地球物理勘探(地震勘探3).pdf

125 圖 1 5 2 追逐時距曲線系統(tǒng) 5 地震折射波法 在工程地震勘探中 地震折射波法是一種簡便經(jīng)濟的勘探方法 在精度要求不高的情 況下 它可為工程地質(zhì)提供淺層地層起伏變化和速度橫向變化資料以及潛水面的變化資料 等 還可為反射波法勘探提供用于靜校正的表層速度和低速帶起伏變化資料 有關折射波 的形成及正演時距曲線的特征等問題已在本篇的第一和第二章中討論過了 在此 僅就資 料的采集和處理解釋問題進行論述 5 1 資料采集 5 1 1 折射波法的觀測系統(tǒng) 折射波的特殊性決定了折射波觀測系統(tǒng)與反射波觀測系統(tǒng)截然不同 根據(jù)勘探對象的 地質(zhì)特征及地表條件 折射波法觀測系統(tǒng)也是多樣的 1 完整對比觀測系統(tǒng) 沿測線方向通過連續(xù)進行相遇時距曲線互換點的連接對比以獲得連續(xù)剖面的觀測系 統(tǒng) 稱為完整對比觀測系統(tǒng) 根據(jù)所追蹤的界面是單層的還是多層的 完整對比觀測系統(tǒng)綜合平面圖有不同的形式 如圖 1 5 1a b 所示的觀測系統(tǒng)是追蹤單一界面和為勘探多層折射界面所采用的完整 對比觀測系統(tǒng) a b 圖 1 5 1 折射波法完整對比觀測系統(tǒng) a 追蹤單一界面 b 追蹤多層界面 即使是勘探同樣結構的折射界面 觀測系統(tǒng)的形式亦可以不盡一致 如圖 1 5 2 所示 的觀測系統(tǒng)與圖 1 5 1a 有所不同 前者追逐時距曲線的重疊部分為后者 圖 1 5 1a 的一 半 應特別指出的是 必須保證相遇時距曲線互換點及追逐時距曲線重迭部分在干涉區(qū)以 外 此外應盡可能在觀測系統(tǒng)綜合平面 圖上給出初至區(qū)的范圍 以便設計觀察 系統(tǒng) 2 不完整對比觀測系統(tǒng) 在折射波法勘探中 不都完全采用 相遇時距曲線互換連接對比觀測 而且 126 也有部分地或完全用追逐時距曲線相似性標志連接對比的觀測形式 我們把這種觀測系統(tǒng) 稱為不完整對比觀測系統(tǒng) 如圖 1 5 3 所示 圖 a 是只用追逐時距曲線對比連接的 這種 觀測系統(tǒng)適用于條件較簡單 波形穩(wěn)定的情況 圖 b 是每對相遇時距曲線在互換點處連接 而每對相遇時距曲線之間則利用追逐時距曲線連接 在利用追逐時距曲線系統(tǒng)時 與被追 逐時距曲線一起追蹤的地段長度應足夠的長 一般重疊地段長度為炮點間距的 20 30 以便可靠地確定時距曲線形狀 3 非縱測線觀測系統(tǒng) 根據(jù)炮點和檢波點的相對位置關系 可將地震勘探測線分為縱測線和非縱測線兩類 炮點與檢波點在一條直線上 稱為縱測線 前面講的兩種觀測系統(tǒng)都是縱測線觀測系統(tǒng) 炮點與檢波點不在一條直線上 稱為非縱測線 利用折射法研究鹽丘 陡構造及斷層等特殊地質(zhì)體時 多采用非縱測線觀測系統(tǒng) 圖 1 5 4 所示的觀測系統(tǒng)是扇形排列 它是非縱測線觀測系統(tǒng)的一種 多用于鹽丘勘探 因為 鹽丘的波速高于圍巖 凡經(jīng)過鹽丘的折射波到達地面觀測點的正常時間都比沒有經(jīng)過鹽丘 的折射波要早 即超前 根據(jù)重疊的扇形排列觀測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的超前 可以圈出高速波的地 質(zhì)體 a b 圖 1 5 3 不完整對比觀測系統(tǒng) 圖 1 5 4 扇形觀測系統(tǒng) 5 1 2 激發(fā)與接收 1 激發(fā) 折射波的激發(fā)方式與反射波法基本一致 對于工程地震勘探而言 最常用的就是錘擊 和炸藥震源兩種 有關情況參見前文 2 接收 折射波的接收與反射波法相比 略有不同 主要有 觀測系統(tǒng) 折射波法不采用多次覆蓋方式進行觀測 并且考慮到折射波的盲區(qū) 炮 點與接收排列之間必須有一定的偏移距 在野外采集前 可采用理論模型計算或試驗的方 127 式求得該偏移距 也可按經(jīng)驗公式hxd2 進行估算 其中h為主要目的層的深度 實際觀 測時 為獲得多個界面的折射波 偏移距 d x 是一個變量 對于觀測系統(tǒng)而言 相當于一個 大的相遇觀測再套上一個小的相遇觀測甚至再套上一個小的多重相遇觀測系統(tǒng) 道和道距 折射波法勘探中一般采用單個檢波器作為一道接收 而不搞組合檢波 其主要原因就是它不需要考慮壓制面波干擾問題 因為目前所考慮的折射波僅僅只是首 波 即是最先到達的波 從理論上說首波中包含了直達波和折射波 在采集中 我們只要 注意壓制隨機干擾并兼顧激發(fā)能量 就可獲得質(zhì)量較高的首波記錄 此外 為了不漏掉淺 層薄層信息 除了采用較高頻率的檢波器接收和注意激發(fā)頻帶寬度以及提高儀器濾波檔的 低截頻外 道距的選擇是十分重要的 一般有等間距和不等間距兩種方式 在不等間距接 收中 一般可把接收排列的道距設計成小一大一小方式 也可把它設計成小一大方式 道 距的選擇一般為 1 10m 可按勘探目的層深度 地層展布 儀器道數(shù)以及激發(fā)能量等情況 而定 5 2 資料處理解釋 這里所討論的折射波資料處理和解釋是對初至折射波而言 因此 通常情況下 首先 對地震記錄作適當?shù)奶幚砉ぷ?