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工程的面波勘探

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第4章结论及建议

4.1结论

4.2建议

致谢

参考文献

第1章序言1.1论文研究的目的和意义

1.1.1论文研究的目的

随着社会的大发展,交通枢纽压力越来越重,国家大力发展铁道建设铁道部决定第三次提速,将客运线和货运线分开。在铁道建设中路基至关重要,但路基的修建一般都在地形较为平坦,地下含有大量的软土影响路基的承载力所以工程中必须找出软土并解决软土对承载力的影响。在一般的工程勘探中大量引用钻探技术和静力触探技术,但是它们的经济昂贵以及速度慢,所以本次在武广线引用瑞雷面波(GDS表面波测试系统)中的稳态面波法寻找软土。

1.1.2瑞雷面波在工程方面研究意义

近十几年来,面波勘探引起工程地质界广泛的兴趣。其原因在于工程地质中传统的原位测试法需要对场地钻孔,其成本较高,也很耗时;而面波勘探能较为快速、经济地对场地进行分层,并给出每层的剪切波速度;后者对于计算地基的模量,并进而计算地基承载力、评价地基加固效果、计算地基层动液化以及地震小区划等方面是必不可少的。另一方面,面波勘探也能应用于诸如机场跑道、高速公路质量的无损检测。

1.2研究与应用现状

1.2.1国外发展现状

瑞雷面波从理论上被发现以后,人们首先从天然地震的记录证实了面波的存在。二十世纪五十年代初,人们又发现了瑞雷面波在层状介质中具有频散特性,当时Haskell首先用矩阵方法计算了层状介质中瑞雷面波的频散曲线,这是后来人们利用瑞雷面波了解地层结构的基础。于是,人们最初主要根据频散特性广泛地利用天然地震记录的瑞雷面波来研究地球内部构造,如日本的吉田满、川崎一朗就曾利用瑞雷面波频散测定了西太平洋上地幔的密度结构。2000年,Wolfgang Friedrich、Stefanie Hunzinger 等人利用多模式波场,探讨是否可用Helmholtz方程来提高地震面波对大地结构解释的精度。

二十世纪六十年代后,随着高速数字计算机广泛地应用于地球物理学的各个领域,对瑞雷面波的研究也有很大的发展,其主要标志是出现了瑞雷面波频散曲线的快速计算。大量外国学者对层状介质中瑞雷面波频散函数的计算进行了研究,提出了各种方法,其中主要有Thomson-Haskell法、Schwab-Knopoff法、 矩阵法、Abo-Zena法、RT矩阵法等。

1979年,Anas Abo-Zena对传递矩阵法进行修改,很好地解决了高频精度丢失的问题。Harvey(1981)进一步对Abo-Zena算法进行了改进,明显提高了计算的速度。

1972年,Takeuchi和Saito还提出了数值积分的方法,他们的方法对于计算一般的层状地层模型的频散曲线比较方便,但在处理高频数值问题时具有不稳定性。

Kennett和Kerry等人提出的RT矩阵法是一种计算频散曲线的有效方法[15\22\23],该方法是建立在反射系数和透射系数基础上的,它不仅有效地解决了面波的频散曲线问题,而且还明确地解释了面波的形成机理,即相长干涉。1993年,Xiao Chen又对该方法进行了改进和提高。

这些对面波频散曲线正演计算方法的研究,对面波的实际应用起了很大的促进作用。

二十世纪六十年代,美国人提出面波的半波长解释方法,并将稳态法首先用于地基勘察。

二十世纪八十年代初,面波工程勘探有了突破性进展。

1983年,Stokoe II和Nazarian等提出所谓的面波频谱分析方法(SASW),通过分析面波的频散曲线建立近地表的S波速度剖面。随后,SASW方法得到不断的改进,并在许多工程中得到应用。

2000年,Damien M.Leslie和Brians研究了低速夹层存在时的能量传播。以往在地震勘探中,一般将地震反射记录中的导波能量看成噪声并把它丢弃,但他们研究后发现导波的主波长与低速层的物理性质存在相关关系,由此可估计低速层的厚度等特性。

总体上而言,国外在瑞雷面波正、反演理论方面的研究比较深入,比国内研究的时间要早,有很多成果值得我们去继承和发展。

1.2.2国内研究及应用现状

我国学者对瑞雷面波勘探法的研究开始于二十世纪八十年代,经过20多年的艰苦努力,国内学者在瑞雷面波的理论、工程应用、仪器研制等多方面做出了大量卓有成效的工作。

二十世纪八十年代后期,我国铁道部第四设计院(1987)和西安煤研院(1988)花巨额外汇从日本引进GR810探测系统,这对推动瑞雷面波探查技术在我国的应用起了积极作用。同时,我国也开始自行研制仪器设备并开展瑞雷面波法勘探的试验研究。

1988年,吴世明、夏唐代等人采用瑞雷面波法测试土层波速。

1989年,杨成林等人将Terralog浅震仪改装成稳态瑞雷面波勘探系统

1990年,时福荣提出用互相关法计算稳态瑞雷面波的传播速度。同年,陈云敏等用瞬态法测量机场跑道地基的剪切波速,提出用相干函数法判别信号有效性,并用互谱法求取其频散曲线。1991年,朱裕林将GR810系统用于建筑地基、软土地基加固效果评价和人工洞穴、岩溶探测。1999年,方谦光、李志华、潘瑞林将瑞雷面波法应用于铁路路基稳定性检测中并用互谱法求取其频散曲线。1991年,朱裕林将GR810系统用于建筑地基、土地基加固效果评价和人工洞穴、

岩溶探测。1999年,方谦光、李志华潘瑞林将瑞雷面波法应用于铁路路基稳定性检测中。

2001年,黄真萍等针对当前瑞雷面波在实际勘探中有时误差较大,精度偏低的现状,就提高瞬态振动法瑞雷面波采集问题进行了探讨。

2004年武炜等利用瞬态面波预测单桩承载力模型进行了研究,总结了现有单桩竖向承载力检测技术存在的一些问题,结合实例提出了一种预测单桩承载力的间接方法——瞬态面波法。剪切波速与标贯击数之间也存在着相关关系,通过标贯击数建立起剪切波速与桩侧摩阻力及桩端阻力的相关模型,应用瞬态面波测试技术可快速检测桩周土剪切波速,确定单桩承载力。

总体而言,瑞雷面波在目前的实际应用中,主要用于地层划分、地基加固处理效果评价、岩土的物理力学参数原位测试、混凝土质量无损检测、地下空洞及掩埋物的探测、饱和砂土层的液化判别、场地类型划分等方面。

本论文的研究内容:

第2章:瑞雷面波的基本理论

2.1:瑞雷面波的传播特征

2.1.1: 物体的弹性与弹性波

2.1.1.1物质的弹性常数

设作用于物体单位面积的力为应力S ,则纵应变定义为缩小或伸长量△L 与原长度L 的比值,即△L/L 。横应变定义为在垂直于力的方向上,物体膨胀或收缩量△d 与物体原尺寸d 的比值,即△d/d 。

在物体的弹性范围内,根据虎克定律,L

L A

F E //?=,E 称为杨氏模量。

横应变与纵应变的比值称为物质的泊松比,L

L d

d //??-=σ。

一个均匀的压应力作用于物体上,引起物体体积减小,应力除以体积的相对

变化称为物体的体积模量K ,V

V A

P K //?=,式中,V 为物体的原体积,△V 为体

积变化量,A 为表面积。

当作用力F 平行于物体的底面和顶面时,这种力F 称为剪切应力。由于剪 应力的作用使原来成直角的物体变化为φ-?90,变化角φ叫做剪切应变。如φ 很小,剪切应变与应力成正比,关系为:φ

μA

F /=

,μ定义为物体的剪切模量

或称为刚度模量。 2.1.1.2 弹性波

机械振动在弹性体中的传播过程,称为弹性波。按波的物理实质分类,波的基本类型只有纵波P 和横波S 。P 波的振动方向与传播方向一致,S 波的振动方向则与传播方向垂直。按波与界面相互作用形成的面波有:瑞雷面波、love 波、斯通莱波、导波。love 波由弹性分层半空间中的SH 波叠加所形成。斯通莱波是沿两介质界面传播的波。在介质中若有低速层存在,则可能出现P 波或S 波的导波。

弹性波具有一定的传播速度或走时曲线,且具有一定的振幅、波形、极化方向、能量和频谱。

2.1.2瑞雷面波的形成和定义

如图2-1所示,为瑞雷面波在均匀半空间介质中的传播,质点在波的传播方向垂直平面内振动,质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆。当平面SV 波大于临界角入射自由表面时,反射P 波为沿着自由表面前进的不均匀波。这两种波相互干涉,便产生了面波,由于最初由英国学者瑞雷(Rayleigh )在理论上确定的,称做瑞雷面波。

根据弹性波动力学和物质的弹性系数,可以确定纵波p v 、横波s v 、瑞雷面波v 与介质弹性系数有如下关系:

)

21)(1()

1()

2(σσρσρ

λμ-+-=

+=

E v p (2-1)

)

1(2σρρμ+==E v s (2-2) s v v σ

σ

++=

112.187.0 (2-3)

2.1.3 弹性波波动方程

在均匀、各向同性、理想的固体弹性介质中,通过位移表示的弹性波波动方程为:

F u grad t

u

ρμθμλρ+?++=??222)( (2-4) 式中:u ——在F 作用下质点的位移向量; F ——力向量;

θ——体变系数(divu =θ)

; 2?——拉布拉斯算子,2

222z y x ??

