩）面高程为-33.36m，以下无溶洞，为完整基岩。进行管波探测后，管波探测法解释在-32.
13、833.5m高程段为岩溶发育段，33.5以下为完整基岩段。为了验证管波探测法的有效性，分别在ZK-Y29和ZK-Y34孔四周各布置四个钻探验证孔（共八个），钻探验证孔均距离原测试孔0.7m，以验证：管波探测法解释的岩溶发育段是否存在；解释的完整基岩段是否完整。在ZK-Y29探测孔的四个验证孔（编号为ZK-Y291ZK-Y294）中，ZK-Y293在高程-18.55-19.66m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为-17.73、-20.02、-17.53、-16.93m，除ZK-Y293外，其余孔基岩面以下岩石完整，ZK-Y293孔在高程-19.66m以下岩石完整。从ZK-Y292孔基岩面
14、以上存在大于2m的卵砾石溶洞充填物分析，ZK-Y29桩位钻孔旁存在一开口型溶洞，其高程为-17.73-20.02m，高程-20.02m以下岩石完整。这与管波探测法解释的高程-17.6-19.74m为岩溶发育段，高程-19.74m以下为完整基岩段吻合，高程误差小于0.3m。在ZK-Y34探测孔的四个验证孔（编号为ZK-Y341ZK-Y344）中，ZK-Y342在高程-27.60-33.55m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为-32.85、-26.70、-32.05、-31.70m，除ZK-Y342外，其余孔基岩面以下岩石完整，ZK-Y342孔在高程-33.55m以下岩石完整。分析这四个验
15、证孔的地质资料，我们认为ZK-Y342孔在高程-26.7-27.60的灰岩为一残留岩块或“鹰嘴”，ZK-Y34桩位钻孔旁存在一开口型溶洞，其高程为-32.85-33.55m，高程-33.55m以下岩石完整。这与管波探测法解释的高程-32.8-33.5m为岩溶发育段，高程-33.5m以下为完整基岩段吻合，高程误差小于0.1m。通过验证孔揭露的地质情况，可得到如下结论：1. 管波解释的完整基岩段在验证孔中均是完整的，管波解释的完整基岩段是可信的； 2. 管波解释的岩溶发育段的确存在，管波探测法的确可探测到测试孔外一定范围内的岩溶。 管波探测法专题 - 方法的优势岩溶发育在宏观上具有规律性，但在桩位
16、范围的局部区域，岩溶形态、延伸及分布缺乏规律，在石灰岩场地进行勘察，岩溶是勘察的棘手问题。通常采用工程物探作为辅助勘察手段。工程物探可划分为地面物探和孔中物探。地面物探可查明场地土洞和岩溶发育在宏观上规律性，但由于受其精度及准确性的限制，难以满足桩位勘察的要求。孔中物探也可分为跨孔法和单孔法。现时的跨孔物探方法主要有跨孔地震测井（纵波或横波）、跨孔透射（如地震波、电磁波等）、跨孔层析成像（CT）（如弹性波CT、电磁波CT、电阻率CT等）。由于跨孔法需要邻近钻孔的配合，勘察成本高、工期长，不常用于桩位勘察中。现时的单孔物探方法主要有弹性波测井（如PS测井、声波测井、超声波）、放射性测井（如测井、
17、测井、中子测井等和能谱测井等）、电测井（如电阻率测井等）、孔中电视、电磁测井（如孔中雷达）。除孔中雷达外，其他单孔物探方法的作用主要是获取孔壁岩土的物理参数、辅助钻探进行地质分析，孔中雷达可探测到孔旁目的体的分布情况，但由于孔中雷达设备的价格昂贵，依赖进口，且采集得到的雷达图像中包含较多与目的物无关的反射（假异常），容易导致错误的地质解释结果，因而难以用于桩位勘察中。目前，工程上一般采用一桩一孔或一桩多孔钻探方式进行桩位勘察，一桩一孔钻探往往会遗漏孔旁的岩溶，一桩多孔钻探勘察成本高，工期长。我们发明的孔中工程物探新方法管波探测法，适用于桩位勘察。管波探测法具有以下特点：1. 管波具有能量强、衰
