瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件

瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。從方法上講，瑞雷波勘探有頻率域觀測的穩(wěn)態(tài)法和時間域觀測的瞬態(tài)法兩種瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技1

因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。從方法上講，瑞雷波勘探有頻率域觀測的穩(wěn)態(tài)法和時間域觀測的瞬態(tài)法兩種因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。2

穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用時間較長，方法技術(shù)也較為成熟，但缺點是設(shè)備笨重，不利于提高效率。瞬態(tài)法則具有輕便、快捷效率高的特點。所用的采集系統(tǒng)就是地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此很快受到人們的普遍重視。

3一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊使地面產(chǎn)生一個包含所需頻率范圍的假設(shè)離震源一定距離處有一觀測點A，記錄到的瑞雷波是f1(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理4在波的前進(jìn)方向上與A點相距為x的觀測點B同樣也記錄到時間信號f2(t)，其頻譜是在波的前進(jìn)方向上與A點相距為x的觀測點B同樣也記錄到時間5若波從A點傳播到B點，它們之間的變化完全是頻散引起的，則應(yīng)有下列的關(guān)系式vR()是圓頻率為ω的瑞雷波的相速度。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件6

上式也可寫成式中是F1()和F2()之間的相位差,比較式(6.3.3)和(6.4.4)可知

上式也可寫成7

根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離x和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度vR().為得到勘探點的頻散曲線，需要對兩觀測點的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。作相干函數(shù)的目的是對記錄信號的各個頻率成分的質(zhì)量作出估計，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離x和每一頻率的相8

作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這兩個觀察點在各個不同頻率時的相位差，再利用(6.3.5)式求出相速度，當(dāng)我們已知頻率為f的瑞雷波速度vR后，其相應(yīng)的波長為R

R=vR/f(6.3.6)作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這9

瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在一個波長深度范圍內(nèi)，由半波長理論，所測量的瑞雷波的平均波速vR可以認(rèn)為是半波長深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度是H=R/2=vR/2f(6.3.7)瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在10由(6.3.7)可知，頻率越高，波長R越短，勘探深度越小;反之，頻率越低，波長R越長，勘探深度越大。因此兩個觀測點之間的距離也要隨著波長的改變而改變。對于勘探較深的低頻而言，x要大，才能測到較為正確的相位。對于勘探較淺的高頻來說，x要小。

由(6.3.7)可知，頻率越高，波長R越短，勘探深度越小;11根據(jù)實際經(jīng)驗，x取1/3R-2R間較為合適，即在一個波長內(nèi)的采樣點數(shù)，要小于在間距x內(nèi)的采樣點數(shù)的三倍，大于在x內(nèi)的采樣點數(shù)的0.5倍。這個濾波準(zhǔn)則要針對不同的儀器分辨率和場地的實際情況做適當(dāng)調(diào)整根據(jù)實際經(jīng)驗，x取1/3R-2R間較為合適，即在12根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波傳播特性反映了不同深度地質(zhì)體的變化情況實際工作中，為了提高效率。瑞雷波勘探時，在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距x設(shè)置N+l個檢波器,根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的13

我們就可以檢測到Nx長度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。對于頻率為fi的頻率分量，進(jìn)行互譜分析時，計算相鄰檢波器記錄的相移i，則相鄰道x長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度，在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍Nx內(nèi)的我們就可以檢測到Nx長度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。14在同一測點對一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一條vR-f典線，即頻散曲線。平均波速為在同一測點對一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一15根據(jù)(6.3.6)式，可將vR-f曲線轉(zhuǎn)換為vR-R曲線，vR-R曲線反映出該測點介質(zhì)深上的變化規(guī)律。沿測線不同點的vR-R曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征根據(jù)(6.3.6)式，可將vR-f曲線轉(zhuǎn)換為vR-R曲線16

瞬態(tài)面波法的震源可以采用錘擊、落重、爆炸等方式。激振力較小時脈沖面波的主頻率較高。檢波器安置在地面作為拾取介質(zhì)振動的傳感器。面波勘探所用檢波器頻率范圍很寬，可以從數(shù)赫茲到數(shù)千赫茲。。

二、瞬態(tài)瑞雷波法資料采集系統(tǒng)二、瞬態(tài)瑞雷波法資料采集系統(tǒng)17目前國內(nèi)外生產(chǎn)的檢波器類型較多，面波測試時，可從固有頻率為4.5、8、10、15、28等檢波器中選擇使用，瞬態(tài)面波一般使用固有頻率較低的檢波器目前國內(nèi)外生產(chǎn)的檢波器類型較多，面波測試時，可從固有頻率為418檢波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬態(tài)沖擊激發(fā)的面波可以看作許多單頻諧振的疊加，因而記錄到的波形也是諧波疊加的結(jié)果，呈脈沖型的面波。為了獲得對應(yīng)于不同深度的波速，要求震源產(chǎn)生的頻率范圍要寬，檢波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬態(tài)沖擊激發(fā)的面波可以19測試淺層時用小錘或較輕的鐵塊錘擊地面獲得高頻信號，并采用小的道間距接收。測試深度大時則相反。地震波主頻f0與落重法的重塊質(zhì)量M和重塊底面積的半徑r0的關(guān)系為:測試淺層時用小錘或較輕的鐵塊錘擊地面獲得高頻信號，并采用小的20其中為切變模量，為泊松比。瞬態(tài)面波法也可以利用儀器的信號增強(qiáng)功能，進(jìn)行垂直疊加，以達(dá)到增強(qiáng)有效信號壓制干擾的目的。