+??+??=

?。 如果位移向量u 在x 、y 、z 三个坐标轴的分量为x u 、y u 、z u ;力向量F 在三个坐标轴的分量为x F 、y F 、z F ,则(2-4)式用分量表示为:

??

??

?

???

?

??+?+??+=??+?+??+=??+?+??+=??z z z y y y x x x F u z t u F u y t u F u x t u ρμθμλρρμθμλρρμθ

μλρ2

222

22

222)()()( (2-5)

其中 :?

μA

F /=

,)

21)(1(σσσλ-+=

E

μ—物体的剪切模量;

E —杨氏模量(单位面积的应力处以相对变化);

σ—泊松比(横应力与纵应力的比值);

A —为物质的表面积; ?—剪切应变。

根据虎克定理,

对(2-4)式两边分别取散度(θθ2?=?grad div )得:

divF t

=?+-??θρμλθ2

2

22 (2-6) 对(2-4)式两边分别取旋度(0=θrotgrad ,rotu =ω)得:

rotF t

=?-??θρμω2

2

2 (2-7) 位移向量u 和力向量F 可表示为:

?

??

+=+=ψ?ψ?rot grad F rot grad u (2-8)

将(2-8) 式代入(2-6)、(2-7)式可得:

??ρμλ?=?+-??2

2

22t

(2-9)

ψψρ

μψ=?-??2

22t (2-10) 令,ρμλ22+=

p v ,ρ

μ

=2s v 代入(2-9)、(2-10)得: ???

????=?-??=?-??ψψψ???2222

2

22

2s p v t v t (2-11) 在不考虑外力F 作用下,只考虑介质特性对波的影响,令0=?,0=ψ,(2-11)可变为:

02

222=?-????p v t (2-12) 02

22

2=?-??ψψs v t

(2-13) (2-12)、(2-13)分别代表纵波和横波波动方程。

2.1.4均匀半空间介质瑞雷面波传播

2.1.4.1表垂直的平面可截取一个二维的介质剖面。选水平坐标轴x 沿地表方

向,垂直坐标轴z 由地表算起并指向地下。 将(2-12)、(2-13)作以下变换:

2222

1t

v p ??=??

? (2-14)

2222

1t

v s ??=?ψ

ψ (2-15)

质点的水平位移x u 和垂直位移z u 可表示为:

z x u x ??-??=

ψ? (2-16) x

z u z ??+??=ψ? (2-17) (2-14)、(2-15)解的形式设为:

)]([)(),,(Vt x ik e z t z x -=?? (2-18)

)]([)(),,(Vt x ik e z t z x -=ψψ (2-19)

将(2-18)、(2-19)代入(2-14)、(2-15)得:

0)()(212''=+z P k z ?? (2-20)

0)()(212''=+z P k z ψψ (2-21)

其中:2/121]

1)/[(-=p v v P ,2/122]1)/[(-=s v v P ,λπ/2=k ; 当,p s v v v <<时,1P 、2P 为虚数,此情况适合于瑞雷面波,其它情况为

体波入射、反射,或者物理上实现不了。

在满足1P 、2P 为虚数时,(2-20)、(2-21)的解分别为:

z kv z kv e A e A z 1

1

21)(+=?

z kv z kv e B e B z 2

2

21)(+=ψ

式中:2/121])/(1[p v v v -=,2/122])/(1[s v v v -=,1A 、1B 、2A 、2B 为任意常数。

根据波动的物理概念,当∞→z 时,振幅应为有限值,因此,令011==B A ,将

2A 、2B 换为A 、B 则方程(2-18)、(2-19)变为:

)(1

),,(Vt x ik z kv e Ae t z x --?=? (2-22)

)(2

),,(Vt x ik z kv e Be t z x --?=ψ (2-23)

(2-22)、(2-23)为瑞雷面波传播方程,它是以速度v 沿x 轴方向传播的简谐波,由方程可见随着深度增加,其振幅幅度按指数衰减。

2.1.4.2 瑞雷面波的存在条件

为了证明瑞雷面波的存在,利用自由边界上应力为零这个条件,设zz T 和xz

T 分别为界面上正应力和切向应力,则0|0==z zz T ,0|0==z xz T 即: 0|2)(

0=??+??+??==z z x z zz z

u

x u z u T μλ (2-24) 0|)(

0=??+??==z x

z xz z

u x u T μ (2-25) 将(2-16)、(2-17)代入(2-24)、(2-25)两式得:

???

???

???

????????

????+??-???=??+????+???=????-???=????+??=??+?????+??=?????-??=??2

22222

222

2

22

2222

222222x z x z x u z u x

x z x u z

z x z u z

x z u x u z x z z u x z x x u z x z x z x z x ψψ?ψ?ψ???ψ

? (2-26) 0|)(202222

=???+

??+?==z zz x z z

T ψ

?μ?λ (2-27) 0|)2

(022222=??-??+???==z xz z

x z x T ψ

ψ?μ (2-28)

由(2-22)、(2-23)式得:

??

?

??

?

???

???????

???-=???-=???-=??=??-=??=??ψψ

??

ψψψψ????22212222

2

2

2

2

2

2

12

2

2

2

2)()()()(v jk z x v jk x

z kv x jk x kv z jk x (2-29) 把(2-29)式中的相应公式代入(2-27)、(2-28)式,考虑到)2(2

2s p v v -=ρλ,整理化简得:

?????=++=-+0

)1(20

2)1(2

2122

2B v A iv B iv A v (2-30) 因A 、B 不等于零,只有:

012212

2

12

2

2=+-+v iv iv v 因此可得:

0])/(1[])/(1[4])/(2[(2/122/1222=----s p s v v v v v v (2-31)

(2-31)称为瑞雷面波方程(瑞雷面波存在条件)。

解方程(2-31)的实数解条件为:s v v <<0 即瑞雷面波速度小于横波速度。 2.1.4.3 瑞雷面波传播特点

将(2-22)、(2-23)代入(2-16)、(2-17)得:

??

???+-=+-=------)(2)(1)()(2121vt x ik z kv z kv x vt x ik z kv z kv z e e Bkv Aike u e Bike e Akv u (2-32) 由(2-30)式可知,A v iv B 2

2

1

12+-

= 代入上式(2-32),并取实部得: ???

?

?

??

-++=--+=----)(sin )12()(cos )12(21122

2211221vt x k e v v v e D u vt x k e v e v v D u z

kv z kv x z kv z kv z (2-33)

式中,Ak D =为任意常数。

上式(2-33)即为瑞雷面波垂直分量与水平分量的振幅,常规地震记录接受的是z u 垂直分量。

为了将(2-33)式便于计算,将(2-22)式代入(2-14)式得:

])()[()(2

2122ik kv v ikv p +-=

整理可得:

])(1[)2(}(222222

2

1P p

v v

v v k k kv -=-=λπ

设 vs v n v v

m n m k p s ==-=,],)(1[42221π

则:22121/)(λk kv = (2-34)

其中,λ为瑞雷面波波长。

同理把(2-23)代入(2-15)式并整理可得:

??

?

?

???

-=-==)1(4])(1[/)(2221212222122m v v v kv s

πελε (2-35)

)2/(111222

21m m

n m v v C --=+=

(2-36) π2/)/(1)/(11221k n m v v v p =-=-= (2-37)

把(2-34)、(2-35)、(2-36)、(2-37)代入(2-33)得:

???

??

??--=--=------

)(sin )()(cos )22(1

11

1

11vt x k e C e D u vt x k e k Ce D u z k z k x z k z z λλ

λ

λεπεπ

(2-38) 当已知泊松比σ,可根据(2-1)、(2-2)、(2-3)及(2-34)式的假设条件

可求出m 、n 值,然后,根据(2-34)、(2-35)、(2-36)求出1k 、1ε、C 的值,

如果25.0=σ,

可求得:32.51≈k ,46.21=ε,74.0=C ,(2-38)可进一步简化为:

??