如靜校正和濾波等 然后對地震記錄進行波的對比分析 從中認別并提取有效波的初至時間和繪制相應的時距曲線 這一工作可以由人工來做 也 可以由微機自動完成 然后根據(jù)時距曲線特征 選用相應的方法進行解釋工作 下面我們 分別簡述其過程和方法技術 5 2 1 資料處理 折射波法資料處理及解釋的一般流程如圖 1 5 5 所示 圖中真正與波場處理有關的項 目是在初至拾取以前的預處理工作 后續(xù)的大部分處理工作一般稱為解釋性處理 在預處理中 所涉及到的處理方法技術與反射波法中相應的方法技術基本一致 除了 靜校正方法外 其它方法的目的波場與反射波法中有所不同 在此 主要是為突出初至折 射波 壓制其它波場 包括反射波 為目的的處理 對于淺層折射波法勘探而言 一次靜 校正工作仍然是十分重要的 為了不丟掉淺層信息 校正基準面的選擇應十分慎重 一般 地表起伏不大時 基準面可選為水平的 當?shù)乇砥鸱^大時 可沿著起伏變化 選擇浮動 基準面 最好是直線型 進行校正 在初至拾取中 一般采用的方法是手工拾取或人機交 互式拾取 拾取的時間位置應是初至折射波的起跳前沿 而不是極大峰值 與反射波的同 相軸拾取不同 5 2 2 資料解釋 解釋工作可分為定性解釋和定量解釋兩部分 定性解釋主要是根據(jù)已知的地質(zhì)情況和 時距曲線特征 判斷地下折射界面的數(shù)量及其大致的產(chǎn)狀 是否有斷層或其它局部性地質(zhì) 體的存在等 為選擇定量解釋方法提供依據(jù) 定量解釋則是根據(jù)定性解釋的結果選用相應 的數(shù)學方法或作圖方法求取各折射界面的埋深和形態(tài)參數(shù) 有時為了得到較精確的解釋結 果 需要反復多次進行定性和定量解釋 然后根據(jù)解釋結果構制推斷地質(zhì)圖等成果圖件 并編寫成果報告 128 圖 1 5 5 折射波法資料處理解釋流程框圖 在解釋方法選擇中 可分為常規(guī)解釋方法和復雜條件解釋方法兩類 各類中又分別包 含有各種不同的方法和不同的情況 通常當折射界面為正常的水平或傾斜速度界面時 可 選用常規(guī)的解釋方法 若是其它一些特殊形態(tài)的地質(zhì)體和巖層 則應選用相應的復雜方法 進行解釋 參見圖 1 5 5 各種不同情況的折射波的解釋方法 都是根據(jù)地震波的射線傳播原理和幾何關系得出 的 由于篇幅有限 這里不可能逐一進行介紹 但為了對折射波解釋方法有進一步的了解 下面將從單支時距曲線的解釋 相遇時距曲線的解釋 0 t 法 以及非縱時距曲線的解釋出 發(fā)進行討論 以助對折射波解釋方法實質(zhì)的理解 5 2 2 1 常見地質(zhì)構造現(xiàn)象的時距曲線 1 透鏡體和尖滅層的折射波時距曲線 在層狀介質(zhì)上進行折射波法勘探時 如果發(fā)現(xiàn)時距曲線上有不正常的滯后段或突然的 脫節(jié) 現(xiàn)象 很可能就是存在局部性低速體 或不連續(xù)的低速層 的一種標志 如圖 1 5 6 為一個反映低速透鏡體的折射波時距曲線圖 根據(jù)其相遇時距曲線上的 滯后 時間的異 常范圍 可大致確定此透鏡體沿測線分布的長度 另外根據(jù) 滯后 時間 t 還可以近似 估算出透鏡體的中心厚度 H 公式為 21 2 1 2 2 23 2 3 2 2 VV VV VV VV t H 1 5 1 129 式中 t 是 滯后 時間的最大異常值 1 V 和 2 V 分別為第一層和第二層的速度值 可直 接從時距曲線上求得 3 V 是低速透鏡體的速度值 在計算時往往可先假設一個速度值 13 VV 必定會產(chǎn)生折射波 這時將在BC 段接收到視速度 2 VV 的折射 波 過了界面上的 A 點之后 進入 3 V 介質(zhì) 由于 23 VV 折射波的出射角將隨著臨界角 的變化而改變 即 2 11 13 sin V V i 在 D 點以后的地段 可接收到視速度 3 VV 的折射波 且在 CD 段將產(chǎn)生交叉重疊的現(xiàn)象 在界面 A 點之后速度變大 則時距曲線的陡度較小 但其轉(zhuǎn)折點的位置不在 A 點的正上方 而是偏向 3 V 介質(zhì)一側 如圖 1 5 8 a 所示 此種 情況容易誤作為三層介質(zhì)進行解釋而導致錯誤的結果 130 圖 1 5 9 起立階梯構造的正反向折射波時距曲線 a b 圖 1 5 8 垂直分界面上正 反向折射波時距曲線 如果由于斷層等構造形成一個階梯 式的界面 如圖 1 5 9 所示 這種時距曲 線的變化將更為復雜 為簡便起見 這里 只討論在階梯界面以下介質(zhì)速度為 2 V 的 情況 這時 在角點 A 的上方 兩側時距 曲線有較大的脫節(jié) 并且在 A 點將產(chǎn)生繞 射波 當兩側時距曲線的 脫節(jié) 時間 t 清晰時 可求出階梯的高 h 當直立階梯構造兩側的波速不同時 則其兩側的時距曲線除脫節(jié)之處 還有視 速度的變化 5 2 2 2 單支時距曲線的解釋 我們以水平三層構造的時距曲線為 主 介紹其速度和深度的求取方法 如圖 1 5 10 所示 根據(jù)直達波和折射波時距曲線方程 即 2 232 1 131 3 3 1 2 211 2112122 11 cos2cos2 12 cos2 V iz V iz V x T v VVz VxVizVxT VxT 2 2 322 1 2 311 3 12 12 V VVz V VVz Vx 1 5 3 上式中 1 V 2 V 和 3 V 可由各自的時距曲線的斜率求出 當0 x時 有 1 2 211 1 12 V VVz 131 圖 1 5 10 水平三層構造 2 2 322 1 2 311 2 12 12 V VVz V VVz 1 5 4 故有 2 21 11 1 1 2 VV V Z 2 32 2 1 2 311 22 1 12 2 1 VV V V VVZ Z 1 5 5 則第二層底界埋深 2 d 為 212 ZZd 1 5 6 由上述分析可見 在解釋時 首 先繪出時距曲線 并根據(jù)時距曲線的 變化分別求出其交叉時和速度 隨后 按 1 5 5 和 1 5 6 式求出各折射 層的底界埋深 最后按 0 t 法給出折射 界面 5 2 2 3 相遇時距曲線的 0 t 法 該方法又稱 0 t 差數(shù)時距曲線法 是解釋折射波相遇時距曲線最常用的 方法之一 當折射界面的曲率半徑比 其埋深大得多的情況下 