工程與環(huán)境物探(3-4章)課件

第三章淺震中的新技術(shù)新方法

隨著工程勘察任務(wù)的發(fā)展，對地震勘探的要求不斷提高，為了適應(yīng)工程勘察任務(wù)的需要，在常規(guī)反（折）射波法的基礎(chǔ)上又形成了一些新的方法?？v、橫波測試技術(shù)瑞利面波探測地震波CT技術(shù)樁基動態(tài)無損檢測第一節(jié)縱、橫波速測試技術(shù)測定巖土介質(zhì)的波速，計算出巖土介質(zhì)的彈性參數(shù)，評價巖土介質(zhì)的質(zhì)量。一、動彈性參數(shù)測試原理二、波速測試方法1、震源（1）炸藥類震源----以縱波成分為主；（2）垂向打擊類震源----以縱波成分主；（3）定向打擊類震源----以橫波成分主；擊板法彈簧激震法鉆孔橫波錘和電火花震源2、工作方法（1）地表法----測地表巖土介質(zhì)的波速；

(2)單孔法和跨孔法----測深部巖土介質(zhì)的波速；3、縱波、橫波的識別（1）炸藥類震源有利于縱波的激發(fā)，機械類震源有利于縱波的激發(fā)；（2）Vp>Vs縱波出現(xiàn)在記錄的前部；(3)改變打擊方向后，縱波不變，橫波發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。三、動、靜彈性參數(shù)之間的關(guān)系在評價巖體和地基的的穩(wěn)定性時：動彈性參數(shù)—方便，可大量測試；靜彈性參數(shù)---采集標(biāo)本，室內(nèi)測試；兩者的性質(zhì)相同，但由于測試方法不同，其數(shù)值不同。我國南方某壩基動、靜彈性參數(shù)的測試結(jié)果為：經(jīng)驗公式南斯拉夫蘇聯(lián)科學(xué)院：

（適合完整的巖體）（適合破碎的巖體）（適合破碎含水的巖體）上述經(jīng)驗公式，可以借鑒，在一個新區(qū)工作時，最好做一定試驗，建立適合本區(qū)的公式（非線性回歸）。如上表：四、巖土波速的應(yīng)用

不同性質(zhì)的巖土介質(zhì)波速不同，可通過波速評價巖體的性質(zhì)。而波速測定具有經(jīng)濟快速和無破壞性的優(yōu)點，該方法在工程勘察的各個方面得到了廣泛的應(yīng)用。１、劃分巖土性質(zhì)和巖體質(zhì)量分類：0----0.5，巖土介質(zhì)越松軟其值越大，越堅硬致密其值越小，一般為0.2----0.3。VP/VS與σ的關(guān)系

σ00.10.20.250.30.40.5VP/VS1.411.51.631.731.872.45∞（１）當(dāng)，且Ｖp較大：未風(fēng)化基地（２）當(dāng)，且Vp較?。褐饕獮樯盎蚵咽?。（３）當(dāng)Vp值低，而Vp/Vs值高時，表示經(jīng)常處于水位以上的粘性土壤。（４）當(dāng)Vp值接近水的速度（1500m/s），而Vp/Vs值高，可能表示水位以下的軟粘土層。完整性系數(shù):2、判斷砂土基地的“液化”—剪切波速度法液化：砂土基地在一定的條件下（飽和水、受到震動），由原來的狀態(tài)變?yōu)椤罢硿黧w”的過程。液化后，砂土層的抗剪強度為零，造成地基塌陷、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。判斷基地液化的方法：經(jīng)驗法；對比法。剪切波速度法：通過橫波波速的測定，監(jiān)測“液化”的發(fā)生。不發(fā)生“液化”時：Vs較大；發(fā)生“液化”時：Vs較小。剪切應(yīng)變和波速密切相關(guān)：