?

??

--=--=----)(sin )5757.0()(cos )85.047.1(46

.232

.532

.546

.2vt x k e e

D u vt x k e

e

D u z

z

x z

z

z λλ

λ

λ

(2-39) 该方程具体的物理意义是,表示了瑞雷面波在波松比25.0=σ的均匀介质传

波时,纵向、横向位移随着波从地面传播到地下某一深度点(x,z )的状态,若t 固定,可以计算出瑞雷面波的振动图,若(x ,z )固定,可以计算出瑞雷面波的波剖面图。 消去时t ,令)85.047.1(32.546.2z z e e

D Z λλ----=,)5757.0(32

.546.2z

z e e D X λ

λ---+-= 则(2-39)可变为:

1)()(

2

2=+X

u Z u x z (2-40) 从(2-40)椭圆方程中可看出,瑞雷面波在(x,z)平面传播时质点的振动为椭

园,长轴为Z ,短轴为X 。

为了研究瑞雷面波在传播过程中的长、短轴(纵、横振幅)变化,令0=z ,可得:

D D X 4243.0)5757.01(0=-=

D D Z 62.0)85.047.1(0=-=

瑞雷面波长、短轴(纵、横振幅)随深度(以λ为单位)变化可表示为:

4243.05757.0046.232.5z

z e e X X ---= (2-41) 62

.085.047.1032.546.2z

z e e Z Z ---= (2-42) 根据(2-41)、(2-42),以瑞雷面波波长为深度单位,可以计算出相对于地

面变化的长、短轴(纵、横振幅)变化曲线。见图2-3所示。分别取1.0=σ、0.2、0.3、0.4计算出相对于地面变化的长、短轴(纵、横振幅)变化曲线。见图2-4所示。从图中可看出,瑞雷面波纵、横向振幅集中在λ

关于能量衰减方面,众所周知 P 波和S 波的波前在均匀介质中为球面,其能量按1/r 2的规律衰减,或者说波的振幅以1/r 的方式减小,而瑞雷面波的波前见图2-5所示,它的高度大约为一个波长,波的能量以1/r 形式衰减,瑞雷面波的振幅以1/r 的方式减小,瑞雷面波比体波的衰减慢得多。

通过对瑞雷面波在均匀半空间介质中传播的研究可知,在瑞雷面波存在的方程(2-31)式中没有与频率f 或λ有关,也就是说瑞雷面波的传播与频率没有关系,即无频散现象,但瑞雷面波的振动、位移、能量衰减等传播特征已清楚,这为利用瑞雷面波打下了基础。所谓频散是指瑞雷面波在多层介质中所产生的面波速度随频率变化的现象。

2.1.4.4瑞雷面波速度与横波之间的转换

根据弹性波理论,瑞雷面波与横波的关系见第二章(2-3)公式,即:

s v v σσ++=112.187.0

瑞雷面波与横波之间转换的更为精确的计算,可将(3-2)代入(2-31)瑞雷面波存在的条件公式可得 018

128

823=----+-σ

γσσγγ (3-3)

其中,s v v /=γ。

用牛顿叠代法解方程(3-3),且满足1<γ,可得不同σ值的s v v /。见图3-21

表3-2

波松比

系数 波松比

系数 波松比

系数 波松比

系数 0 0.874 0.21 0.913 0.32 0.931 0.43 0.946 0.02 0.878 0.22 0.914 0.33 0.932 0.44 0.948 0.04 0.882 0.23 0.916 0.34 0.939 0.45 0.949 0.06 0.886 0.24 0.918 0.35 0.935 0.46 0.95 0.08 0.889 0.25 0.919 0.36 0.936 0.47 0.952 0.1 0.893 0.26 0.921 0.37 0.938 0.48 0.953 0.12 0.897 0.27 0.922 0.38 0.939 0.49 0.954 0.14 0.9 0.28 0.924 0.39 0.94 0.5 0.955

0.16 0.904 0.29 0.926 0.4 0.942 0.18 0.908 0.3 0.927 0.41 0.944 0.2

0.911

0.31

0.929

0.42

0.945

所示。具体数据见表3-2。

为了确定转换的精度,根据公式(3-2)和已知s m v s /951=,s m v p /2501=,

s m v s /2402=,s m v p /5002=,计算出波松比值41.01=σ,35.02=σ,在上表

3-2中,找到波松比值对应的系数得:944.01=k ,935.02=k 。

因此,由频散曲线计算出的两层介质瑞雷面波层 s m v R /891=s m v R /2132=, 转换的横波速度为:

)/(3.94/111s m k v v R s ==

)/(8.227/222s m k v v R s ==

与理论模型的比较,转换的横波速度相对误差分别为:0.7%、10.8%。 由转换过程引起系统误差的计算,可令瑞雷面波速度为理论计算数值,然后转换成横波。取s m v R /901=,s m v R /2222=进行以上的横波。计算结果表明,转换成横波速度系统误差分别为:0.36%、5.0%。

2.2层状介质中的瑞雷面波

2.2.1固体-弹性半空间二层介质中的瑞雷面波

设有两层半空间介质

如图2-6所示,设x 轴位于

两层界面上,z 轴向下,瑞 雷波沿x 轴方向传播。 在这种条件下,瑞雷面波 图2-6 两层半空间介质 传播方程(波动方程解)可写成如下形式:

?

??

????

≥?????==≤≤-??

?

??+=+=--------0)),,()),,(0)(),,()(),,()(2)

(2)(21)(2121221

1

z e e B t z x e e A t z x z H e e B e B t z x e e A e A t z x vt x ki z v k vt x ki z v k vt x ki z kv z kv vt x ki z kv z kv ψ?ψ? (2-43) 式中:2/121])/(1[p v v v -=,2/122])/(1[s v v v -=,2/121])/(1[p v v v -=,

2/122])/(1[s v v v -=,1A 、2A 、1B 、2B 、2A 、2B 为常数

在自由界面上(H z -=),法向应力和切向应力为零:

0=zz T ,0=xz T ,H z -= (2-44)

在两层介质界面上(0=z ),两个位移分量需连续,两个应力分量也需连续, 即:

???

?

???

====21212121xz xz zz zz z z x x u u u u u u u u (2-45)

由(2-43)式得:??

?????

?

??

?

-=??-=??-=??=??=??-=??=??=??----)

(212)(21121)()(,,,,

1111vt x ik z kv z kv vt x ik z kv z kv e

e B e B kv z e

e A e A kv z v k z

ik x ik x

v k z

ik x ik x ψ?ψψψψ??

??ψψ?? (2-46) ?????????

?

????????

???-=???-=???-=???-=???-=??-=??=??=??=??=??=??=??----ψψ

??ψ

?

ψψ??ψψ??ψψ??ψψ??222

122)(21222

)(21122

2

2

2

2

21222

22

2

21222

2

2

2222

2

2222,)()()(,)()(,)()(,)()(,)(2211v ik x z v ik z x e e B e B v ik x z e e A e A v ik z x v k z v k z kv z kv z ik x ik x ik x ik x vt x ik z kv z kv vt x ik z kv z kv (2-47) 由(2-16)、(2-17)和(2-46)式得:

??

?

??

??

+-=+-=+=--=----ψ?ψψ??ik v k u ik e e A e A kv u v k ik u e e B e B kv ik u z vt x ik z kv z kv z x vt x ik z kv z kv x 12)(211122)(2121)()(2222 (2-48) 由(2-24)、(2-25)和(2-47)式得:

??

??

???

-+-=-+-=--++-=-+++=----))()(2())()()(2())((2))()(())()((2))()((222122222)(2112122

212212)(21222122111122ψψ?μψψμψ?μ??λ?μ??λv k ik v ik T kv ik e e A e A v ik T v ik v k ik v k T e e B e B v ik kv ik kv T xz vt x ik z kv z kv xz zz vt x ik z kv z kv zz (2-49)

上式中,下标1、2分别代表第一层、第二层介质。 将(2-48)、(2-49)代入(2-44)、(2-45)得:

??

?

??

?

??

??

??

?=-+++-=--+-+=++++-+--=++--++++=+-+--=-++++----000)1(2)1()1(220)2)1(22)1()1(0)1()1(220

22)1()1(22121211122212122122

22122212221112222

1221222112122

21222111221222112122112211B i A v iB iB A v A v B v A i B v B v iA iA B v A v i B v B v A iv A iv B v i A v B iv B iv A v A v B e v B e v A e iv A e iv B e iv B e iv A e v A e v H kv H kv H kv H kv H kv H kv H kv H kv μ

μμμμμμμ (2-50)

为了求解1A 、2A 、1B 、2B 、2A 、2B 系数,令11iv r =,22iv r =,Q H kv =1,

P H kv =2,写成矩阵形式如下:

??