0 t 法通常能 取得較好的效果 且具有簡便快速的 優(yōu)點 其方法原理如圖 1 5 11 所示 設 有折射波相遇時距曲線 S1和 S2 兩者的激發(fā)點分別為 O1和 O2 若在剖面上任意取一點 D 則在兩條時距曲線上可分別得到其對應的走時 1 t 和 2 t 從圖中可看出 ECDO ABDO tt tt 2 1 2 1 1 5 7 且在 O1和 O2點 時距曲線 S2和 S1的走時相等 稱之為互換時 用 T 表示 則有 21 CEOBCABO tttT 1 5 8 當界面的曲率半徑遠大于其埋深時 圖中的 BDC 可近似地看作為等腰三角形 若自 D 點作 BC 的垂直平分線 DM DM 即為該點的界面深度 h 于是有 cos 1 iVhtt CDBD 2 22Vtgihtt BMBC 1 5 9 132 將公式 1 5 7 中的 1 t 和 2 t 相加 并減去 1 5 8 式 再將 1 5 9 式代入后可得 121 cos2VihTtt 1 5 10 式 1 5 10 便是在任意點 D 的 0 t 值公式 由此可得到 D 點的折射界面法線深度h為 cos2 121 iVTtth 1 5 11 令Tttt 210 和 cos2 1 iVK 則式 1 5 11 可寫為 0 tKh 1 5 12 因此只要從相遇時距曲線中分別求出各觀測點的 0 t 和 K 值 就能得出各點的界面深度 h 從上述公式可看出 只要從時距曲線上讀取 1 t 2 t 和互換時 T 就可算出各點的 0 t 值 并可在圖上繪制相應的 0 xt曲線 圖 1 5 11 b 中所示 a b 圖 1 5 11 0 t法求折射界面示意圖 關于 K 值的求取 根據(jù)斯奈爾定律可將 K 值表達式寫成下列形式 2 cos2 2 1 2 2211 VVVViVK 1 5 13 由公式 1 5 13 可看出 只要求得波速 1 V 和 2 V 則很容易得出 K 值 其中 1 V 通?？筛?據(jù)表層的直達波速度來確定 因此關鍵是 2 V 值的求取 為此引出差數(shù)時距曲線方程 并以 x 表示 令 Tttx 21 1 5 14 對 1 5 14 式求導 可得 dx xdt dx xdt dx xd 21 1 5 15 式中 dx xdt 1 和 dx xdt 1 分別為上傾方向時距曲線 S1和下傾方向時距曲線 S2的斜率 即視速 V 的倒數(shù) 根據(jù)傾斜界面時距曲線方程則有如下形式 1 2 1 1 sin sin V i dx xdt V i dx xdt 1 5 16 133 將式 1 5 16 代入 1 5 15 式 經(jīng)一些變換后可得 2 cos2 Vdx xd 1 5 17 于是可求得波速 2 V 為 cos2 2 xd dx V 1 5 18 當折射界面傾角小于 15 時 可寫成近似式 2 2 x x V 1 5 19 因此 只要根據(jù) 1 5 14 式在相遇時距曲線圖上構制 x 曲線 并求取其斜率的倒 數(shù) x x 則可根據(jù) 1 5 19 式得出波速 2 V 進而從 1 5 13 式中求得 K 值 知道了 K 值和各觀測點的 0 t 值之后 則可根據(jù) 1 5 12 式計算出各點的界面深度h 然后 以各觀測點為圓心 以其對應的h為半徑畫弧 可得出如圖 1 5 11 b 中所示的一系 列圓弧 作這些圓弧的包絡線即為折射界面的位置 對于多層折射波時距曲線 三層以上 也可以通過類似的方法 用等效層原理逐層 遞推來解釋 流程框圖中的其它常規(guī)解釋方法 哈里斯法 時間場法 射線追蹤法等 可參閱相關 教材及著述 5 2 2 4 非縱測線的解釋 要精確的解釋非縱觀測時距曲線要比解釋縱測線的時距曲線困難得多 因為它的激發(fā) 點遠離測線 涉及到的空間變化更大 影響因素也就更多 因此不可能提出一個較精確的 解釋方法 這里只介紹一個近似估算深度的方法 假設 有一橫測線 AB 激發(fā)點 O 在測線AB 上的投影點為 C OC 兩點的距離為r 如 圖 1 5 12 所示 若下面的界面是水平時 則在 AB 剖面上折射波時距方程有如下形式 i V h xr V tcos 21 1 022 2 1 5 20 對于不是水平的情況 則可寫成 i V h i V h xr V t c coscos 1 11 022 2 1 5 21 a b 134 圖 1 5 12 非縱測線時距曲線的對比解釋示意圖 a 平面布設圖 b 對比解釋圖 從上述方程可知 非縱測線的折射波時距曲線為雙曲線形態(tài) 和反射波的時距曲線形 態(tài)有些相似 對于水平界面來說 是一支對稱于 C 點的雙曲線 如圖 1 5 12 b 中的理論曲 線 但是實際界面可以是任意的形狀 因此所得到的曲線也不可能是對稱和光滑的 相 對于水平界面對稱雙曲線有 超前 或 滯后 的變化 這種 超前 或 滯后 的時間 差 可以認為由于界面深度的變化所致 因此可根據(jù)實測曲線和理論曲線之間的時差來估 算界面深度的變化 從而繪出界面的起伏形態(tài) 具體作法是 讀出實測時距曲線和理論時 距曲線在各測點上的時差 i t 以時差0 i t的點作為 基準點 0 i t者 實測時距曲 線的 理實 tt 表示該點界面深度大于 基準點 0500 ds 0 中硬 500 VS 250 0 dS9 中 等 中軟 250 VS 140 0 dS 3 380 軟弱場地 VS 140 0 dS 3 3 dS 9 980 147 還有用剪切模量和其它參數(shù)進行分類的 目前還沒有全國性的統(tǒng)一標準 需要進一步 總結經(jīng)驗來逐步完善 另外 為了合理地設計工程結構和選擇施工方案 在地質(zhì)工程中必須對圍巖的工程力 學性質(zhì)進行正確的分類 除了按傳統(tǒng)的地質(zhì)方法分類外 見表 1 6 3 還可用地震波 或 聲波 的波速來分類 