Ｇ：和相應(yīng)最大剪切應(yīng)變等有關(guān)的常數(shù)；Ｚ：砂土層的深度；Vs：在砂土層中測得的橫波波速；amax：地震時地面最大加速度；γ：為深度Ｚ以上砂土層的容重?；夭话l(fā)生液化基地可能發(fā)生液化第二節(jié)瑞利面波法理論研究表明：當(dāng)有震源存在時，除產(chǎn)生縱、橫波外，還產(chǎn)生一種沿地表表層傳播的面波（1887年英國學(xué)者瑞利發(fā)現(xiàn)）。傳統(tǒng)地震勘探中是干擾波。近年來，通過對其傳播特征的研究，可以實現(xiàn)對表層巖土介質(zhì)進行分層。--瑞利面波法一、瑞利波的基本特征１、質(zhì)點振動軌跡是一個橢圓；

２、頻率低、速度低，是一種直達波；

３、沿自由界面分布，穿透深度約為半波長；４、在均勻介質(zhì)中波速無頻散；在非均勻介質(zhì)中有頻散。

以上特點，構(gòu)成了瑞利波法的基礎(chǔ)。穩(wěn)態(tài)瑞利波法：用專門儀器（GR-810面儀），用可控頻率的連續(xù)波震源。瞬態(tài)瑞利波法：用傳統(tǒng)的地震儀，脈沖震源。二、穩(wěn)態(tài)瑞利波法原理：

還可以用反演軟件計算各層的層速度。三、瞬態(tài)瑞利波法原理：

這個脈沖波包含各種各種頻率，由不同頻率的間諧波疊加而成，可用傅氏變分離出這些間諧波，求出不同頻率的間諧波的波速即可。設(shè)已分離出來頻率為f的瑞利波諧波瞬態(tài)法不需專門儀器，應(yīng)用面廣，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，原理復(fù)雜。穩(wěn)態(tài)法需專門儀器，應(yīng)用受限制，但數(shù)據(jù)處理簡單，原理好理解。實際上，瞬態(tài)法是用數(shù)據(jù)處理過程，替代了瞬態(tài)法中的可控頻率連續(xù)震源。四、應(yīng)用實例第三節(jié)地震波的層析技術(shù)

是近年來發(fā)展起來的一種方法，借鑒醫(yī)學(xué)上Ｘ射線斷面掃描診斷的基本原理，利用大量的地震波信息進行專門的演計算，得到被測區(qū)內(nèi)巖體的波速分布規(guī)律。是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。透射波的層析技術(shù)反射波的層析技術(shù)折射波的層析技術(shù)

透射波的層析技術(shù)(第七次)

地震ＣＴ技術(shù)在大風(fēng)埡隧道地質(zhì)病害診治中的應(yīng)用

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和推進,我國中、西部在鐵路、油氣、水利水電等領(lǐng)域的建設(shè)項目不斷增長,特別是高速公路的建設(shè)速度和投資規(guī)模增長迅速.由于西部地區(qū)地形條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,工程地質(zhì)條件較差,在工程建設(shè)施工過程中,地質(zhì)病害頻繁發(fā)生,這不僅給工程物探提出了不少難題,同時也為工程物探技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供了廣闊的空間.

昆曼公路是中國通往東南亞的重要通道,其中的元江至磨黑段是穿越哀牢山山脈的復(fù)雜地質(zhì)路段,也是213國道的組成部分.大風(fēng)埡隧道位于元江至磨黑高速公路253+885～Ｋ257+238段,處于哀牢山山脈當(dāng)中,隧道最大埋深240ｍ,設(shè)計為分離式、雙洞、單向雙車行車隧道,上下行隧道相距離約50ｍ.隧道區(qū)位于布固江與元江一級分水嶺,屬元江水系,元江一級支流南溪河上游從區(qū)域內(nèi)流過。多次地質(zhì)病害的發(fā)生,嚴(yán)重影響了隧道的施工質(zhì)量和安全,特別是2003年9月20日,下行線Ｋ255+276～+300段坍塌冒頂,發(fā)生特大泥石流,隨后導(dǎo)致南溪河及其支流斷流.據(jù)地表和洞內(nèi)的水文地質(zhì)調(diào)查和觀測,進行病害勘查時,Ｋ255+000～+700段地表南溪河及其支流下滲水量為30.22Ｌ/ｓ,洞內(nèi)排水量為22.89Ｌ/ｓ,地表水下滲量的75%從隧道排出.