其中為切變模量，為泊松比。21

瞬態(tài)法由于采用一次激發(fā)多道接收，可將不同間距的相速度波長數(shù)據(jù)組合，得到波速與波長關(guān)系的瑞雷波頻散曲線。與穩(wěn)態(tài)法相比可大大提高工作效率。瞬態(tài)法由于采用一次激發(fā)多道接收，可將不同間距的相速度22

資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價，提高信號質(zhì)量的處理，面波速度的計算和結(jié)果的輸出。頻率濾波是數(shù)據(jù)處理中最常見的處理手段，它可以消除各種干擾。三、瞬態(tài)瑞雷波法資料處理資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價，提高信23對于淺層勘探，保留高頻成分，對于較深目的層保留低頻成分。對于中等深度勘探，要合理選擇通頻帶，以降低干擾，使資料質(zhì)量得到改善，并最終減小對頻散曲線的影響。切除處理可以把直達(dá)波和折射波等部分地消除，從而保留下來較純的面波，切除以后可以大大改善頻散曲線的計算結(jié)果。

對于淺層勘探，保留高頻成分，對于較深目的層保留低頻成分。對于24

能量衰減也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內(nèi)的地震波進(jìn)行能量衰減控制。由于地震記錄中面波能量最強(qiáng)，因此增益處理以后，可以使相對較弱的反射波、直達(dá)波等幅值減小，使其在計算頻散曲線時相關(guān)系數(shù)變小，從而達(dá)到減少干擾的目的。能量衰減也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內(nèi)的地震25一般而言，增益處理后計算的頻散曲線更加平滑，且對深層目標(biāo)反映的更清楚，不利之處是這種平滑可能會便面波勘探的分辨率降低，并產(chǎn)生低頻段的低速假象。一般而言，增益處理后計算的頻散曲線更加平滑，且對深層目標(biāo)反映26經(jīng)以上對原始記錄的整理和處理后，需要確定面波速度vR。由式(6.3.5)，首先確定兩接收點間的相位差.因此就要對兩觀測點的記錄作互功率譜的分析。經(jīng)以上對原始記錄的整理和處理后，需要確定面波速度vR。由式27

如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別為F1()和F2()的自功率譜可分別表示為：如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別28

其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f)的復(fù)共扼譜。f1(t)和f2(t)的互功率譜為其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f29

可見互功率譜中的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的相位差.在互功率譜函數(shù)中，并非對所有頻率成分都有效，衡量某頻率成分是否有效的方法是用相干函數(shù)，可見互功率譜中的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的30即檢測面波由測點A向測點B傳播時，是否有良好的相干性。定義相干函數(shù)即檢測面波由測點A向測點B傳播時，是否有良好的相干性。定31上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實部進(jìn)行相干性評價。如果在傳播過程中系統(tǒng)是理想的，則該頻段內(nèi)G(f)的實部絕對值應(yīng)接近1，若由于干擾和系統(tǒng)的非線性使信號的質(zhì)量下降，G(f)實部的絕對值將下降。上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實部進(jìn)行相干性評32一般選擇其值大于0.8的頻段計算互功率譜。求取面波在二接收點間傳播的相位差，并利用公式計算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟計算，得一般選擇其值大于0.8的頻段計算互功率譜。33VR-f或vR-曲線，即頻散曲線。圖6.3-1是瑞雷波速度vR-和vR-H分布曲線。圖中vR曲線是應(yīng)用半波長轉(zhuǎn)換法繪出的，即波長為的面波速度代表半個波長深度以上的介質(zhì)中的平均值。VR-f或vR-曲線，即頻散曲線。圖6.3-1是瑞雷波速度34四、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應(yīng)用瑞雷波速度資料包含著地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特性信息，在對巖、土體地質(zhì)特性的研究和工程與環(huán)境的檢測與監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。四、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應(yīng)用35

頻點很密(頻率值的變化步長很小)的速度曲線，其含義雖然與層速度不同，但比較各頻點速度值的展布規(guī)律，可以看到速度曲線突變處的深度往往對應(yīng)于介質(zhì)的界面深度。理論和實踐都表明，曲線上"之"字型(鋸齒狀)異常反映地下介質(zhì)的分界面，如圖6.3-1所示。