這種方法簡單易行 但是各系統(tǒng) 部門的劃分標準很不統(tǒng)一 有待 于進一步的工作并作出統(tǒng)一的標準 現(xiàn)給出工程兵某部和鐵道部門某些單位的分類法 見 表 1 6 4 和表 1 6 5 以供參考 表 1 6 3 巖土地質(zhì)劃分標準 開 挖 面 上 巖 石 的 特 性 分類 礫 巖 凝灰質(zhì)礫巖 砂 巖 泥 巖 1 明顯風化 礫石與填充 物分離 呈褐色的松散 砂礫和砂土狀 裂隙在 5 厘米以下 縫 中充有砂土 懸崖和沉 積層的交界附近呈砂 礫狀 界面大多不新 鮮 巖片呈淡黃色到灰 色 比較硬 裂隙間隔在 5 厘米以 下 呈開口狀 充有砂 土 顏色為淡褐灰色到 灰色 比較硬 裂隙間隔在 1 至 3 厘米 以下 脆弱 斷層附近 有壓碎的鱗片狀淡赤 褐色粘土 2 受到風化呈淡褐色 用 手能取出礫石 偏率裂 隙發(fā)達的壓碎部分 裂隙間隔為 5 厘米左 右 呈開口狀 夾有一 部分粘土和砂土 巖片 全部風化 呈淡黃灰 色 比較堅硬 無層理 跟泥巖成互層 狀 裂隙間隔為 5 厘米 左右 呈開口狀 全部 風化呈淡灰到淡褐灰 色 互層部分的泥巖脆 弱 砂巖的巖片比較硬 裂隙的間隙約為 3 至 5 厘米與砂層互層 同砂 巖層 層理發(fā)達的泥巖 沿著層理面容易剝離 一般較脆弱 1 裂隙間隔 10 至 20 厘 米 沿裂隙的廣闊范圍 與礫巖周圍是褐色帶 用錘敲擊 1 到 2 次就可 分離 裂隙間隔 5 至 10 厘米 左右 呈開口狀 巖塊 全風化呈淡黃灰色到 淡灰色 硬 裂隙間隔約 5 至 10 厘 米 呈開口狀 沿著裂 隙有相當?shù)娘L化 巖塊 呈淡灰色 硬 層理面和裂隙間隔約 5 至 10 厘米 沿裂隙面 風化呈褐色帶 沿層理 面易剝離 2 裂隙間隔約 15 至 30 厘 米 沿裂隙和礫巖的周 圍部分呈淡褐色 用錘 敲擊數(shù)次礫巖可分離 裂隙間隔約 10 至 20 厘 米 裂隙部分開口 沿 裂隙風化有粘土存在 呈灰色 淺灰色無層理 的砂巖 裂隙間隔約 10 至 20 厘米 裂隙有部 分空隙 巖塊堅硬 無層理的泥巖 裂隙間 隔約 10 至 20 厘米 沿 裂隙呈淡褐色 巖塊新 鮮時呈灰色 淡綠色 1 新鮮礫石呈灰色 淡 綠色 裂隙間隔約 30 至 50 厘米 裂隙間隔約 20 至 30 厘 米 在裂隙處能看到空 隙 沿裂隙稍有風化 新鮮巖塊堅硬 呈淡綠 色 灰色無層理的砂巖 裂 隙間隔為 20 至 30 厘 米 裂隙有一部分空 隙 新鮮巖塊堅硬 巖相同上 為無層理狀 態(tài) 裂隙間隔約 15 至 30 厘米 新鮮巖塊堅 硬 呈暗灰 淡灰色 2 同上幾乎一樣 裂隙間 隔約 30 厘米左右 不適用 巖質(zhì)的風化程度與上 述大致相同 裂隙間隔 在 30 厘米以上 裂隙 較密 巖相與風化程度同上 裂隙間隔在 30 厘米以 上 148 表 1 6 4 工程兵某部利用 P V和 K 對巖體分類表 好的 比較好的 差 的 完整性 巖 性 性 K 質(zhì) 類 別 VP km s 0 75 0 75 0 45 5 5 堅硬完整巖體 1 堅硬而比較完整的巖體 1 堅硬而完整性差的巖體 比較堅硬巖石 3 5 5 5 2 比較堅硬完整 2 比較堅硬 完整性較好的巖體 1 比較堅硬 完整性差的巖體 軟 巖 石 1 5 3 5 3 軟巖石 完整性好的巖體 1 軟巖石 完整性 較好的巖體 軟巖石 完整性差的巖體 表 1 6 5 鐵道部門某些單位對圍巖的 VP分類原則 圍巖類別 VP km s 4 0 3 5 3 0 2 0 1 5 0 8 0 8 0 6 0 6 0 4 0 40 巖性及其結構 塊狀或厚層結 構 無夾層 節(jié) 理不發(fā)育 中厚層 少量夾 層 節(jié)理發(fā)育 薄層 多量夾 層 節(jié)理發(fā)育呈 碎裂狀 卵石土 老黃土 有斷層等影響 呈松散狀 粘土 強裂斷層 帶 呈松散狀 細砂斷層泥等 松散狀 6 4 3 判別地基砂土的 液化 所謂 液化 是指砂土在一定條件下由原來的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的物理作用過程 如飽 和水狀態(tài)下的砂層受到振動力的作用之后 它的結構會發(fā)生變化 固體顆粒間接觸點的應 力要降低 而其中孔隙水的壓力會上升 也就是說固體顆粒間的應力轉(zhuǎn)移到孔隙水的壓力 中去了 當孔隙水壓力上升到與觀測點上方覆蓋層的應力相等時 其固體顆粒將處于懸浮 狀態(tài) 此時 砂土層的抗剪強度為零 一般稱它為 液化 液化 作用使砂土變成了粘 滯流體 造成建筑物的下沉或傾斜 橋臺偏移 岸坡滑動等災害 因此 研究地基的液化 問題 判斷和評價飽和砂土的液化是一個非常重要的實際問題 目前判斷液化的方法大致可分為 經(jīng)驗法 和 對比法 兩類 剪切波速度法 又 稱循環(huán)應變法 是屬于對比法中的一種 其基本原理是將地基在地層力作用下產(chǎn)生的剪應 變 c r 和抗液化的臨界剪應變 t r 作對比 若 tc rr 則地基可能液化 其中 t r 是一個力學參數(shù)指標 一般為 102 10 22 t r 而 c r 和橫波速度密切相關 一般可表示為 149 2 max S c V za Gr 1 6 13 式中 c r 為地層力作用下砂土層中某點的剪應變 G 為和相應最大切應變等有關常數(shù) z 為層中計算點的深度 VS為層中橫波速度 amax為地震時地面最大加速度 為深度 z 以上砂土層容重 其中容重可通過簡單的實驗方法求得 而常數(shù) G 也可通過試驗取得 地面加速度值 amax對于人工地震可以通過試驗確定 對于天然地震可以參照烈度表查出 因此只要測得 橫波速度值 VS就可算出相應的 c r 值 從而可判斷地基液化的可能性 預防災害事故的發(fā) 生 此外 還可參照下述規(guī)范標準利用 