18、减慢、传播速度与孔旁围岩切剪波速度密切相关等特点，由孔旁岩溶、软弱夹层及裂隙带引起的管波异常易于识别，异常的地质解释具有唯一性，勘察成果可靠性高； 2. 探测孔旁洞穴大小的分辨能力强，垂向探测精度高； 3. 对勘察仪器设备的技术要求低，勘察设备投资少； 4. 施工工期短，成本低； 以下为管波探测法与通常的桩位勘察方法之间的对比：方法需要钻孔数勘察费用勘察工期优势缺陷一桩一孔1低短工期短、费用低无法探明孔旁（桩位）岩溶、桩侧临空面一桩多孔35较高较长“眼见为实”，可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况，可评价基桩持力层的完整性难于探明桩侧临空面。工期长、费用高跨孔CT35高长可详细探
19、明桩位、桩侧岩溶、基岩面起伏、临空面等地质情况，可评价基桩持力层的完整性，精度高工期长、费用高孔中雷达1较低较短可调查桩位的不良地质体，工期较短、费用较低地质解释结果可靠性低，不适宜评价基桩持力层的完整性，不能分析不良地质体平面上的方位管波探测法1较低较短可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况，可评价基桩持力层的完整性。工期较短、费用较低、精度高 不能探明基桩范围外的不良地质体、临空面，不能分析溶洞距探测孔的距离及平面上的方位管波探测法专题 - 探测原理一、管波的激发、传播机理根据弹性波理论，在弹性介质中传播的震动，按传播空间可分为体波和界面波。体波可分为压缩波和剪切波，体波在无限
20、空间中传播。界面波包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等，界面波在波阻抗界面附近传播。当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时，流体的振动会在两种介质的分界面附近产生沿界面传播的界面波，称做广义的瑞利波（Rayleigh waves）。在液体填充的孔内及孔壁上，广义的瑞利波沿孔的轴向传播，称作管波（Tube waves）。常见的管波有两种类型，一种是斯通莱波（Stoneley waves），沿孔壁传播，并在围岩中呈指数衰减；另外一种是准瑞利波（又称为伪瑞利波），它是一种导波，大部分能量集中在流体内，在围岩中也呈指数衰减。这两种波都有波散特性，相速度随频率的不同而变化。在横波波速高于流体纵波波速的介
21、质（高速介质）中，斯通莱波有轻微的波散现象。在低频端，相速度和群速度都接近孔内流体的纵波波速的0.9倍。在高频端，斯通莱波的波速趋于围岩中的横波速度。准瑞利波具有明显的波散特性，并有一个最低频率，低于该频率的准瑞利波不存在，在该频率处其速度等于围岩的横波速度Vsr。在充填液体的硬质岩石钻孔中，这个最低频率约为10kHz。因而准瑞利波具有低截特性。在高频端，准瑞利波的波速趋于围岩中的横波速度。孔中流体的任何振动，几乎都能产生管波（斯通莱波及是准瑞利波），管波的初始频率和管波源的频率相同。两种类型管波均沿钻孔的轴向传播，都具有前推式的质点运动轨迹，在轴向切面内是一系列椭圆。质点位移的径向分量在钻孔
22、中心是0，在孔壁处，径向位移达到最大值，在孔壁以外的围岩中随着离开孔壁的距离按指数规律减小。质点位移的轴向分量在流体中相对来说是一常数，在孔壁上发生间断，振幅下降了几百倍，在孔壁以外的围岩中亦随着离开孔壁的距离按指数规律减小。图2为斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及幅度的示意图。由于孔内流体吸收作用很小，管波频率和幅度变化缓慢，所以，尽管经过了一定距离的传播，管波能量依然很强，管波的频谱与管波源的频谱基本一致。和其它类型的波动一样，在传播方向遇到波阻抗差异界面时，管波也会发生反射。在钻孔孔液和孔壁外一定范围内，发生反射的波阻抗界面有： a、孔径变化处；b、液面处；c、孔底；d、孔壁波阻抗差异界