(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算36圖6.3-1瑞雷波法的速度曲線圖6.3-1瑞雷波法的速度曲線37

如果把面波的平均速度曲線轉(zhuǎn)換成層速度與深度H的關(guān)系，解釋結(jié)果將更為直觀。如果速度曲線上讀取的n-1層面波平均速度及相應(yīng)的界面深度分別為vR,n-1和Hn-1,如果把面波的平均速度曲線轉(zhuǎn)換成層速度與深度H的關(guān)系，38

n層的平均速度及相應(yīng)的界面深度為vR,n和Hn,并且平均速度是隨深度遞增的，則n-1層至n層之間的面波層速度vRi,n的計算公式為

39如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式40而橫波速度的測定較為復(fù)雜，鑒于面波與橫波速度近似相等，因此，各巖、土層的面波速度換算為橫波速度，即可獲得地層的各種動力參數(shù)而橫波速度的測定較為復(fù)雜，鑒于面波與橫波速度近似相等，因此，41

同理，利用面波與橫波速度近似相等，還可將面波速度代入(5.2.6)式計算出地基的固有周期以評價地基的振動特性。圖6.3-2是在山西安太堡露天煤礦的開挖平臺上，同理，利用面波與橫波速度近似相等，還可將面波速度代入(5.242瞬態(tài)面波法取得的工作成果。左圖為隨深度變化的面波速度曲線，右圖6.3-2為面波頻散曲線與地層對比圖。由于界面兩側(cè)介質(zhì)的速度參數(shù)差異較大，與速度變化曲線的對應(yīng)情況很好瞬態(tài)面波法取得的工作成果。左圖為隨深度變化的面波速度曲線43

圖6.3-3是用SWS多功能面波儀，采用落重震源探查露天煤礦開挖平臺地下老窖的工作成果。圖中(a)為測點下平均視速度曲線;(b)為測量排列中第一道檢波點與第二道檢波點之間地層的相速度曲線;瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件44圖6.3-2面波頻散曲線與地層對比圖圖6.3-2面波頻散曲線與地層對比圖45圖6.3-3地下老窯面波頻散曲線圖6.3-3地下老窯面波頻散曲線46(c)圖為測量排列中第二道檢波點與第三道檢波點之間的相速度曲線;(d)圖是測量排列中第三道與第四道檢波點之間的相速度曲線;(e)圖為測量排列中第四道與第五道檢波點之間的相速度曲線。(c)圖為測量排列中第二道檢波點與第三道檢波點之間的相速度曲47由以上速度曲線特征可以確定，老窖位于排列中第二道與第三道檢波點之間的下方。礦方據(jù)此布置鉆孔驗證，在鉆孔的27-29m深度處探到老窖，與第三條速度曲線的A點和B點反映的頂?shù)装迳疃认嘟?。由以上速度曲線特征可以確定，老窖位于排列中第二道與第三道檢波48

(三)在工程、環(huán)境檢測與監(jiān)測中的應(yīng)用

深圳市中興花園的場地為山溝填土整平形成，測試區(qū)填埋土深大約15m。為檢測夯實效果，深圳市地質(zhì)局先后做了瑞雷波法、鉆探標(biāo)貫試驗和33m2大壓板靜載試驗。(三)在工程、環(huán)境檢測49瑞雷波測試采用道間距2m，偏移距4m,32kg重錘，1.5m高自由下落激發(fā)，記錄波形經(jīng)計算機(jī)處理后獲得如圖6.3-4所示頻散曲線。瑞雷波測試采用道間距2m，偏移距4m,32kg重錘，1.5m50該曲線拐點清晰，02m深度范圍波速為260m/s,36m波速為220m/s，69m波速為220m/s，916m波速為190205m/s，該曲線拐點清晰，51解釋加固深度9m，影響深度16m。該場地也進(jìn)行了鉆探標(biāo)貫試驗，013m范圍內(nèi)修正后的標(biāo)貫擊數(shù)為14.826.8m，室內(nèi)土工試驗壓縮模量58MPa，內(nèi)摩擦角150左右，凝聚力36kPa左右。靜載試驗按設(shè)計承載力1.5倍加荷，實測承載力fK=250kPa，變形模量34.02MPa，換算壓縮模量8.5MPa。

解釋加固深度9m，影響深度16m。該場地也進(jìn)行了鉆探標(biāo)貫試驗52三種試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)頻散曲線反映強(qiáng)夯復(fù)合地基的加固深度、影響深度與鉆探標(biāo)貫和靜載荷試驗結(jié)果一致。統(tǒng)計表明，瑞雷波速與標(biāo)貫試驗有較好的相關(guān)性，圖6.3.5是對86個試件的統(tǒng)計結(jié)果，圖中N63.5為標(biāo)貫擊數(shù)，該相干曲線的相關(guān)系數(shù)為r=0.9三種試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)頻散曲線反映強(qiáng)夯復(fù)合地基的加固深度、影53圖6.3-4瑞雷波頻散曲線圖6.3-4瑞雷波頻散曲線54圖6.3-5N63.5-vr相關(guān)曲線