VS實測值進行飽和砂土液化的判別 1 天津 TB71 88 規(guī)范中 VS判別式 2 1 2 0133 0 ssVscri ddKV 1 6 14 式中 scri V為臨界值 s d 為飽和砂土中 S V 測點的深度 V K 為系數(shù) 當烈度為 7 8 度時 分別取 42 和 60 當實測值 scrisi VV 時 判別為液化 反之非液化 B 國家地震局工程力學所推薦的判別式 2 0 25 0 3 2 05 0 3 125 0 1 cwssVscri PdddKV 1 6 15 式中 scri V為臨界值 s d 為測點深度 w d 為地下水深度 c P 為砂土的粘粒含量 小于 3 時取 3 v K 為系列 烈度為 7 8 9 時 分別取 145 160 和 175 當實測 scrisi VV 時 判別為液化 反之為非液化 6 4 4 其它巖土特性參數(shù) 1 標準貫入錘擊數(shù) 5 63 N 實測 5 63 N值的主要原理是利用鉆具鉆至試驗土層標高以上15cm處 放入標準貫入器 用重量為 63 5kg 的穿心錘 提升高度 76cm 自由下落將貫入器豎直打入土層中 15cm 以 后再打入 30cm 的錘擊數(shù)即是實測標準貫入擊數(shù) 5 63 N的值 標準貫入擊數(shù) 5 63 N值的大小 主要用來判定土層的軟硬程度 工程上用 5 63 N值可確定各種土層的承載力 尤其是砂土層 不易取出原狀土樣 幾乎都是用 5 63 N值來確定承載能力 國內(nèi)外的大量試驗研究成果表明 橫波波速 S V 與 5 63 N值的大小均反映著土層的軟硬 速度 所以兩者間存在著良好的相關關系 根據(jù)實測的同一土層的 5 63 N和 S V 數(shù)據(jù) 經(jīng)統(tǒng) 計分析已得出的部分關系式如下 1 日本土質(zhì)學會統(tǒng)計的關系式 150 337 0 959 1 lg 10 5 63 S V N 980 n 無地質(zhì)資料估算 292 0 001 2 lg 10 5 63 S V N 183 n 沖積粘土 331 0 906 1 lg 10 5 63 S V N 151 n 沖積砂土 1 6 16 294 0 057 2 lg 10 5 63 S V N 122 n 洪積粘土 323 0 988 1 lg 10 5 63 S V N 198 n 洪積砂土 式中 n為 5 63 N和 S V 的數(shù)組數(shù)量 2 日本公路橋梁抗震設計新規(guī)程 砂土層 粘土層 50 25 333 0 9031 1 lg 10 333 0 000 2 lg 10 5 63 5 63 5 63 5 63 N N V N V N S S 1 6 17 C 國內(nèi)統(tǒng)計的部分關系式 413 0 8808 1 lg 10 5 63 S V N 武漢地區(qū)粘性土 292 0 0086 2 lg 10 5 63 S V N 下遼河平原粘土 299 0 959 1 lg 10 5 63 S V N 武漢地區(qū)砂類土 1 6 18 40 0 8395 1 lg 10 5 63 S V N 下遼河平原砂類土 349 0 934 1 lg 10 5 63 S V N 北京市砂類土 3 中科院工程力學所推薦的 S V 與 5 63 N 以及與地層深度的關系式 S V 與標準貫入 5 63 N值的關系 348 0 5 63 34 85NVS 1 6 19 S V 與 5 63 N 地層深度 H 和土質(zhì)類別的關系 礫石 礫砂 粗砂 中砂 細砂 粘土 485 1 151 1 073 1 029 1 091 1 000 1 14 62 230 0219 0 5 63 HNVS 1 6 20 151 從以上國內(nèi)外統(tǒng)計的 S V 與 5 63 N的關系式中可以看出 二者服從指數(shù)相關關系 即 B ANV 5 63 不同地區(qū)或同一地區(qū)不同性質(zhì)的土層 系數(shù) A B 不同 所以 S V 與 5 63 N的相 關關系具有地區(qū)性和地層類別的屬性 4 5 63 N的應用 判定砂土液化 根據(jù) 建筑抗震設計規(guī)范 GBJ11 89 中提出的判別式如下 cwscr PddN 3 1 09 0 10 1 6 21 式中 cr N 臨界值 s d 標貫點深度 w d 地下水位深度 c P 粘粒的百分含量 當實測 5 63 N值大于 cr N時 判為非液化 反之 液化 計算場地土的內(nèi)摩擦角 內(nèi)摩擦角 是反映土層抵抗剪切破壞的極限能力的指標 當 45 時 與 5 63 N存 在如下關系 1515 N 1 6 22 2 卓越周期 T 和地震裂度增量 I 利用地震縱橫波速度可計算地基土層的卓越周期和地震裂度增量等參數(shù) 有關詳情見 本篇第 9 章 152 7 瑞雷波法 瑞雷波法勘探的基本理論問題 包括波的產(chǎn)生以及波的運動學和動力學問題在本篇的 第一章中已討論 本章將從勘探方法技術角度介紹瑞雷波法勘探的有關問題 包括應用問 題 瑞雷波法勘探實質(zhì)上是根據(jù)瑞雷面波傳播的頻散特性 利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生多種頻 率成分的瑞雷面波 尋找出波速隨頻率的變化關系 從而最終確定出地表巖土的瑞雷波速 度隨場點坐標 zx的變化關系 以解決淺層工程地質(zhì)和地基巖土的地震工程等問題 有 關淺層層狀介質(zhì)的瑞雷波傳播的理論問題在此從略 在討論中我們只引用其結論 詳情參 見有關著作 瑞雷波法根據(jù)其激發(fā)震源的不同 可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種 在本章中我們將分別 介紹 