勘查目的是查明隧道上覆圍巖坍塌松動區(qū)和空區(qū)的位置、范圍和空間分布形態(tài);查清隧道匯水范圍、補給通道和補給地段,了解隧道上覆圍巖富水區(qū)的分布、南溪河及其支流地表水體與地下水的聯(lián)系;探明該段隧道區(qū)域內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造、斷層的位置、寬度、走向、傾角等產(chǎn)狀要素;分析病害發(fā)生的原因,并提供科學(xué)、合理的治理建議及措施.結(jié)合隧洞的工程水文地質(zhì)情況綜合分析,該段隧道上、下行線圍巖的波速較低,速度變化范圍較大.地表松散層的波速小于1.0ｋｍ/ｓ,厚度為2～6ｍ;塌方松動區(qū)圍巖的波速較低,僅為0.8～1.8ｋｍ/ｓ,塌方形成裂隙最發(fā)育的松散區(qū)的波速小于0.8ｋｍ/ｓ;斷裂破碎帶巖體的波速較低,為0.8～2.0ｋｍ/ｓ;強-中風(fēng)化巖體的波速為1.8～2.5ｋｍ/ｓ;較完整的微風(fēng)化巖體的波速大于3.0ｋｍ/ｓ;上行線探測區(qū)內(nèi)巖體的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占40%左右,下行線探測區(qū)內(nèi)巖體的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占60%左右,沿隧道縱向速度變化較大,說明該段隧道斷層、裂隙等構(gòu)造比較發(fā)育。

上行線塌方松動區(qū)在Ｋ255+260～+330段附近,呈上下連通、寬約70ｍ的直立條帶狀。下行線塌方松動區(qū)沿交叉斷裂面發(fā)育,在Ｋ255+060～+360段呈上大下小的不規(guī)則倒喇叭狀;塌方、突泥、涌水在地表形成塌陷坑和裂縫,但在隧道上方150ｍ范圍內(nèi)的圍巖中沒有空區(qū)形成;下行線Ｋ255+150～+200段隧道上部圍巖為兩條斷層面之間飽水破碎巖體和地下水運移下滲的集中區(qū),該段圍巖由于受構(gòu)造影響變得軟弱破碎,自穩(wěn)性能變差,并飽含地下水,過高的巖體壓力和水頭壓力使已完成的隧道支護發(fā)生變形開裂和突泥、涌水,這是病害發(fā)生的主要原因.第四節(jié)垂直地震剖面法

井口激發(fā)，井中觀測，得到地震波沿垂直方向的變化，研究地下界面分布的一種地震勘探方法。特點：１、井中觀測，減少了表層的干擾和吸收，信噪比、分辨率高。２、可和鉆孔資料對比，解譯精度高。３、和波速測定中的“單孔法”相似。４、資料處理和解釋和“反射波法”相似。第五節(jié)樁基動態(tài)無損檢測

隨著高層、大型建筑的出現(xiàn)樁基礎(chǔ)得到了廣泛應(yīng)用。樁基的類型：鉆孔灌注樁；預(yù)制件樁；挖孔樁等。是地下隱蔽工程，都有一個質(zhì)量評價的問題。樁基動態(tài)無損檢測：快速檢測樁基質(zhì)量的物探方法。穩(wěn)態(tài)振動法；瞬態(tài)振動法。一、穩(wěn)態(tài)振動法（機械阻抗法）１、工作裝置（測樁儀）和工作方法

觀測速度導(dǎo)納，作出速度導(dǎo)納隨頻率的變化曲線：(Vc=Vc0(3600—4500m/s))２、基本原理將樁土體系看成質(zhì)量、彈簧、阻尼振動體系，由彈性理論可導(dǎo)出速度導(dǎo)納的表達式。這里給出形式推導(dǎo)：速度的振幅值：

所以，速度導(dǎo)納曲線是周期函數(shù)，其周期為：３、應(yīng)用（１）設(shè)樁的長度合格，計算ＶcVc=Vc0(3600—4500m/s)樁的強度合格。（２）設(shè)樁的強度合格，計算樁的長度L。二、瞬態(tài)動測法