圖6.3-5N63.5-vr相關(guān)曲線55圖6.3-6fk-vR相關(guān)曲線圖6.3-6fk-vR相關(guān)曲線56圖6.3-7E0-vR相關(guān)曲線圖6.3-7E0-vR相關(guān)曲線57圖6.3-8軟土地基加固的檢測圖6.3-8軟土地基加固的檢測58理論和實踐都說明，地基土密實較硬時，標(biāo)貫擊數(shù)N值較高，波速也較高;反之N值較低，vR也較低。當(dāng)?shù)鼗梁欢康奶钍瘯r，N值離散性較大，vR代表一種整體平均效應(yīng)。，理論和實踐都說明，地基土密實較硬時，標(biāo)貫擊數(shù)N值較高，波速也59顯然當(dāng)填石太多時，面波法比標(biāo)貫試驗有更大的優(yōu)越性。由場地瑞雷波速與地基承載力的相關(guān)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)瑞雷波速與地基承載力也有較好的相關(guān)性。波速的高低反映了介質(zhì)的固結(jié)致密程度顯然當(dāng)填石太多時，面波法比標(biāo)貫試驗有更大的優(yōu)越性。由場地瑞雷60圖6.3-6是fK,---vR相關(guān)曲線，統(tǒng)計件數(shù)94件，相關(guān)系數(shù)r=0.85。對該曲線用經(jīng)驗公式可表示為fK=2.777vR0.796相對壓板試驗來說，面波法表示地基承力更具快速、廉價、范圍廣和代表性強(qiáng)的特點。圖6.3-6是fK,---vR相關(guān)曲線，統(tǒng)計件數(shù)94件，相61對該場地的變形模量E0與vR也作了相關(guān)統(tǒng)計，得到如圖6.3-7所示的相關(guān)曲線。圖中E0的單位為MPa，對該曲線用經(jīng)驗公式E0=9.4310-5vR2.284對該場地的變形模量E0與vR也作了相關(guān)統(tǒng)計，得到如圖6.3-62表示。E0隨vR的變化比fK更靈敏，原因是強(qiáng)夯復(fù)合地基一般在地表形成一層硬殼，壓板結(jié)果僅與淺部1.5-2倍壓板直徑范圍有關(guān)，而面波波速是整個加固地基有效厚度范圍的平均速度。

表示。E0隨vR的變化比fK更靈敏，原因是強(qiáng)夯復(fù)合地基一63

以上結(jié)論雖然是在局部地區(qū)得到的結(jié)果，但說明用面波速度檢測地基加固質(zhì)量乃是有效的，在可能的情況下可間接提供地基承載力和變形模量。圖6.3-8是軟土地基強(qiáng)夯擠密加固前后用面波法檢測的頻散曲線。

64在深度6m以上的范圍內(nèi)，強(qiáng)夯后的波速值增加近一倍。在深度3.7m以上的第一層雜填土中，波速由175m/s增至318m/s，深度5.9m以上的第二層雜填土中，波速由166m/s增至346m/s,加固后波速值增加，必然導(dǎo)致地基物理力學(xué)性質(zhì)的變化。在深度6m以上的范圍內(nèi)，強(qiáng)夯后的波速值增加近一倍。在深度3.65瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件664：工程實例現(xiàn)以某建筑場地強(qiáng)夯地基為例說明，該場地為山溝填土整平形成，測試區(qū)域填土深度約15m，強(qiáng)夯能量為6000kNm。本場地先后做了瑞雷波法，鉆探標(biāo)貫試驗和3m×3m大壓板靜載試驗。4：工程實例67瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件68圖2為該場地的瑞雷波測試原始記錄。該記錄偏移距4m，道間距2m，32kg錘1.5m高自由下落激發(fā)，記錄波形規(guī)則，背景安靜。

圖3為該記錄經(jīng)計算機(jī)處理后所得的頻散曲線。由圖可見，瑞雷波頻散曲線規(guī)則，拐點清楚。0~2m深度范圍內(nèi)，波速為260m?s-1，3～6m波速220m?s-1，6～9m波速為200m?s-1，9～16m波速為190～205m?s-1。解釋加固深度9m，影響深度為16m。圖4為該處所做鉆探標(biāo)貫曲線。由圖可見，0～13m范圍內(nèi)修正后的標(biāo)貫擊數(shù)為14.8~26.8擊，室內(nèi)土工試驗壓縮模量為5～8MPa，內(nèi)摩擦角15°左右，凝聚力為36kPa左右。