根據(jù)前人的分析和總結 認為利用人工激發(fā)的瑞雷波可以解決如下幾方面的具體淺 層地質(zhì)問題 1 地層劃分 通過對瑞雷波頻散曲線進行定性及定理解釋 得到各地層的厚度及 彈性波的傳播速度 2 地基加固處理效果評價 通過實測地基加固前后的波速差異得到處理后的地基 較處理前的物理力學性質(zhì)的改善程度 3 巖土的物理力學參數(shù)原位測試 通過對實測資料的反演解釋 可以得到巖 土 層的 S 波速度 P 波速度及密度等參數(shù) 4 公路 機場跑道質(zhì)量無損檢測 利用人工激發(fā)的高頻瑞雷波 可以確定路面的 抗折 抗壓強度及路基的載荷能力 以及各結構層厚度 該方法用于機場跑道及高等公路 的另一項意義是實現(xiàn)質(zhì)量隨年代變化的連續(xù)監(jiān)控 5 地下空洞及掩埋物的探測 當瑞雷波的勘探深度與地下空洞及掩埋物的深度相 當時 頻散曲線會出現(xiàn)異常跳躍 據(jù)此可以確定其埋深及范圍 這是瑞雷波勘探的獨特優(yōu) 點之一 6 飽和砂土層的液化判別 根據(jù)一定場地內(nèi)的飽和砂土層的埋深 地下水位的深 淺等地質(zhì)條件 可以計算出飽和砂土層的液化臨界波速值 7 場地類型劃分 通過面積性的瑞雷波探測 再結合微動觀測 可以更可靠地劃 分場地類型 或更大范圍的地震區(qū)劃 8 其它方面的應用 滑坡調(diào)查 堤壩危險性預測 基巖的完整性評價和樁基入土 深度探測等 和已有的淺層折射波法和反射波法相比 瑞雷波的獨特之處是它不受地層速度差異的 影響 折射波法和反射波法對于波阻抗差異較小的地質(zhì)體界面反映較弱 不易分辨 尤其 是折射波法要求下覆層速度大于上覆層速度 否則為其勘探中的盲層 瑞雷波法則不存在 這類問題 但瑞雷波法的勘探深度受方法本身的限制 明顯不如前兩者 而縱橫向分辨率 又高于前兩者 153 7 1 勘探原理 瑞雷波沿地面表層傳播 表層的厚度約為一個波長 因此 同一波長的瑞雷波的傳播 特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況 不同波長的瑞雷波的傳播特性反映著不同深 度的地質(zhì)情況 在地面上沿波的傳播方向 以一定的道間距 x 設置1 N個檢波器 就可 以檢測到瑞雷波在xN 長度范圍內(nèi)的波場 設瑞雷波的頻率為 i f 相鄰檢波器記錄的瑞雷 波的時間差為 t 或相位差為 則相鄰道 x 長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為 iiRi iRi xfV txV 2 1 7 1 在滿足空間采樣定理的條件下 測量范圍xN 內(nèi)平均波速為 或 i N i iR i N i R xNfV t xN V 1 1 2 1 7 2 在同一測點測量出一系列頻率 i f 的 Ri V值 就可以得到一條fVR 曲線 即所謂的頻散曲 線或轉(zhuǎn)換為 RR V 曲線 R 為波長 fVR R 1 7 3 fVR 曲線或 RR V 曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系 通過對頻散 曲線進行反演解釋 可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構造情況和不同深度的瑞雷波傳播 速度 R V 值 另一方面 R V 值的大小與介質(zhì)的物理特性有關 據(jù)此可以對巖土的物理性質(zhì) 做出評價 7 2 資料采集 7 2 1 穩(wěn)態(tài)法 資料采集中使用一套幅值和頻率可控的非炸藥震源進行激發(fā) 通過改變震源的頻率來 調(diào)節(jié)探測深度 記錄儀器仍為數(shù)字地震儀 在陸地上仍采用垂直速度檢波器接收 下面就 采集中的激發(fā)與接收的方式及要求等進行介紹 1 激發(fā) 激發(fā)震源主要有兩類 一是電磁式激振器 另一是機械偏心式激振器 目前國內(nèi)常以 第一類激振器為震源 參見本篇第三章 以第一類激振器為代表的震源主要有兩種 第一 種為 RL 激振系統(tǒng) 其主要技術指標為 工作頻率 1Hz 10KHz 輸出電流及最大功率為 20A 400W 輸出波形為 等幅正弦波和變幅正弦波 或 154 第二種為日本產(chǎn) GR 810 或 GR 820 儀器系統(tǒng)中的激振系統(tǒng) 其主要技術指標為 工作頻率 0 001 999Hz 輸出功率為 1 2KW 輸出波形為等幅或變幅正弦信號 采用 RL I 激振系統(tǒng)的野外觀測方法參見圖 1 7 1 激發(fā)方式可以是單邊 雙邊或中點激發(fā) 并保持一定的偏移距 激發(fā)頻率一般采用降 頻掃描方式 其頻率范圍和間隔的選擇應根據(jù)勘探深度 精度和分辨率的要求確定 一般 而言 勘探深度越大 掃描頻率越低 精度要求越高 頻點間隔越密 2 接收 接收排列的布置見圖 1 7 1 每次激發(fā)時 接收點不能少于兩個 每個接收點一般為單 個檢波器接收 從觀測的角度考慮 又可分為定點測量和剖面觀測兩種 對于剖面測量一 般采用縱測線觀測系統(tǒng) 接收時 道間距 x 一般為等間隔 按采接率的要求 f V x RR 22 1 7 4 或至少應滿足 R x 圖 1 7 1 野外工作布置圖 有關檢波器埋置方法和要求與反射波法基本一致 需要指出的是由于瑞雷波勘探的特 殊性 接收時應采用不同自然頻率的檢波器 一般為幾赫芝 100 赫芝 視激發(fā)頻率和分辨 率的要求而定 7 2 2 瞬態(tài)法 該方法采用錘擊或炸藥震源激發(fā)瑞雷波 在地面按一定方式用垂直速度檢波器接收 并根據(jù)波場的頻散特性 求取 R V 速度分布場 瞬態(tài)法現(xiàn)場工作布置如圖 1 7 2 所示 圖中 M 點為測試點 兩檢波器距離為 x 