?

?

????

???????????

?=???????????????????????????????

?????????????-----+----+--------------000000111111)1(2)1()1(222)1(22)1()1(00)1(2)1(2220

022)1()1(22212121221122122221122

1222121222211222121B A B B A A v i v i r r r r v v i r r r r v i v r r r r e r e r e r e r e r e r e r e r iP iP iQ iQ iP iP iQ iQ μμμμμ

μμμ(2-51) 解此矩阵方程可采用高斯消去法,求取各1A 、2A 、1B 、2B 、2A 、2B 系

数,将系数代入(2-49)可求出二层介质面波的频散关系,即面波速度随频率变化的关系。代入(2-48)的1z u 可得出地面接收点垂直分量的表达式。

2.2.2面波速度、厚度频散曲线的一般绘制方法

从两层水平层状介质瑞雷面波频散曲线的计算可知,瑞雷面波的速度是频率

的函数,可以绘制R v —f 曲线,但频率f 不能直接表示深度,在实际应用中,一般绘制R v —βλ,β为波长深度转换系数,因为βλ代表深度,所以R v —βλ的变化直接反映了R v 随深度的变化情况。β值的选择可参考表2-1

不同介质中瑞雷面波的穿透深度

表2-1

第3章:稳态面波

本次野外实习的工区由于是勘察铁路的路基,主要是寻找软土.且工区在公路旁边过往的车辆较多噪音很大,用瞬态面波法干扰大,采集的资料不可靠.因此是利用稳态面波法勘探.

3.1:瑞雷波勘探测原理

瑞雷波沿地表层传播,表层的度约为一个波长,因此,同一波长的瑞雷波的传播特性反应了地质条件在水平方向的变化情况,不同波长的瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地质情况.在地面上沿波的传播方向,以一定的道间距△x设置N+1个检波器,就可以检测到瑞雷波在N△X长度范围内的传播过程,设瑞雷波的频率为f i,相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为△t或相位差为△¢,则相邻道△x长度内瑞雷波的传播速度为:

V R=△x/△t

或V R=2∏f i△x/△¢(3.1)

测量范围N△x内平均波速为:

N

V R=N△x/∑△t i

i=0

或n

V R=2∏f i N△x/∑△φ (3.2)

i=1

在同一地段测量出一系列频率的V R值,就可以得到一条V R--f 曲线,即所谓的频散曲线或转换为V R—λR曲线,λR 为波长:

λR=V R/f (3.3)

V R—f曲线或V R—λR曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系,通过对频散曲线进行反演解释,可得地下某一深度范围内的地质沟造情况和不同深度的瑞雷波传播速度V R值。另一方面,V R值的大小与介质的物理特性有关,据此可对岩土的物理性质做出评价。

图3.1 稳态法原理示意图

图3.1是稳态瑞雷波勘探原理示意图,当激振器在地面上施加一频率为f i 的简谐竖向激振时,频率为f i的瑞雷波以稳态的形式沿表层传播,利用地面上

的检波器可测量出相邻道瑞雷波的同相位时间差△t,根据(3.1)式计算出f i 的瑞雷波传播速度V ri。改变激振器的振动频率f i,就可以测得当前频率下的V R 值,所以,当激振器的频率从高向底变化时,就可以测得一条V R—f曲线或V R- λR曲线。由(3.3)式可知,当速度变化不大时,改变频率就可以改变勘探深度,频率越高,波长越小,勘探深度也越小,反之,勘探深度越大。

瑞雷波

图3.2 瞬态法原理示意图

瞬态法与稳态法的区别在于震源的不同,前者是在地面上产生一瞬时冲击力,产生一定频率范围的瑞雷波,不同频率的瑞雷波叠加在一起,以脉冲的形式向前传播;后者则产生单一频率的瑞雷波,可以测得单一频率波的传播速度。所以瞬态法记录的信号要经过频谱分析,相位谱分析,把各个频率的瑞雷波分离开来,从而得到一条V R--f曲线或V R--λR曲线。

由于本次出野外实习的目的是寻找铁路路基下的软土层,其主要原理是由利用相速度φ计算出波长λ,再求出剪切波速度Vs,

3.2:野外工作方法及仪器配置

瑞雷波用于工程地质勘察或原位测试等方面,能够解决诸多地质问题,不同的勘察目的或要求的精度不同,其野外工作方法也不相同。例如,要求的分辨率高,则频率间隔应小些,反之,可大一些。而此次勘探目的寻找软土,其分辨率要求不是太高而且跟当地的地形以及地质构造有关,所以采用的频率是在6-130Hz范围内。采集时频率是分为3部分:

1:(1)当地下土性很软时速度130m/s采用6-16Hz的频率范围呈0.5Hz向上递增;(2)当地下土性为一般软土时用13-16Hz的频率范围呈0.5Hz向上递增。如果波长变化较大时则将频率以0.2Hz递增。

2:以1Hz的间隔频率从16Hz—25Hz递增。

多道瞬态面波勘察规范..

多道瞬态面波勘察规范 4 总则 4.1 应用条件 1 勘察对象与周围介质应存在明显物性(速度)差异. 2 勘察目标体尺寸,相对于埋藏深度应具有一定的规模. 3 目标体的物性异常能从干扰背景中清晰分辨出. 4 场地条件满足开展面波勘察的要求. 5 面波勘察方法满足任务的目的要求. 4.2 应用领域 1探查覆盖层厚度,划分松散地层沉积层序; 2 探查基岩埋深和基岩面起伏形态,划分基岩的风化带; 3 探测构造破碎带; 4 探测地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区; 5 探测地下非金属管道; 6 探测滑坡体的滑坡带和滑坡面起伏形态; 7 地基动力测试,地基加固效果检验、评价等。 4.3 应用能力 普遍采用5-K变换法提取瑞雷面波、多道加权平均或直接从5-K域获取的频散曲线作为该排列的中心点处频散曲线,采用阻尼最小二乘法反演横波速度,从而降低了瑞雷波法探测的纵横向分辨率。无法探测小规模和局部异常,难以满足高精度探测的要求。 5 工作设计 5.1 工作任务 5.1.1 应根据主管部门或委托方下达的任务书或有关合同(协议)明确工作任务与技术要求,确定项目负责人,编写设计书。 5.1.2 工作任务书内容应包含以下内容: 1 工程名称、工程地点、工程编号及范围;

2 要求提交的成果资料和期限; 3 工作区的地形、地貌及地质概况; 4 与任务有关的已知地质资料及地形图。 5.2 资料收集与踏勘 5.2.1 现场探勘应包括以下内容:测区地形、地貌、交通及工作条件;核对已收集的地质、物化探及测绘资料; 5.2.2 设计书编写之前应由项目负责人组织收集和分析工区有关资料,包括以下内容: 1 场地的岩土工程勘察资料 2 场地建(构)筑物的平面图等; 3 场地及其临近的干扰震源; 4 有关的地质、钻探、物探及其他技术资料 5.3 方法有效性试验 5.3.1 野外施测之前,必须进行方法的有效性试验工作; 5.3.2 试验工作应根据测区具体的地质条件、地貌单元规定,每种条件下不少于1个试验面波点; 5.3.3 试验点应布置在有代表性的地段上,与生产测线重合,并通过已知地质资料的地段、试验成果作为生产成果的一部分; 5.3.4 试验工作遵循从简单到复杂、试验因素单一变化的原则。5.4 测线与观测系统的选择 5.4.1 应结合探测目的和已知资料,通过试验确定观测系统布置方式、采集参数和激发方式。现场工作应符合下列规定: 1 应视探测对象布置成测线或测网;多道接收时,测线应呈直线布置; 2 应采用向前滚动观测方式,滚动点距应满足横向分辨率要求; 3 测点间距应根据探测任务和现场条件确定,每条测线上不得少于3个测点。

面波探测技术方案

深圳地铁7号线福赤区间面波勘探技术方案 深圳市工勘岩土集团有限公司 二O一四年十二月

目录 1、前言 (1) 2、主要勘探目的 (1) 3、执行规范 (1) 4、方法原理 (2) 5、测线布置 (3) 6、瑞利波法现场测试方法 (5) 7、资料处理与解释 (6) 8、提交成果 (8) 9、工期 (8) 10、投入人员及仪器设备 (9)