圖5為在該鉆探點所作靜載試驗曲線。該點按設(shè)計承載力1.5倍加荷，實測承載力fk＝250kPa，變形變量E0＝34.02MPa，換算壓縮模量ES=8.5MPa。分析由圖2～圖5可見，瑞雷波頻散曲線可以直接反映強(qiáng)夯復(fù)合地基的加固深度、影響深度，并與鉆探標(biāo)貫和靜載試驗結(jié)果一致。通過大量統(tǒng)計對比，我們總結(jié)出了如下的經(jīng)驗公式：N63.5＝1.779×10-3(4)式中，VR單位為m?s-1，N63.5為標(biāo)貫擊數(shù)，統(tǒng)計件數(shù)為86件，相對系數(shù)r=0.95。

fK＝2.777(5)式中，fK單位為kPa，統(tǒng)計件數(shù)94件，相關(guān)系數(shù)r=0.85。E0＝9.43×10-5(6)式中，E0單位為MPa，統(tǒng)計件數(shù)62件，相關(guān)系數(shù)為r＝0.83。圖2為該場地的瑞雷波測試原始記錄。該記錄偏移距4m，道間距269結(jié)論4結(jié)論(1)瑞雷波法解決強(qiáng)夯加固地基質(zhì)量的檢測問題是十分有效的。它不僅可以檢測大范圍地基加固效果，而且可以類似標(biāo)貫試驗法間接提供地基的承載力和變形模量。(2)通過一定的壓板試驗，鉆探標(biāo)貫與瑞雷波法的對比試驗，證明瑞雷波速VR與N63.5、fK、E0值有較好的相關(guān)性。(3)瑞雷波法是一種快速、經(jīng)濟(jì)、有效的方法，特別是對于拋石填海地基、鉆探難以進(jìn)行而壓板數(shù)量又少，壓板面積又小的工程，更有意義。(4)瑞雷波的平均速度和橫波速度Vs相差無幾，因而可用它來得到各種巖土的動力參數(shù)。這對工程設(shè)計是非常有用的。而且VR比縱波的速度要小，因而有著更高的分辨率。(2)在被勘探的地層中，可以有速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即在高速層中可以夾低速層。這在地震勘探的折射法中就不能勘探。因而用這種方法可以勘探滑坡、混凝土公路面下面的巖土結(jié)構(gòu)等。(3)測量時所需的場地范圍可以很小，并有著較強(qiáng)的抗干擾能力，即使周圍有汽車或其它干擾，對儀器測量無多大影響，因而可以在市中心繁華地區(qū)或狹窄的小地區(qū)來探測。

結(jié)論4結(jié)論70謝謝觀賞！2020/11/571謝謝觀賞！2020/11/571瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。從方法上講，瑞雷波勘探有頻率域觀測的穩(wěn)態(tài)法和時間域觀測的瞬態(tài)法兩種瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析瞬態(tài)瑞雷波勘探技72

因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。從方法上講，瑞雷波勘探有頻率域觀測的穩(wěn)態(tài)法和時間域觀測的瞬態(tài)法兩種因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。73

穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用時間較長，方法技術(shù)也較為成熟，但缺點是設(shè)備笨重，不利于提高效率。瞬態(tài)法則具有輕便、快捷效率高的特點。所用的采集系統(tǒng)就是地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此很快受到人們的普遍重視。

74一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊使地面產(chǎn)生一個包含所需頻率范圍的假設(shè)離震源一定距離處有一觀測點A，記錄到的瑞雷波是f1(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理75在波的前進(jìn)方向上與A點相距為x的觀測點B同樣也記錄到時間信號f2(t)，其頻譜是在波的前進(jìn)方向上與A點相距為x的觀測點B同樣也記錄到時間76若波從A點傳播到B點，它們之間的變化完全是頻散引起的，則應(yīng)有下列的關(guān)系式vR()是圓頻率為ω的瑞雷波的相速度。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件77

上式也可寫成式中是F1()和F2()之間的相位差,比較式(6.3.3)和(6.4.4)可知

上式也可寫成78

根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離x和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度vR().為得到勘探點的頻散曲線，需要對兩觀測點的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。作相干函數(shù)的目的是對記錄信號的各個頻率成分的質(zhì)量作出估計，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離x和每一頻率的相79

作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這兩個觀察點在各個不同頻率時的相位差，再利用(6.3.5)式求出相速度，當(dāng)我們已知頻率為f的瑞雷波速度vR后，其相應(yīng)的波長為R

R=vR/f(6.3.6)作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這80

瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在一個波長深度范圍內(nèi)，由半波長理論，所測量的瑞雷波的平均波速vR可以認(rèn)為是半波長深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度是H=R/2=vR/2f(6.3.7)瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在81由(6.3.7)可知，頻率越高，波長R越短，勘探深度越小;反之，頻率越低，波長R越長，勘探深度越大。因此兩個觀測點之間的距離也要隨著波長的改變而改變。對于勘探較深的低頻而言，x要大，才能測到較為正確的相位。對于勘探較淺的高頻來說，x要小。