為了 155 圖 1 7 2 瞬態(tài)法排列布置 圖 1 7 3 瑞雷波勘探原始記錄 使得兩檢波器接收的信號有足夠的相位差 除滿足采樣定理外 x 還應滿足下式 R R x 3 1 7 5 則兩信號的相位差 滿足 2 3 2 1 7 6 可見 隨著勘探深度的增大 即 R 增大 x 的距離也相應增大 1 激發(fā) 瞬態(tài)法激發(fā)震源 以及方式和要求與反 射波法中的縱波勘探 基本一致 需要注意的 是激發(fā)能量的大小應 滿足勘探深度的需要 此外 在圖 1 7 2 所示 的觀測方法中 采用的 是雙邊激發(fā)的方式 炮點至第一個接收點間的距離一般為1 個道間距 2 接收 接收排列的布置見圖 1 7 2 有關方式方法以及要求等與穩(wěn)態(tài)法基本一致 需要注意的 是當面波被干擾時 應在同 一激發(fā)點重復接收 3 5 次 把重復接收的信號疊加 取 其平均值 以加強有效信號 壓制干擾信號 對于可能出 現(xiàn)的反射波 折射波和直達 波等規(guī)則干擾波可采用濾波 等方式壓制 在測點的一側 激振和接收完成后 可把震 源移至測點的另一側 再重 復激振接收 3 5 次 把兩側 的測量結果平均 做為該點 的最終結果 與穩(wěn)態(tài)法同樣 也可采用單邊激發(fā)多道接收 的方式進行觀測 實際記錄 見圖 1 7 3 156 圖 1 7 4 穩(wěn)態(tài)法野外原始記錄 7 3 資料的處理與解釋 7 3 1 穩(wěn)態(tài)法 1 前期處理 穩(wěn)態(tài)法勘探中 由于面波記錄時常被隨機噪聲干擾 從而影響波至時間的拾取 因此 對原始記錄一般要作適當?shù)臑V波或園滑處理 處理方法參見反射波法勘探 2 速度的計算 1 時差法 設地面上兩檢波器間的距離為x 且 R x 兩檢波器接收的瑞雷波的同相位時間差 為 t 則瑞雷波的傳播速度為 txVR 1 7 7 圖 1 7 4 是一張瑞雷波勘探的原始記錄 圖上 記錄了 4 個頻率 分別為 35 30 27 23Hz 接 收道排列為 1 3 4 6 7 9 10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 道 圖中標出的小圓圈 為各道的同相位 利用該圖計算的瑞雷波傳播速 度如表 1 7 1 所示 從以上計算過程可以看出 利用同相位的目 視對比 在有干擾振動時 某一相位 零相位或 峰谷相位 可能產(chǎn)生誤差 使得 t 讀數(shù)不準確 進而影響到 R V 值的精度 為了減小誤差 可對同 一頻率讀取多個同相位的時間差 取其平均值 即使這樣 也只是利用了振動波形上的幾個點 為消除干擾 提高精度 一般采用互相關分析法 表 1 7 1 VR計算表 f Hz 35 30 27 23 道 1 3 4 6 7 9 10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 x m 2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m t ms 10 7 10 7 10 1 11 4 10 1 11 4 10 7 11 4 VR m s 187 187 198 175 198 175 187 175 R m 5 34 5 34 6 60 5 83 7 33 6 48 8 13 7 61 2 互相關分析法 當在地面上進行豎向正弦激振時 沿地面表層就有瑞雷波的傳播 設地面上有與震源 在同一條直線上的兩點 RR xxxx 1221 為波長 則 21 x x兩點處瑞雷波的垂直位移 方程可分別簡寫為 157 開 始 輸入波形曲線 計算相關函數(shù) 第一極大值 計算時間差 計算速度 結 束 極大值 N 圖 1 7 6 計算流程圖 cos 1 11 R V x tAtu 1 7 8 cos 2 22 R V x tAtu 1 7 9 由于 21 x x處的振動是由同一震源引起的 所以 1 7 9 式是 1 7 8 式延遲某一時 間后的重復 延遲時間為 R Vxxt 12 1 7 10 為了衡量兩個記錄在何時最相似 可采用互相關方法 確定出在一定時移 后兩個 記錄的相關程度 當最相似時 相關系數(shù)必有極大值 認為第一個極大值點對應的時移 0 即為所要求取的兩記錄同相位的時差 t 如圖 1 7 5 所示 相關系數(shù)的計算如下式 1 21 1 nunu N R N n 1 7 11 此時速度計算公式為 012 xxVR 1 7 12 a b 圖 1 7 5 相關函數(shù)曲線 a 無干擾時瑞雷波形 b 相關函數(shù)曲線 整個計算流程如圖 1 7 6 所示 3 速度的綜合 通過對不同頻率成分的瑞雷波速度 R V 的計算 可得到 某測點的一條fVR 曲線 曲線中某一頻點的速度表示該 頻率成分的瑞雷波穿透深度以上地層介質(zhì)的平均速度 它不 能直接表示深度 因此 在實際應用中 一般將其轉(zhuǎn)換為具 有深度意義的 RR V 曲線 fVR R 其中 為 波長深度轉(zhuǎn)換系數(shù) 即 R H 有人認為 2 1 即所謂半波長法 但經(jīng)研究認為 該法計算的深度誤 差較大 有關詳情見后文 為了進行定量解釋 即地層劃分和層速度的求取 還可利用 RR V 曲線 經(jīng)計算求出 R R R V 關系 曲線等其它曲線 以便于綜合解釋 上述變化曲線參 見圖 1 7 9 158 啟 動 輸入數(shù)據(jù)文件 和有關參數(shù) FFT 求功率譜 和相位譜 相關分析 求相關 功率譜和 i 計算 ii RR V 輸出繪制 fi ii RR V 離散曲線 最優(yōu)化選擇法 反演離散曲線 結果輸出 結果輸出 圖 1 7 7 瑞雷面波資料處理流程框圖 7 3 2 瞬態(tài)法 1 前期處理 由于瞬態(tài)法勘探中波場的復雜性 