１、反射波法樁的底面是一個良好的反射界面，產(chǎn)生反射波：

２、頻率法－－計算摩擦樁的承載力三、應(yīng)用實例第四章聲波探測

通過探測聲波在巖體內(nèi)的傳播特征來研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探方法。原理同波速測試技術(shù)。不同點波速測試聲波探測１、震源打擊類聲波發(fā)生器２、頻率低高（103—106HZ）３、探測范圍深淺４、分辨率低高第一節(jié)原理及工作方法一、原理二、工作方法

第二節(jié)聲波探測在工程環(huán)境檢測中的應(yīng)用一、巖體動彈性參數(shù)的測定：二、巖體的工程地質(zhì)分類在坑道、硐室等地下工程施工時，必須了解圍巖巖體的穩(wěn)定性，以便合理選擇開挖方案和支襯方案。１、縱波的波速縱波的波速與其抗壓強度成正比。２、完整性系數(shù)３、裂隙系數(shù)4、風(fēng)化系數(shù)：綜合參數(shù)巖體分類：5、衰減系數(shù)：聲波在巖體中傳播時，除波速發(fā)生變化外，振幅也發(fā)生變化。三、圍巖松弛帶的確定

當(dāng)?shù)叵率┕r，在隧道壁周圍形成巖石的破碎帶---圍巖松弛帶。形成原因：（１）應(yīng)力平衡的破壞；（２）機械振動。松弛帶的厚度與圍巖性質(zhì)和隧道形狀有關(guān)。確定松弛帶的厚度是施工中常見的問題?？捎寐暡ㄌ綔y解決。工作方法：單孔法、雙孔法（孔深１-２倍硐經(jīng)）利用巷道圍巖對震波的傳播速度確定巷道圍巖松動圈地震波在不同狀態(tài)的巖層中傳播的速度不同，根據(jù)這一原理，利用KDzlll4—3型便攜式礦井地質(zhì)探測儀，接收巖層中傳播的震波信息，解析得到震波速度，分析巷道圍巖持征，而后確定巷道圍巖松動圈范圍，進而為巷道支護提供參考依據(jù)。大同煤礦集團公司四臺礦103軌道石門，其斷面形狀為半圓拱形，巷道高度4m，支護形式為錨噴支護。103石門2號孔第一次測試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形幾乎一樣，每隔0.2M孔深處檢波器所檢到的首波滯后時間幾乎相等，說明圍巖基本一致，沒有松動?？咨?.0～3.0M段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為2．072m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動；孔深3．2～4．85m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為3．518m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動，應(yīng)力集中。這兩個區(qū)相比，二區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號，波峰、波谷明顯，沒有衰減。103石門5號孔第一次測試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形不完全一樣，每隔0．2m孔深處檢波器所檢到的首波滯后時間也不完全相等，說明圍巖松動情況不一致。孔深0．0～2．2m段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為1.746m／ms，該區(qū)圍巖松動；孔深2．2～5．02m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為4．697m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動，應(yīng)力集中。這兩個區(qū)相比，后一個區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號，波峰、波谷明顯，沒有衰減。103石門6號孔第一次測試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形不完全一樣，每隔0．2m孔深處檢波器所檢到的首波滯后時間也不完全相等，說明圍巖松動情況不一致。孔深0．0～0．79m段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為0．853m／ms，該區(qū)圍巖松動，波速很?。豢咨?．79～4．66m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為2．153∥ms，該區(qū)圍巖沒有松動。這兩個區(qū)相比，后一個區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號，波峰、波谷明顯，衰減不是很快。

1號至7號孔兩次測試波形對比及波速解析結(jié)果見分層波速統(tǒng)計表2和表3。對整個斷面來說，孔中巖層平均速度基本在1．9—2．3m／ms之間，為正常值，低于該波速值，說明巖層發(fā)生新的變形或松動，高于此值范圍，說明受應(yīng)力集中影響所致。波速發(fā)生變化的位置即為異常點，結(jié)合圍巖松動發(fā)育特征，可進一步判定出各孔中松動區(qū)變化范圍。異常區(qū)域如圖5四、聲波測井

在鉆孔中進行聲波測量，研究波速在鉆孔剖面上的變化，對巖性進行分層。前面講到的“單孔法”就是這種方法。這種方法觀測的是折射波。

應(yīng)用跨孔地震ＣＴ技術(shù)檢測錨基基礎(chǔ)斷裂