由(6.3.7)可知，頻率越高，波長R越短，勘探深度越小;82根據(jù)實際經(jīng)驗，x取1/3R-2R間較為合適，即在一個波長內(nèi)的采樣點數(shù)，要小于在間距x內(nèi)的采樣點數(shù)的三倍，大于在x內(nèi)的采樣點數(shù)的0.5倍。這個濾波準(zhǔn)則要針對不同的儀器分辨率和場地的實際情況做適當(dāng)調(diào)整根據(jù)實際經(jīng)驗，x取1/3R-2R間較為合適，即在83根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波傳播特性反映了不同深度地質(zhì)體的變化情況實際工作中，為了提高效率。瑞雷波勘探時，在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距x設(shè)置N+l個檢波器,根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的84

我們就可以檢測到Nx長度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。對于頻率為fi的頻率分量，進(jìn)行互譜分析時，計算相鄰檢波器記錄的相移i，則相鄰道x長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度，在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍Nx內(nèi)的我們就可以檢測到Nx長度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。85在同一測點對一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一條vR-f典線，即頻散曲線。平均波速為在同一測點對一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一86根據(jù)(6.3.6)式，可將vR-f曲線轉(zhuǎn)換為vR-R曲線，vR-R曲線反映出該測點介質(zhì)深上的變化規(guī)律。沿測線不同點的vR-R曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征根據(jù)(6.3.6)式，可將vR-f曲線轉(zhuǎn)換為vR-R曲線87

瞬態(tài)面波法的震源可以采用錘擊、落重、爆炸等方式。激振力較小時脈沖面波的主頻率較高。檢波器安置在地面作為拾取介質(zhì)振動的傳感器。面波勘探所用檢波器頻率范圍很寬，可以從數(shù)赫茲到數(shù)千赫茲。。

二、瞬態(tài)瑞雷波法資料采集系統(tǒng)二、瞬態(tài)瑞雷波法資料采集系統(tǒng)88目前國內(nèi)外生產(chǎn)的檢波器類型較多，面波測試時，可從固有頻率為4.5、8、10、15、28等檢波器中選擇使用，瞬態(tài)面波一般使用固有頻率較低的檢波器目前國內(nèi)外生產(chǎn)的檢波器類型較多，面波測試時，可從固有頻率為489檢波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬態(tài)沖擊激發(fā)的面波可以看作許多單頻諧振的疊加，因而記錄到的波形也是諧波疊加的結(jié)果，呈脈沖型的面波。為了獲得對應(yīng)于不同深度的波速，要求震源產(chǎn)生的頻率范圍要寬，檢波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬態(tài)沖擊激發(fā)的面波可以90測試淺層時用小錘或較輕的鐵塊錘擊地面獲得高頻信號，并采用小的道間距接收。測試深度大時則相反。地震波主頻f0與落重法的重塊質(zhì)量M和重塊底面積的半徑r0的關(guān)系為:測試淺層時用小錘或較輕的鐵塊錘擊地面獲得高頻信號，并采用小的91其中為切變模量，為泊松比。瞬態(tài)面波法也可以利用儀器的信號增強(qiáng)功能，進(jìn)行垂直疊加，以達(dá)到增強(qiáng)有效信號壓制干擾的目的。

其中為切變模量，為泊松比。92

瞬態(tài)法由于采用一次激發(fā)多道接收，可將不同間距的相速度波長數(shù)據(jù)組合，得到波速與波長關(guān)系的瑞雷波頻散曲線。與穩(wěn)態(tài)法相比可大大提高工作效率。瞬態(tài)法由于采用一次激發(fā)多道接收，可將不同間距的相速度93

資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價，提高信號質(zhì)量的處理，面波速度的計算和結(jié)果的輸出。頻率濾波是數(shù)據(jù)處理中最常見的處理手段，它可以消除各種干擾。三、瞬態(tài)瑞雷波法資料處理資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價，提高信94對于淺層勘探，保留高頻成分，對于較深目的層保留低頻成分。對于中等深度勘探，要合理選擇通頻帶，以降低干擾，使資料質(zhì)量得到改善，并最終減小對頻散曲線的影響。切除處理可以把直達(dá)波和折射波等部分地消除，從而保留下來較純的面波，切除以后可以大大改善頻散曲線的計算結(jié)果。