1、前言 受中国水电四局的委托,我公司拟对深圳地铁7号线福赤盾构区间进行面波(瑞利波)法勘探。本区间自福田河南岸的福临站北端开始,至滨河大道的赤尾站西端结束,里程桩号大致范围为: 左线ZDK20+360.117~ZDK20+845.492; 右线YDK20+347.717~YDK20+844.001。 线路下穿福田河、福临小区、滨河大道等,线路经过区地面环境复杂多变,将会给面波勘探带来诸多不便和影响,有的区段可能难以展开勘探,即使是积极创造条件勉强开展慨叹的区段,也需要投入更多的时间、人力、物力等,并且在诸多不利因素背景下所解算的成果资料的可信度会大打折扣。为了尽可能全面地完成地质任务,编制此方案。2、主要勘探目的 通过面波(瑞利波)勘探,揭示盾构区间隧道穿越区岩土强度的分布,提请盾构施工时提前采取相应措施。 3、执行规范 本次探测执行如下技术规范: 1)《多道瞬态面波勘察技术规程》(JGJ/T143—2004); 2)《物化探工程测量规范》(DZ/T0153-95); 3)《城市工程地球物理探测规范》(中华人民共和国行业标准JJ7-2007); 4)《水利水电工程物探规程》(中华人民共和国水利水电行业标准

SL326-2005); 5)《工程测量规范》(GB/50026-2007)。 4、方法原理 瑞利波是面波的一种。瑞利波法是利用瑞利波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的地球物理方法。 在自由界面(如地面)上进行竖向激振时,均会在其表面附近产生各种波长的瑞利波,其二维和三维波动及传播示意图见图1和图2。瑞利波有三个与工程质量检测和地质勘察有关的主要特征: (1)、在分层介质中,瑞利波具有频散特性; 图1 瑞利波的椭圆极化示意图(二维) (2)、瑞利波的波长不同,穿透深度也不同; (3)、瑞利波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。

工程双源面波勘探及其应用

工程双源面波勘探及其应用 毛健伟聂碧波郭乃根孙秀容夏学礼 上海申丰地质新技术应用研究所有限公司 上海201106 内容提要:为了提高面波勘探的勘查深度,将多道瞬态面波勘探和微动勘查集成为一轻便的系统,使面波勘探的勘查深度加深至100∽300米,基本满足了工程上的需要。在多道瞬态面波勘探数据采集时应首先对面波波场进行分析,采用大偏移、大道距对提高频散曲线的提取精度十分重要。使用该系统在同一点两种方法采集数据得到的频散曲线有着十分好的重复性和唯一性,并能得到验证。工程双源面波勘探在浅部煤层采空区中的应用取得了很好的效果。在煤层埋藏较浅,得不到煤层反射波的煤层采空区调查中有着较好的应用前景。 关键词:面波微震双源采集系统频散 1引言 上世纪九十年代中期,北京水电物探研究所刘云祯先生首先提出了“多道瞬态面波法勘探【1】”,并研制出具有自主知识产权的多功能面波仪,开发出相应的资料处理软件。多道瞬态面波法勘探在工程界得到普遍应用。并于2004年国家颁布了“多道瞬态面波发勘察规程【2】”。通过多年的实践,多道瞬态面波法勘探在频散曲线提取中的稳定性问题【3】,频散曲线的“之”型问题【4】及勘探深度较浅等都使其应用受到限制。1998年原地质矿产部王振东先生针对多道瞬态面波勘探勘探较浅(20米左右)提出了双源面波勘探的设想【5】,拟将多道瞬态面波勘探和微动勘查在软、硬件上集成为一个系统,即同时可进行“多道瞬态面波法勘探”,又可进行“微动勘查”,取之所长,避之所短,提高面波勘探勘查深度,满足绝大部分工程的需要。 虽然“多道瞬态面波法勘探”和“微动勘查”都是应用面波在非均匀介质具有频散特性和半波长理论来研究地下地质结构,但他们在数据采集方法、使用的硬件及资料处理方法上有着较大的差别。上海申丰地质新技术应用研究所有限公司于2008年在加拿大骄佳技术公司赵冬先生的配合下,选择美国SI公司生产的S-Land数字化工程地震数据采集系统为硬件,赵东先生编制的天然原面波F-K、SPAC、ESPAC处理软件集成了工程双源面波勘探系统,并在野外进行了大量的试验,使面波勘探的勘探深度提高至100-300米。该系统之所以定名为工程双源面波勘探系统,它在两方面不同于“微动勘查”,一是它的采集硬件是多道(24或48道)而不是4或7个独立的采集单元,一个系统既可采集人工源面波,又可进行微动采集;二是它采用的传感器是2.5Hz和4.5Hz低频检波器,而不是低频摆,该系统更换检波器后还可进行地震反射和折射波法勘查,一个系统可以进行多种弹性波法数据采集,既适用又经济。

面波法勘探在工程勘察中的应用

面波法勘探在工程勘察中的应用

面波法勘探在工程勘察中的应用 摘要 在近地表勘探工作中,常用的方法有地质钻探、地震折射和反射 等方法。地质钻探方法比较可靠,但是成本高,且具有破损性;地震 折射方法和反射方法对于波阻抗差异较小的地质体界面反映较弱,不 容易分辨,特别折射波法要求下层介质的速度一定要大于上层介质的 速度,如果地层存在低速夹层和速度倒转,则折射法将无能为力。瑞 雷面波勘探法是一种新型的地震勘探方法,能够弥补传统方法的不 足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的频散特性进行浅层地质勘探检 测。 引言 (1) 第一章地震面波简介 (2) 第二章瑞利波勘察原理及现场工作方法 (3) 2.1瑞利波勘察原理 (3) 2.2多道瞬态面波数据采集方法 (4) 第三章瑞利波资料整理与解释 (6) 3.1面波频散曲线的深度解释 (6) 3.2层厚度的计算方法 (6) 3.3层速度的计算方法 (7) 第四章工程实例 (9) 4.1工程概述 (9) 4.2数据采集和处理 (9) 4.3底层划分及滑动面确定 (11)

第五章结论 (15) 致谢 (16) 参考文献 (17)

引言 面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,集中于自由表面,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。 1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法,但由于当时技术条件的限制,均未获得成功。70年代初美国利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题,并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)论文,报道了有关的研究成果。在稳态方面,直到80年代初,日本的VIC株式会社经过多年的研究试制,推出了GR-810佐藤式全自动地下勘探机,才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。上个世纪九十年代中期,日本科学家在研究常时微动的过程中发现,常时微动是一种震源(包含面波在内)并初步完成了地基勘察。这是一项具有很大潜力的面波勘探方法。

面波法勘探在工程勘察中的应用

面波法勘探在工程勘察中的应用 摘要 在近地表勘探工作中,常用的方法有地质钻探、地震折射和反射 等方法。地质钻探方法比较可靠,但是成本高,且具有破损性;地震 折射方法和反射方法对于波阻抗差异较小的地质体界面反映较弱,不 容易分辨,特别折射波法要求下层介质的速度一定要大于上层介质的 速度,如果地层存在低速夹层和速度倒转,则折射法将无能为力。瑞 雷面波勘探法是一种新型的地震勘探方法,能够弥补传统方法的不 足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的频散特性进行浅层地质勘探检 测。 引言 (1) 第一章地震面波简介 (2) 第二章瑞利波勘察原理及现场工作方法 (3) 2.1瑞利波勘察原理 (3) 2.2多道瞬态面波数据采集方法 (4) 第三章瑞利波资料整理与解释 (6) 3.1面波频散曲线的深度解释 (6) 3.2层厚度的计算方法 (6) 3.3层速度的计算方法 (7) 第四章工程实例 (9) 4.1工程概述 (9) 4.2数据采集和处理 (9) 4.3底层划分及滑动面确定 (11)

第五章结论 (15) 致谢 (16) 参考文献 (17)

引言 面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,集中于自由表面,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。 1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法,但由于当时技术条件的限制,均未获得成功。70年代初美国利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题,并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)论文,报道了有关的研究成果。在稳态方面,直到80年代初,日本的VIC株式会社经过多年的研究试制,推出了GR-810佐藤式全自动地下勘探机,才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。上个世纪九十年代中期,日本科学家在研究常时微动的过程中发现,常时微动是一种震源(包含面波在内)并初步完成了地基勘察。这是一项具有很大潜力的面波勘探方法。