即 除了有效的不同頻率成分的瑞雷波外 還 包含規(guī)則干擾 如直達波 折射波和淺層 反射波等 和不規(guī)則干擾 因此 前期波 場分離 濾波處理 是非常必要的 它將 直接影響到解釋的精度 常采用的方法主 要有初至波切除 一維和二維濾波等 此 外為計算速度fVR 關系曲線 還需對記 錄進行頻譜分析或相關譜分析等處理 常 見處理流程見圖 1 7 7 有關處理方法技術 參見本篇第四章的相關部分 2 速度計算 1 基本原理 當在地面上施加一瞬間沖擊力后 在 地面表層就有瑞雷波的傳播 這種方法產(chǎn) 生的瑞雷波是由許多簡諧波疊加而成的 每一簡諧波都以一定的相速度 R V 傳播 R V 是 f 的函數(shù) 每一簡諧波波動垂直位 移方程可寫為 2 cos R z V fx tAu 1 7 13 式中 R V fx 2 為 x處振動的相位角 所以在波的傳播方向上 21 x x兩點間的相位差為 R Vxf 2 1 7 14 則 2xfVR 1 7 15 式中 的單位為弧度 2 互相關法求 和 R V 設地面上沿波的傳播方向 1 x 2 x 處的信號分別為 1 tu和 2 tu 則它們的相互關函數(shù) 為 dttutur 1221 1 7 16 對求出的互相關函數(shù)做 Fourier 變換 21 12 12 2 2121 12 fi i fi efR efufu fufuderfR 1 7 17 濾 波 159 式中 2 fu 1 fu是 2 tu和 1 tu的線性譜 1 fu是 1 fu的共軛譜 可見互相關譜 21 fR的相位就是 1 x 2 x 兩點處的相位差 把不同頻率的 f 代入 1 7 15 式 就可以計算出不同頻率諧波的瑞雷波傳播速度 R V 與穩(wěn)態(tài)法一樣 我們可利用fVR 曲線制作出 RR V 和 R R R V 等曲線 此外 fVR 等曲線因干擾時常表現(xiàn)出微小的波動 對此 因作適當?shù)膱@滑 7 3 3 綜合解釋 7 3 3 1 各種波速和能量與介質(zhì)特性的關系 1 波速和介質(zhì)特性 表 1 7 2 瑞雷波速度與泊松比關系表 VR VS VR VS VR VS VR VS 0 00 0 874032 0 21 0 912707 0 32 0 930502 0 43 0 946303 0 02 0 877924 0 22 0 914404 0 33 0 932022 0 44 0 947640 0 04 0 881780 0 23 0 916085 0 34 0 933526 0 45 0 948959 0 06 0 885598 0 24 0 917751 0 35 0 935018 0 46 0 950262 0 08 0 889374 0 25 0 919402 0 36 0 936433 0 47 0 951549 0 10 0 893106 0 26 0 921036 0 37 0 937936 0 48 0 952820 0 12 0 896789 0 27 0 922654 0 38 0 939372 0 49 0 954074 0 14 0 900422 0 28 0 924256 0 39 0 940792 0 50 0 955313 0 16 0 904003 0 29 0 925842 0 40 0 942195 0 18 0 907528 0 30 0 927413 0 41 0 943581 0 20 0 910995 0 31 0 928965 0 42 0 944951 根據(jù)第一節(jié)介紹的瑞雷波基本原理可知 在均勻各向同性半無限彈性介質(zhì)中 瑞雷波 速度和橫波速度近似為 VR 0 919Vs 對于不同的巖土介質(zhì) 經(jīng)理論計算 可得到不同泊 松比 與 VR Vs的關系見表 1 7 2 Vp Vs VR與泊松比的關系如圖 1 7 8 所示 從圖和表 可以看出 隨著泊松比增大 Vp相對 S V 急劇增大 而 S V 與 R V 值則趨于一致 一般巖石泊 松比在 0 25 左右 第四系地層泊松比為 0 4 0 49 可以認為對土體而言 R V 與 S V 基本相 等 其誤差只有 5 左右 即 SR VV95 0 由此 在計算巖土的力學參數(shù)時 可利用 R V 代 替 S V 進行近似計算 2 瑞雷波能量與介質(zhì)特性 由前文可知 瑞雷波的振幅能量隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減 通常定義當振幅比 0 uuz衰 減到e 1時的深度為穿透深度 其中 0 u 為橫向振動的振幅 z u 為縱向振動的振幅 針對不 同的巖土介質(zhì) 我們可計算出穿透深度 波長表示的 與振幅能量之間的關系 如表 1 7 3 所示 從而確定出比較合理的深度與波長 R 的比例系數(shù) 值 160 圖 1 7 8 VP VS和 VR的關系 表 1 7 3 不同介質(zhì)中瑞雷波的穿透深度 泊松比 0 1 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 48 U0 0 665 0 693 0 722 0 753 0 785 0 819 0 857 0 898 0 926 U0 e 0 245 0 255 0 266 0 277 0 289 0 301 0 315 0 330 0 341 穿透深度 H 0 55 0 575 0 625 0 65 0 70 0 75 0 79 0 84 0 875 從表中可以看出 對于所有的介 質(zhì) 瑞雷波的穿透深度為 0 55 R 0 875 R 對于一般巖石泊松比 25 0 左右 穿透深度約為 0 65 R 對 于 土 體 而 言 泊 松 比 45 0 4 0 則 穿 透 深 度 R H 84 079 0 實際