對于淺層勘探，保留高頻成分，對于較深目的層保留低頻成分。對于95

能量衰減也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內(nèi)的地震波進(jìn)行能量衰減控制。由于地震記錄中面波能量最強(qiáng)，因此增益處理以后，可以使相對較弱的反射波、直達(dá)波等幅值減小，使其在計算頻散曲線時相關(guān)系數(shù)變小，從而達(dá)到減少干擾的目的。能量衰減也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內(nèi)的地震96一般而言，增益處理后計算的頻散曲線更加平滑，且對深層目標(biāo)反映的更清楚，不利之處是這種平滑可能會便面波勘探的分辨率降低，并產(chǎn)生低頻段的低速假象。一般而言，增益處理后計算的頻散曲線更加平滑，且對深層目標(biāo)反映97經(jīng)以上對原始記錄的整理和處理后，需要確定面波速度vR。由式(6.3.5)，首先確定兩接收點間的相位差.因此就要對兩觀測點的記錄作互功率譜的分析。經(jīng)以上對原始記錄的整理和處理后，需要確定面波速度vR。由式98

如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別為F1()和F2()的自功率譜可分別表示為：如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別99

其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f)的復(fù)共扼譜。f1(t)和f2(t)的互功率譜為其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f100

可見互功率譜中的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的相位差.在互功率譜函數(shù)中，并非對所有頻率成分都有效，衡量某頻率成分是否有效的方法是用相干函數(shù)，可見互功率譜中的相位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的101即檢測面波由測點A向測點B傳播時，是否有良好的相干性。定義相干函數(shù)即檢測面波由測點A向測點B傳播時，是否有良好的相干性。定102上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實部進(jìn)行相干性評價。如果在傳播過程中系統(tǒng)是理想的，則該頻段內(nèi)G(f)的實部絕對值應(yīng)接近1，若由于干擾和系統(tǒng)的非線性使信號的質(zhì)量下降，G(f)實部的絕對值將下降。上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實部進(jìn)行相干性評103一般選擇其值大于0.8的頻段計算互功率譜。求取面波在二接收點間傳播的相位差，并利用公式計算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟計算，得一般選擇其值大于0.8的頻段計算互功率譜。104VR-f或vR-曲線，即頻散曲線。圖6.3-1是瑞雷波速度vR-和vR-H分布曲線。圖中vR曲線是應(yīng)用半波長轉(zhuǎn)換法繪出的，即波長為的面波速度代表半個波長深度以上的介質(zhì)中的平均值。VR-f或vR-曲線，即頻散曲線。圖6.3-1是瑞雷波速度105四、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應(yīng)用瑞雷波速度資料包含著地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特性信息，在對巖、土體地質(zhì)特性的研究和工程與環(huán)境的檢測與監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。四、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應(yīng)用106

頻點很密(頻率值的變化步長很小)的速度曲線，其含義雖然與層速度不同，但比較各頻點速度值的展布規(guī)律，可以看到速度曲線突變處的深度往往對應(yīng)于介質(zhì)的界面深度。理論和實踐都表明，曲線上"之"字型(鋸齒狀)異常反映地下介質(zhì)的分界面，如圖6.3-1所示。

(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算107圖6.3-1瑞雷波法的速度曲線圖6.3-1瑞雷波法的速度曲線108

如果把面波的平均速度曲線轉(zhuǎn)換成層速度與深度H的關(guān)系，解釋結(jié)果將更為直觀。如果速度曲線上讀取的n-1層面波平均速度及相應(yīng)的界面深度分別為vR,n-1和Hn-1,如果把面波的平均速度曲線轉(zhuǎn)換成層速度與深度H的關(guān)系，109

n層的平均速度及相應(yīng)的界面深度為vR,n和Hn,并且平均速度是隨深度遞增的，則n-1層至n層之間的面波層速度vRi,n的計算公式為

110如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式111而橫波速度的測定較為復(fù)雜，鑒于面波與橫波速度近似相等，因此，各巖、土層的面波速度換算為橫波速度，即可獲得地層的各種動力參數(shù)而橫波速度的測定較為復(fù)雜，鑒于面波與橫波速度近似相等，因此，112

同理，利用面波與橫波速度近似相等，還可將面波速度代入(5.2.6)式計算出地基的固有周期以評價地基的振動特性。圖6.3-2是在山西安太堡露天煤礦的開挖平臺上，同理，利用面波與橫波速度近似相等，還可將面波速度代入(5.2113瞬態(tài)面波法取得的工作成果。左圖為隨深度變化的面波速度曲線，右圖6.3-2為面波頻散曲線與地層對比圖。由于界面兩側(cè)介質(zhì)的速度參數(shù)差異較大，與速度變化曲線的對應(yīng)情況很好瞬態(tài)面波法取得的工作成果。左圖為隨深度變化的面波速度曲線114

