物探方法-瞬態(tài)瑞雷波法.ppt

瑞雷波勘探方法是近年來發(fā)展起來的淺層地震勘探新方法。由于瑞雷波速度同剪切波速度及巖、土力學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系，,第三節(jié) 瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù),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,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(diǎn)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(diǎn)。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。,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(diǎn)A，記錄到的瑞雷波是f1(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為,在波的前進(jìn)方向上與A點(diǎn)相距為x 的觀測點(diǎn)B同樣也記錄到時間信號f2(t)，其頻譜是,若波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)，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()是圓頻率為的瑞雷波的相速度。,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,根據(jù)上式，只要知道A、B兩點(diǎn)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(diǎn)的頻散曲線，需要對兩觀測點(diǎn)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(jì)，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。,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(diǎn)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),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),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(diǎn)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。,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，x 取1/3R -2R 間較為合適，即在一個波長內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，要小于在間距x 內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的三倍，大于在x內(nèi)的采樣點(diǎn)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(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整,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(shí)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,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(jì)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,在同一測點(diǎn)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,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(diǎn)介質(zhì)深上的變化規(guī)律。沿測線不同點(diǎn)的vR-R曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征,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),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,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，,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:,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。,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。,資料處理工作主要包括:對原始記錄的整理和評價(jià)，提高信號質(zhì)量的處理，面波速度的計(jì)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,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(jì)算結(jié)果。,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(jì)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。,一般而言，增益處理后計(jì)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。,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(diǎn)間的相位差.因此就要對兩觀測點(diǎn)的記錄作互功率譜的分析。,如果兩觀測點(diǎn)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：,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,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)，,即檢測面波由測點(diǎn)A向測點(diǎn)B傳播時，是否有良好的相干性。定義相干函數(shù),上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過G(f)的實(shí)部進(jìn)行相干性評價(jià)。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(shí)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(shí)部的絕對值將下降。,一般選擇其值大于0.8的頻段計(jì)算互功率譜。 求取面波在二接收點(diǎn)間傳播的相位差，并利用公式計(jì)算波速。選擇新的頻率值并重復(fù)上述步驟計(jì)算，得,VR-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。,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。,頻點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(jì)算,圖6.3-1 瑞雷波法的速度曲線,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 ,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(jì)算公式為,如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式,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),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(jì)算出地基的固有周期以評價(jià)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，,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,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(diǎn)下平均視速度曲線; (b)為測量排列中第一道檢波點(diǎn)與第二道檢波點(diǎn)之間地層的相速度曲線;,圖6.3-2 面波頻散曲線與地層對比圖,圖6.3-3 地下老窯面波頻散曲線,(c)圖為測量排列中第二道檢波點(diǎn)與第三道檢波點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)之間的相速度曲線。,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(diǎn)之間的下方。礦方據(jù)此布置鉆孔驗(yàn)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(diǎn)和B點(diǎn)反映的頂?shù)装迳疃认嘟?(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(shí)效果，深圳市地質(zhì)局先后做了瑞雷波法、鉆探標(biāo)貫試驗(yàn)和33m2 大壓板靜載試驗(yàn)。,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(jì)算機(jī)處理后獲得如圖 6.3-4所示頻散曲線。,該曲線拐點(diǎn)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，,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(yàn)，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(yàn)壓縮模量58MPa，內(nèi)摩擦角150左右，凝聚力36kPa左右。 靜載試驗(yàn)按設(shè)計(jì)承載力1.5倍加荷，實(shí)測承載力fK =250 kPa，變形模量34.02MPa，換算壓縮模量8.5MPa。,三種試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果一致。統(tǒng)計(jì)表明，瑞雷波速與標(biāo)貫試驗(yàn)有較好的相關(guān)性，圖6.3.5是對86個試件的統(tǒng)計(jì)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,圖6.3-4 瑞雷波頻散曲線,圖6.3-5 N63.5-vr 相關(guān)曲線,圖6.3-6 fk-vR相關(guān)曲線,圖6.3-7 E0-vR相關(guān)曲線,圖6.3-8 軟土地基加固的檢測,理論和實(shí)踐都說明，地基土密實(shí)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)。，,顯然當(dāng)填石太多時，面波法比標(biāo)貫試驗(yàn)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(jì)，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,圖6.3-6是fK,- vR相關(guān)曲線，統(tǒng)計(jì)件數(shù)94件，相關(guān)系數(shù)r=0.85。對該曲線用經(jīng)驗(yàn)公式可表示為 fK=2.777vR0.796 相對壓板試驗(yàn)來說，面波法表示地基承力更具快速、廉價(jià)、范圍廣和代表性強(qiáng)的特點(diǎn)。,對該場地的變形模量E0與vR也作了相關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(yàn)公式 E0 =9.4310-5vR2.284,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