面波勘探技术分析

面波勘探技术分析 近年来,由于地震的频繁发生,对浅层地球物理勘探技术有了更高的要求,面波勘探技术就是在此情况下应运而生的新的勘探技术,其以简便、快速、高分辨率等特点而在许多领域得以应用,并取得了很好的效果。本文对面波勘探技术进行了具体的介绍,同时分析了面波勘探技术在野外方法,以及面波勘探技术在工程及应用过程中存在的问题进行了具体的阐述。 标签:面波;勘探;瞬态法 1 概述 随着近几年对浅层地震研究的深入,面波勘探随之发展起来,成为国内外在勘探浅层地震中普遍采取的一种方法。在面波中有瑞利波(R波)和拉夫波(L 波)之分,在进行面波勘探时通常称为R波,因其在同组波组中具有较强的能量、同时振幅也高于其他波,频率也处于最低点,在测量时很容易识别。 同时面波勘探技术对于面波还有另外一种分法,稳态法、瞬态法和无源法,这种分类法主要是根据产生面波的震源不同进行分类的,但其在测试时的原理是一样的。 2 面波勘探技术 面波是一种特殊的地震波,它与地震勘探中常用的纵波(P波)和横波(S 波)不同,它是一种地滚波。在各向均匀半无限空间弹性介质表面上,当一个圆形基础上下运动时,由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)出来,即P波占7%、S波占26%、R波占67%,亦就是说,R波的能量占全部激振能量的2/3,因此利用R波作为勘探方法,其信噪比会大大提高。 综合分析表明R波具有如下特点: (1)在地震波形记录中振幅和波组周期最大,频率最小,能量最强。 (2)在不均匀介质中R波相速度(VR)具有频散特性,此点是面波勘探的理论基础。 (3)由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至,且VR与VS具有很好的相关性,其相关式为: VR=VS·(0.87+1.12μ)/(1+μ);式中:μ为泊松比; 此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用。

瑞雷面波勘探

瑞雷面波勘探及软件应用 摘要 本文主要介绍SWS型多波列数字图象工程勘察与工程检测仪和其配套的SWS瞬态面波数据处理软件的使用方法,通过对其工作原理和瑞雷面波理论的介绍,说明多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用。并且通过一个实例具体说明如何使用该仪器进行野外数据的采集及数据处理软件的使用。 关键词 SWS瞬态面波数据处理软件;多道面波采集系统;瞬态面波法 Abstract This text introduce SWS type many wave arrange digital vision project reconnoitre wave operation method ,data processing of software the related to project detector and its SWS transient state mainly,Pass to its operation principle and theoretical introduction of auspicious Ray a wave,Prove many dishes of surface wave gather system wave key effect ,law of developing transient state。And concrete to prove how about to use this software to go on datum gathering ,graph processing and analysing through one instance。 Keywords Wave data processing software SWS; Many dishes of surface wave gather the system; Wave law the transient state

面波法勘探在工程勘察中的应用

面波法勘探在工程勘察中的 应用 本页仅作为文档页封面,使用时可以删除 This document is for reference only-rar21year.March

面波法勘探在工程勘察中的应用 摘要 在近地表勘探工作中,常用的方法有地质钻探、地震折射和反射 等方法。地质钻探方法比较可靠,但是成本高,且具有破损性;地 震折射方法和反射方法对于波阻抗差异较小的地质体界面反映较 弱,不容易分辨,特别折射波法要求下层介质的速度一定要大于上 层介质的速度,如果地层存在低速夹层和速度倒转,则折射法将无 能为力。瑞雷面波勘探法是一种新型的地震勘探方法,能够弥补传 统方法的不足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的频散特性进行浅 层地质勘探检测。 引言 (1) 第一章地震面波简介 (2) 第二章瑞利波勘察原理及现场工作方法 (3) 瑞利波勘察原理 (3) 多道瞬态面波数据采集方法 (4) 第三章瑞利波资料整理与解释 (6) 面波频散曲线的深度解释 (6) 层厚度的计算方法 (6) 层速度的计算方法 (7) 第四章工程实例 (9) 工程概述 (9) 数据采集和处理 (9)

底层划分及滑动面确定 (11) 第五章结论 (15) 致谢 (16) 参考文献 (17)

引言 面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,集中于自由表面,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。 1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法,但由于当时技术条件的限制,均未获得成功。70年代初美国利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题,并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)论文,报道了有关的研究成果。在稳态方面,直到80年代初,日本的VIC株式会社经过多年的研究试制,推出了GR-810佐藤式全自动地下勘探机,才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。上个世纪九十年代中期,日本科学家在研究常时微动的过程中发现,常时微动是一种震源(包含面波在内)并初步完成了地基勘察。这是一项具有很大潜力的面波勘探方法。

浅议岩土工程勘察的基本原理及目的

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/6c14857783.html, 浅议岩土工程勘察的基本原理及目的 作者:张云飞 来源:《中国科技纵横》2010年第15期 摘要:本文结合某拟建工程实例分析了岩土工程勘察,论述了勘察目的及工作量布置、基本原理。以供同行用作参考。 关键词:岩土工程勘察;基本原理;稳定性分析; 1 工程简介 某拟建工程地区,总建筑面积12万m2,场地东侧山坡坡度较陡,一般为30~42°;场地西北侧由数个山包呈北北东向排列,山顶标高90.5~104.3m,地形坡度20~30°,以上山体均为剥蚀残丘,分布花岗岩及其风化残积、坡积物。建设用地地面标高13.5~56.7m,地形纵向坡度一般 2 勘察场地的地质条件、稳定性分析 2.1本次勘察揭示的岩土层除山谷、平地上部的人工素填土外,主要为山坡、坡脚分布的坡积土和黑云母花岗岩风化而成的残积土、强风化岩、中(微)风化岩,场地不存在大型断裂构造。坡脚地下水埋藏深度1.0~5.3m,为孔隙-裂隙型潜水。 2.2 场地不良地质作用类型场地东侧山坡、坡脚自北而南不到600m的长度上,存在9个小型滑坡、崩塌,其发育的高度位置接近,形态相似,形成滑坡、崩塌群。滑坡体厚度一般小于6m,为浅层滑坡,滑坡体宽度20~45m,滑坡体长度35~100m,为小型滑坡,滑坡体主要为坡、残积土,滑动面主要发生在残积土中。 2.3 场地不良地质作用成因分析,场地东侧山坡较陡,地形高差较大,山顶地形相对平缓,向下逐渐变陡,山坡下部及坡脚地形又变缓~呈馒头形;山顶及山坡上部,主要出露基岩,山坡下部及坡脚的覆盖层较厚。山坡坡脚不良地质作用发育的原因,与上述地形地貌特征、岩土分布特征和 大气降雨有相当大的关系,山顶相对平缓,汇集降雨水,向下,山坡变陡,加速地表雨水向下流动速度,山坡下部,地形又变缓,水流冲刷坡、残积土,部分水渗入土层中,(残积土中富含高岭土,遇水软化,强度降低)久而久之,土体产生崩塌、滑坡,但由于坡、残积土厚度较小,因此滑坡体厚度较小,由此形成了场地东侧众多小型滑坡、崩塌裙;滑坡发生后,滑坡土体强度降低,土体较松散,经多年雨水冲刷,在地形上,形成相对低洼地,有的形成冲沟。 2.4 滑坡稳定性分析计算本次勘察对坡积粉质粘土和残积粘性土还进行剪切和残余强度试验,岩石强度指标主要受裂隙性质控制,根据控制滑动的裂隙性质、充填胶结情况确定其强度参数。 3不良地质现象治理方法

多道瞬态面波勘察规范

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多道瞬态面波勘察规范 4 总则 4.1 应用条件 1 勘察对象与周围介质应存在明显物性(速度)差异. 2 勘察目标体尺寸,相对于埋藏深度应具有一定的规模. 3 目标体的物性异常能从干扰背景中清晰分辨出. 4 场地条件满足开展面波勘察的要求. 5 面波勘察方法满足任务的目的要求. 4.2 应用领域 1探查覆盖层厚度,划分松散地层沉积层序; 2 探查基岩埋深和基岩面起伏形态,划分基岩的风化带; 3 探测构造破碎带; 4 探测地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区; 5 探测地下非金属管道; 6 探测滑坡体的滑坡带和滑坡面起伏形态; 7 地基动力测试,地基加固效果检验、评价等。 4.3 应用能力 普遍采用5-K变换法提取瑞雷面波、多道加权平均或直接从5-K域获取的频散曲线作为该排列的中心点处频散曲线,采用阻尼最小二乘法反演横波速度,从而降低了瑞雷波法探测的纵横向分辨率。无法探测小规模和局部异常,难以满足高精度探测的要求。 5 工作设计 5.1 工作任务 5.1.1 应根据主管部门或委托方下达的任务书或有关合同(协议)明确工作任务与技术要求,确定项目负责人,编写设计书。 5.1.2 工作任务书内容应包含以下内容: 1 工程名称、工程地点、工程编号及范围; 2 要求提交的成果资料和期限;