圖6.3-3是用SWS多功能面波儀，采用落重震源探查露天煤礦開挖平臺地下老窖的工作成果。圖中(a)為測點下平均視速度曲線;(b)為測量排列中第一道檢波點與第二道檢波點之間地層的相速度曲線;瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)剖析課件115圖6.3-2面波頻散曲線與地層對比圖圖6.3-2面波頻散曲線與地層對比圖116圖6.3-3地下老窯面波頻散曲線圖6.3-3地下老窯面波頻散曲線117(c)圖為測量排列中第二道檢波點與第三道檢波點之間的相速度曲線;(d)圖是測量排列中第三道與第四道檢波點之間的相速度曲線;(e)圖為測量排列中第四道與第五道檢波點之間的相速度曲線。(c)圖為測量排列中第二道檢波點與第三道檢波點之間的相速度曲118由以上速度曲線特征可以確定，老窖位于排列中第二道與第三道檢波點之間的下方。礦方據(jù)此布置鉆孔驗證，在鉆孔的27-29m深度處探到老窖，與第三條速度曲線的A點和B點反映的頂?shù)装迳疃认嘟Ｓ梢陨纤俣惹€特征可以確定，老窖位于排列中第二道與第三道檢波119

(三)在工程、環(huán)境檢測與監(jiān)測中的應(yīng)用

深圳市中興花園的場地為山溝填土整平形成，測試區(qū)填埋土深大約15m。為檢測夯實效果，深圳市地質(zhì)局先后做了瑞雷波法、鉆探標(biāo)貫試驗和33m2大壓板靜載試驗。(三)在工程、環(huán)境檢測120瑞雷波測試采用道間距2m，偏移距4m,32kg重錘，1.5m高自由下落激發(fā)，記錄波形經(jīng)計算機(jī)處理后獲得如圖6.3-4所示頻散曲線。瑞雷波測試采用道間距2m，偏移距4m,32kg重錘，1.5m121該曲線拐點清晰，02m深度范圍波速為260m/s,36m波速為220m/s，69m波速為220m/s，916m波速為190205m/s，該曲線拐點清晰，122解釋加固深度9m，影響深度16m。該場地也進(jìn)行了鉆探標(biāo)貫試驗，013m范圍內(nèi)修正后的標(biāo)貫擊數(shù)為14.826.8m，室內(nèi)土工試驗壓縮模量58MPa，內(nèi)摩擦角150左右，凝聚力36kPa左右。靜載試驗按設(shè)計承載力1.5倍加荷，實測承載力fK=250kPa，變形模量34.02MPa，換算壓縮模量8.5MPa。

解釋加固深度9m，影響深度16m。該場地也進(jìn)行了鉆探標(biāo)貫試驗123三種試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)頻散曲線反映強(qiáng)夯復(fù)合地基的加固深度、影響深度與鉆探標(biāo)貫和靜載荷試驗結(jié)果一致。統(tǒng)計表明，瑞雷波速與標(biāo)貫試驗有較好的相關(guān)性，圖6.3.5是對86個試件的統(tǒng)計結(jié)果，圖中N63.5為標(biāo)貫擊數(shù)，該相干曲線的相關(guān)系數(shù)為r=0.9三種試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)頻散曲線反映強(qiáng)夯復(fù)合地基的加固深度、影124圖6.3-4瑞雷波頻散曲線圖6.3-4瑞雷波頻散曲線125圖6.3-5N63.5-vr相關(guān)曲線

圖6.3-5N63.5-vr相關(guān)曲線126圖6.3-6fk-vR相關(guān)曲線圖6.3-6fk-vR相關(guān)曲線127圖6.3-7E0-vR相關(guān)曲線圖6.3-7E0-vR相關(guān)曲線128圖6.3-8軟土地基加固的檢測圖6.3-8軟土地基加固的檢測129理論和實踐都說明，地基土密實較硬時，標(biāo)貫擊數(shù)N值較高，波速也較高;反之N值較低，vR也較低。當(dāng)?shù)鼗梁欢康奶钍瘯r，N值離散性較大，vR代表一種整體平均效應(yīng)。，理論和實踐都說明，地基土密實較硬時，標(biāo)貫擊數(shù)N值較高，波速也130顯然當(dāng)填石太多時，面波法比標(biāo)貫試驗有更大的優(yōu)越性。由場地瑞雷波速與地基承載力的相關(guān)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)瑞雷波速與地基承載力也有較好的相關(guān)性。波速的高低反映了介質(zhì)的固結(jié)致密程度顯然當(dāng)填石太多時，面波法比標(biāo)貫試驗有更大的優(yōu)越性。由場地瑞雷131圖6.3-6是fK,---vR相關(guān)曲線，統(tǒng)計件數(shù)94件，相關(guān)系數(shù)r=0.85。對該曲線用經(jīng)驗公式可表示為fK=2.777vR0.796相對壓板試驗來說，面波法表示地基承力更具快速、廉價、范圍廣和代表性強(qiáng)的特點。圖6.3-6是fK,---vR相關(guān)曲線，統(tǒng)計件數(shù)94件，相132對該場地的變形模量E0與vR也作了相關(guān)統(tǒng)計，得到如圖6.3-7所示的相關(guān)曲線。圖中E0的單位為MPa，對該曲線用經(jīng)驗公式E0=9.4310-5