23、面。以往对界面波的研究表明，界面波的能量集中在界面以外半波长的范围内。实测资料表明，管波的探测范围亦可以用管波的半波长确定，管波的探测范围为以钻孔中心为轴心，管波的半波长为半径的圆柱状区域。管波的传播速度极为稳定，可通过改变管波源的频率来改变管波的探测范围。二、管波的探测原理从管波的传播机理可以得出：a、管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播，除在孔径变化、孔底和孔液表面处产生反射外，在管波的有效探测范围内的任何波阻抗变化都会产生反射。在钻孔周围的圆柱状空间，这种波阻抗的变化必定是由于钻孔旁侧的岩性差异及土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体的存在造成的。因而可通过分析反射管波来确定钻孔旁侧是
24、否存在岩性差异及不良地质体。b管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播，可把孔液和孔壁以外一定范围内的岩土层等效成一维杆件，管波在等效的一维杆件中沿轴向传播。其运动学方程可大为简化，解释方法更为简单。与一维杆件中沿轴向传播的振动的区别在于，一般认为，在一维杆件中沿轴向传播的振动在相同的杆件横截面上，振动的能流密度处处相等。而管波传播的等效一维杆件中，振动的能流密度是不相等的，距钻孔近的区域能流密度大，远离钻孔的区域能流密度小。c由于管波具有能量强、衰减慢、传播速度与孔液纵波波速相当的特征，反射管波的能量很强，在使用固定收发间距的一发一收探测装置采集的时间剖面上很容易识别，异常明显。三、管波
25、探测法的探测装置管波探测法的探测装置如图2所示，把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器按固定间隔放入有孔液的钻孔中，在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号，发射换能器产生的振动与孔液作用，在孔液和孔壁上产生管波，记录仪同步记录经接收换能器输出的振动信号。同时移动发射换能器和接收换能器以改变探测位置，这样把同一主频探测的不同深度的探测点的振动记录按深度排列，得到时间剖面。通过对时间剖面的分析，即可判别洞穴和软弱夹层的存在，及其它们的顶底深度。可通过改变发射仪发射的主频，或更换发射换能器，重复上述不同深度探测点的探测，获得多张不同管波主频时间剖面；或通过频谱分析的方法获得这种多张不同管波主频
26、时间剖面；根据对这些时间剖面的分析，可判别洞穴和软弱夹层等不良地质体与钻孔中心的距离。四、管波探测法的探测流程实际工程常常出现钻孔揭露的完整基岩段厚度已经满足规范要求，管波探测法发现其“完整基岩段”中存在溶洞、软弱夹层等不良地质体的情况，为了保证桩位持力层的完整性，通常采用管波探测与钻探互动的探测流程：1、钻孔在完整基岩段厚度满足规范要求（可适当增加厚度）时暂时终孔，钻机待命；2、进行管波探测，探测结束后立即对管波探测资料进行处理、解释。在完整基岩段厚度满足规范要求时即可终孔，钻机撤离；如分析表明，钻孔的完整基岩段中存在溶洞、软弱夹层等不良地质体，“完整基岩段”不完整时，钻机继续钻进，返回第1步。一般经过上述流程，均能达到完整基岩段厚度满足规范要求的程度。工程实例中一个循环即可达到要求的占三分之一，两个循环才可达到要求的也占三分之一，需要三个以上循环才可达到要求的也占三分之一。为了避免太多循环，可在第一次暂时终孔前加深钻孔，在完整基岩段厚度适当超过规范要求时才进行管波探测。