3 工作区的地形、地貌及地质概况; 4 与任务有关的已知地质资料及地形图。 5.2 资料收集与踏勘 5.2.1 现场探勘应包括以下内容:测区地形、地貌、交通及工作条件;核对已收集的地质、物化探及测绘资料; 5.2.2 设计书编写之前应由项目负责人组织收集和分析工区有关资料,包括以下内容: 1 场地的岩土工程勘察资料 2 场地建(构)筑物的平面图等; 3 场地及其临近的干扰震源; 4 有关的地质、钻探、物探及其他技术资料 5.3 方法有效性试验 5.3.1 野外施测之前,必须进行方法的有效性试验工作; 5.3.2 试验工作应根据测区具体的地质条件、地貌单元规定,每种条件下不少于1个试验面波点; 5.3.3 试验点应布置在有代表性的地段上,与生产测线重合,并通过已知地质资料的地段、试验成果作为生产成果的一部分; 5.3.4 试验工作遵循从简单到复杂、试验因素单一变化的原则。 5.4 测线与观测系统的选择 5.4.1 应结合探测目的和已知资料,通过试验确定观测系统布置方式、采集参数和激发方式。现场工作应符合下列规定: 1 应视探测对象布置成测线或测网;多道接收时,测线应呈直线布置; 2 应采用向前滚动观测方式,滚动点距应满足横向分辨率要求; 3 测点间距应根据探测任务和现场条件确定,每条测线上不得少于3个测点。

物探方法原理

第三章测线布置、物探方法及质量评价 第一节测线布置目的及精度 一、测线布置总体规则 (一)、测网布置应根据任务要求、探测方法、被探测对象规模、埋深等因素综合确定。测网和工作比例尺应能观测被探测的目的体,并可在平面图上清楚反映探测对象的规模、走向。 (二)、测线方向宜垂直于地层、构造和主要探测对象的走向,应沿地形起伏较小和表层介质较为均匀的地段布置测线,测线应与地质勘探线和其它物探方法的测线一致,避开干扰源。 (三)、当测区边界附近发现重要异常时,应将测线适当延长至测区外,以追踪异常。 (四)、在地质构造复杂地区,应适当加密测线和测点。 (五)、测线端点、转折点、物探观测点、观测基点应进行测量。 二、各测线方位、长度及物探方法布置 根据任务设计书,本课题测线、测点采用网格状布置,分别对测网内每个点进行高密度电法、主动源面波法和微动法测量。其中高密度电法测线垂直于构造布置以某一方位布置一条约290m-590m长的测线,主动源面波法以测点为中心以某一个方位(根据实际场地条件而定)布置一条40m-50m长的测线,微动法则对该中心点进行单点测量,并用手持GPS记录该中心点的位置,设计的测点坐标是根据湖南怀化盆地岩溶塌陷1:5万环境地质调查工作部署图选定的并计算的,精度达到经纬度小数点后6位数字,精度达到15m以内,达到了设计精度要求。

第二节 物探方法、参数及技术指标 物探方法、参数及质量评价,严格按照相关物探规范、规程设计、执行,对已有规范、规程不适应岩溶塌陷调查的部分,参照相应的规范、规程修改执行。本章主要叙述与该项目有关的物探方法。主要有地面物探:高密度电法、主动源面波法和微动法。 一、高密度电法 (一)、高密度视电阻率联合剖面法: 高密度视电阻率联合剖面法原理:测线垂直构造走向或地下水流向,在测线上顺序布置供电电极A 、测量电极M 、N 和供电电极B ,在测线的中垂线方向上布置“无穷远”极C ,距离一般大于AB/2距的5倍以上,A 或B 分别与C 组合,分别供电测量获得视电阻率 和 。这样的视电阻率曲线是在固定A 、M 、N 、B 间距下获得,沿水平向测量可获得一定深度范围内的电性分布信息,其中 、 的曲线形态(正交点、反交点、同步起伏等),可用于评价地下地质体的导电性;曲线在交点附近的变化形态(对称、倾斜),可推测地下地质体的产状;对比不同极距的联合剖面曲线,可推测地下异常体的空间形态;通过曲线异常段与背景值的相对大小、变化剧烈程度可估算地下地质体的位置和宽度。该方法是追索直立或陡立脉状低阻体最为有效的方法之一。 (1)仪器:WDJD-3 (2)测量参数:电位,供电电流 (3)利用参数:视电阻率 (4)布置方式:剖面 (5)技术指标: 高密度联合剖面法和高密度电测深法采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪为控制主机,配以WDZJ-3多路电极转换器构成高密度电阻率测量系统。在野外通过重复测量、检查试验来判断仪器是否工作正常。 ①仪器技术指标、装备技术指标满足(DZ/T0073-1993表4及)的规定。 ②曲线具有极值类型的异常值Y 估计表达式为: 00()/a Y ρρρ=- 3-1 0ρ为正常背景值。 ③ 曲线具有阶梯状类型的异常值Y 估计表示为: 2121 2()/()a a a a Y ρρρρ=-+ 3-2 2a ρ、1 a ρ分别为阶梯两侧的视电阻率值。

第二章 2-1面波勘探的基本原理

第二节瑞雷面波法 自1887年英国学者瑞雷从理论上证明了瑞雷面波的存在以来,人们曾对面波的形成和传播特征做过许多研究,但长期以来,它却一直被认为是地震勘探中的一种干扰波,没有利用价值。上世纪六十年代开始,国外有人开始研究瑞雷面波的有效利用问题。到上世纪八十年代,瑞雷面波的传播特性及利用方面的研究成为世界工程地球物理勘探同行们的研究热点。目前,瑞雷面波勘探法在我国已经得到广泛应用,现在几乎国内外所有的浅层地震勘探仪都配有瑞雷面波勘探的功能。尽管其应用已经如此广泛,但瑞雷面波勘探的理论问题、仪器问题和处理解释问题还并没有得到很好的解决。也就是说,瑞雷面波勘探在技术及理论方面还有大量的工作要做。 §2-1面波勘探的基本原理 2.1.1均匀半空间瑞雷面波的形成 地表震源不仅激发纵波和横波,同时由于纵波和横波的相互干涉叠加,会出现波形的转换,使地下介质质点按一定的轨迹运动,形成一种新的、能量很强且主要集中在地表附近的波动。由于这种波是1887年由瑞雷从数学上证明其存在的,故称为瑞雷面波。关于瑞雷波的推导如下: 条件:自由界面以下为半无限均匀弹性介质,介质的弹性常数为λ和μ,密度为ρ,x、y轴取在自由表面上,z轴垂直向下。设瑞雷波速为 V,在zox平面内沿x轴方向传播,在y轴方向的振幅和相位完R

全相同,及只讨论平面二维情况。令其势函数为: ) ()(t x k i R e z f ω?-= ) ()(t x k i R e z f ωψ-= ? 和ψ分别满足下列波动方程: 2222 1t V P ??=?? ? 2222 1t V S ??=?ψ ψ 将?、ψ代入上式,可得: 0)(2 222=--f k k dz f d P R 0)(2 22 2=--g k k dz g d S R 其中,P P V k ω = ,S S V k ω = ,R R V k ω = 。 上式的解为: z z Ce Ae f αα+=- z z De Be g ββ+=- 式中:2 2P R k k -=α,22S R k k -=β。 由边界条件:0,→∞ →z ψ?得:0=C ,0=D 。 于是有: ) (t x k i z R e Ae ωα?--= z Be βψ-=) (t x k i R e ω- 在自由界面,其边界条件是正应力和切应力为零。即:

多道瞬态面波勘察规范

多道瞬态面波勘察规范 4总则 4.1应用条件 1勘察对象与周围介质应存在明显物性(速度)差异. 2勘察目标体尺寸,相对于埋藏深度应具有一定的规模. 3目标体的物性异常能从干扰背景中清晰分辨出. 4场地条件满足开展面波勘察的要求. 5面波勘察方法满足任务的目的要求. 4.2应用领域 1探查覆盖层厚度,划分松散地层沉积层序; 2探查基岩埋深和基岩面起伏形态,划分基岩的风化带; 3探测构造破碎带; 4探测地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区; 5探测地下非金属管道; 6探测滑坡体的滑坡带和滑坡面起伏形态; 7地基动力测试,地基加固效果检验、评价等。 4.3应用能力 普遍采用5-K 变换法提取瑞雷面波、多道加权平均或直接从5-K 域获取的频散曲线作为该排列的中心点处频散曲线,采用阻尼最小二乘法反演横波速度,从而降低了瑞雷波法探测的纵横向分辨率。无法探测小规模和局部异常,难以满足高精度探测的要求。 5工作设计 5.1工作任务 5.1.1应根据主管部门或委托方下达的任务书或有关合同(协议)明确工作任务与技术要求,确定项目负责人,编写设计书。 5.1.2工作任务书内容应包含以下内容:

1工程名称、工程地点、工程编号及范围; 2要求提交的成果资料和期限; 3工作区的地形、地貌及地质概况; 4与任务有关的已知地质资料及地形图。 5.2资料收集与踏勘 5.2.1现场探勘应包括以下内容:测区地形、地貌、交通及工作条 件;核对已收集的地质、物化探及测绘资料; 5.2.2设计书编写之前应由项目负责人组织收集和分析工区有关资料,包括以下内容: 1场地的岩土工程勘察资料 2场地建(构)筑物的平面图等; 3场地及其临近的干扰震源; 4有关的地质、钻探、物探及其他技术资料 5.3方法有效性试验 5.3.1野外施测之前,必须进行方法的有效性试验工作; 5.3.2试验工作应根据测区具体的地质条件、地貌单元规定,每种条件下不少于1 个试验面波点; 5.3.3试验点应布置在有代表性的地段上,与生产测线重合,并通 过已知地质资料的地段、试验成果作为生产成果的一部分; 5.3.4试验工作遵循从简单到复杂、试验因素单一变化的原则。 5.4测线与观测系统的选择 5.4.1应结合探测目的和已知资料,通过试验确定观测系统布置方 式、采集参数和激发方式。现场工作应符合下列规定: 1应视探测对象布置成测线或测网;多道接收时,测线应呈直线布置;

面波勘探技术分析

面波勘探技术分析 摘要:面波勘探是近年起来的一种新的浅层地球物理勘探,具有简便、快速、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点,已在许多领域得到,并取得了良好的应用效果。文章介绍了面波勘探技术的发展概况、探测原理、主要特点及其野外测试方法,对其应用范围及存在的作了说明,并给出一个应用实例。 主题词:面波勘探瞬态法 一、概述 面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为①稳态法、

②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。 二、面波勘探技术 面波是一种特殊的地震波,它与地震勘探中常用的纵波(P波)和横波(S波)不同,它是一种地滚波。 在各向均匀半无限空间弹性介质表面上,当一个圆形基础上下运动时,由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)出来,即P波占7%、S波占26%、R波占67%,亦就是说,R波的能量占全部激振能量的2/3,因此利用R波作为勘探方法,其信噪比会大大提高。 综合分析表明R波具有如下特点: ⑴在地震波形记录中振幅和波组周期最大,频率最小,能量最强; ⑵在不均匀介质中R波相速度(VR)具有频散特性,此点是面波勘探的理论基础;

⑶由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至,且VR与VS具有很好的相关性,其相关式为: VR=VS·(0.87+1.12μ)/(1+μ);式中:μ为泊松比; 此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用; ⑷R波在多道接受中具有很好的直线性,即一致的波震同相轴; ⑸质点运动轨迹为逆转椭圆,且在垂直平面内运动; ⑹R波是沿地表传播的,且其能量主要集中在距地表一个波长(λR)尺度范围内。 依据上述特性,通过测定不同频率的面波速度VR,即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数,达到岩土工程勘察之目的。 三、野外工作方法

面波

面波勘探是近年发展起来的一种新的浅层地球物理勘探方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点,已在许多领域得到应用,并取得了良好的应用效果。文章介绍了面波勘探技术的发展概况、探测原理、主要特点及其野外测试方法,对其应用范围及目前存在的问题作了说明,并给出一个应用实例。 关键词:瑞利面波地震勘探瞬态法频散曲线 1 前言 面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。 1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法,但由于当时技术条件的限制,均未获得成功。70年代初美国F·K·Chang等人利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题,并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Explorati on”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)论文,报道了有关的研究成果。在稳态方面,直到80年代初,日本的VIC株式会社经过多年的研究试制,推出了GR-810佐藤式全自动地下勘探机,才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。通过几年的实践和初步研究,R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面: ⑴查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分; ⑵对岩土体的物理力学参数进行原位测试; ⑶工业与民用建筑的地基基础勘察; ⑷地下管道及埋藏物的探测; ⑸地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测; ⑹软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别; ⑺公路、机场跑道质量的无损检测; ⑻江河、水库大坝(堤)中软弱夹层的探测和加固效果评价等; ⑼场地土类别划分及滑坡调查等;

多道瞬态面波勘察规范

多道瞬态面波勘察规 4 总则 4.1 应用条件 1 勘察对象与周围介质应存在明显物性(速度)差异. 2 勘察目标体尺寸,相对于埋藏深度应具有一定的规模. 3 目标体的物性异常能从干扰背景中清晰分辨出. 4 场地条件满足开展面波勘察的要求. 5 面波勘察方法满足任务的目的要求. 4.2 应用领域 1探查覆盖层厚度,划分松散地层沉积层序; 2 探查基岩埋深和基岩面起伏形态,划分基岩的风化带; 3 探测构造破碎带; 4 探测地下隐埋物体、古墓遗址、洞穴和采空区; 5 探测地下非金属管道; 6 探测滑坡体的滑坡带和滑坡面起伏形态; 7 地基动力测试,地基加固效果检验、评价等。 4.3 应用能力 普遍采用5-K变换法提取瑞雷面波、多道加权平均或直接从5-K 域获取的频散曲线作为该排列的中心点处频散曲线,采用阻尼最小二乘法反演横波速度,从而降低了瑞雷波法探测的纵横向分辨率。无法探测小规模和局部异常,难以满足高精度探测的要求。 5 工作设计 5.1 工作任务 5.1.1 应根据主管部门或委托方下达的任务书或有关合同(协议)明确工作任务与技术要求,确定项目负责人,编写设计书。 5.1.2 工作任务书容应包含以下容: 1 工程名称、工程地点、工程编号及围;

2 要求提交的成果资料和期限; 3 工作区的地形、地貌及地质概况; 4 与任务有关的已知地质资料及地形图。 5.2 资料收集与踏勘 5.2.1 现场探勘应包括以下容:测区地形、地貌、交通及工作条件;核对已收集的地质、物化探及测绘资料; 5.2.2 设计书编写之前应由项目负责人组织收集和分析工区有关资料,包括以下容: 1 场地的岩土工程勘察资料 2 场地建(构)筑物的平面图等; 3 场地及其临近的干扰震源; 4 有关的地质、钻探、物探及其他技术资料 5.3 方法有效性试验 5.3.1 野外施测之前,必须进行方法的有效性试验工作; 5.3.2 试验工作应根据测区具体的地质条件、地貌单元规定,每种条件下不少于1个试验面波点; 5.3.3 试验点应布置在有代表性的地段上,与生产测线重合,并通过已知地质资料的地段、试验成果作为生产成果的一部分; 5.3.4 试验工作遵循从简单到复杂、试验因素单一变化的原则。5.4 测线与观测系统的选择 5.4.1 应结合探测目的和已知资料,通过试验确定观测系统布置方式、采集参数和激发方式。现场工作应符合下列规定: 1 应视探测对象布置成测线或测网;多道接收时,测线应呈直线布置; 2 应采用向前滚动观测方式,滚动点距应满足横向分辨率要求; 3 测点间距应根据探测任务和现场条件确定,每条测线上不得少于3个测点。

面波勘探原理及其应用

毕业设计(论文) 题目:面波在地震波场中的特性研究及其应用Surface wave in the characteristics of seismic wave field research and its application 学生姓名:高振兵 专业:勘查技术与工程 班级:07023209 指导教师:方根显 二零一一年六月

摘要 瑞利面波勘探是近年发展起来的一种新的浅层地球物理勘探方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点,已在许多领域得到应用,并取得了良好的应用效果[1]。瑞利面波是一类频率较低、能量较强的次生波,且主要沿着介质的分界面传播,其能量随着与界面距离的增加迅速衰减。瑞利面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。本文从瑞利面波的概念、工作原理及方法、频散特征、反演研究以及实际资料的应用等方面,用多道检波器测量来了解面波勘探在浅层地表调查中的应用。 关键词:瑞利面波、频散曲线、波动方程、瞬态瑞雷波勘探。

ABSTRACT Rayleigh wave exploration is developed in recent years, a new shallow geophysical exploration methods, it is a simple, quick, economy, high resolution, achievements intuitive, applicable site, has the advantages of small find application in many fields, and have achieved good application effect.Rayleigh's is a kind of lower frequency, energy strong secondary wave, and mainly the boundary surface along the medium, the energy with the spread of interface distance attenuation increases rapidly. Rayleigh wave reflection wave, with all contain the same refraction wave of underground medium geological information.This article from Rayleigh's concept, principle and method , frequency dispersion characteristics, and inversion study and the actual material application etc, with multi-channel detectors measurements to understand surface wave exploration in the application of shallow surface survey. keywords: Rayleigh wave,frequency disperse curve, wave equation, transient state Rayleigh wave prospecting.

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