瞬態(tài)瑞雷波勘探技術

瞬態(tài)瑞雷波勘探技術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、土力學參數(shù)有著密切的關系，因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應用。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)法應用時間較長，方法技術也較為成熟，但缺點是設備笨重，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。有關面波的形成及傳播特點、面波的頻散現(xiàn)象已在第一章作過討論，下面僅介紹瞬態(tài)瑞雷波勘探原理、數(shù)據(jù)采集、處理及在工程勘測中的應用。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生一個包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵。假設離震源一定距離處有一觀測點A，記錄到的瑞雷波是f(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為在波的前進方向上與A點相距為Dx的觀測點B同樣也記錄到時間信號f2(t)，其頻譜是若波從A點傳播到B點，它們之間的變化完全是由頻散引起的，則應有下列的關系式vR(w)是圓頻率為w的瑞雷波的相速度。上式也可寫成式中j是F2(w)和F1(w)之間的相位差。比較式(6.3.3)和(6.4.4)可知即根據(jù)上式，只要知道A、B兩點間的距離Dx和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度vR(w)。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量作出估計，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。當我們已知頻率為f的瑞雷波速度vR后，其相應的波長lR為lR=vR/f(6.3.6)瑞雷波的能量主要集中在介質的自由表面附近，其深度大體在一個波長深度范圍內，由半波長理論，所測量的瑞雷波的平均波速vR可以認為是1/2波長深度處介質的平均彈性性質，即勘探深度是H=lR/2=vR/2f(6.3.7)由(6.3.7)可知，頻率越高，波長lR越短，勘探深度越小;反之，頻率越低，波長lR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，Dx要大，才能測到較為正確的相位。對于勘探較淺的高頻來說，Dx要小。根據(jù)實際經驗，Dx取1/3lR-2lR間較為合適，即在一個波長內的采樣點數(shù)，要小于在間距Dx內的采樣點數(shù)的三倍，大于在Dx內的采樣點數(shù)的0.5倍。根據(jù)以上討論，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了地質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Dx設置N+l個檢波器，我們就可以檢測到NDx長度范圍內瑞雷波的傳播特征。對于頻率為fi的頻率分量，進行互譜分析時，計算相鄰檢波器記錄的相移ji，則相鄰道Dx長度內瑞雷波的傳播速度，在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍NDx內的平均波速為在同一測點對一系列頻率fi求取相應的vRi值，就可以得到一條vR-f典線，即頻散曲線。根據(jù)(6.3.6)式，可將vR-f曲線轉換為vR-lR曲線，vR-lR曲線反映出該測點介質深上的變化規(guī)律。沿測線不同點的vR-lR曲線則反映了介質沿剖面方向上的變化特征。二、瞬態(tài)瑞雷波法資料采集系統(tǒng)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。目前國內外生產的檢波器類型較多，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果，呈脈沖型的面波。為了獲得對應于不同深度的波速，要求震源產生的頻率范圍要寬，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與落重法的重塊質量M和重塊底面積的半徑r0的關系為其中m為切變模量，s為泊松比。瞬態(tài)面波法也可以利用儀器的信號增強功能，進行垂直疊加，以達到增強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。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，提高信號質量的處理，面波速度的計算和結果的輸出。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。面波勘探中，我們希望濾波處理不改變數(shù)據(jù)的相位特性，即在理想情況下用零相位濾波器，并通過選取合適的通頻帶，盡可能保留所需的頻率成分。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果。能量衰減(增益處理)也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對一定時窗內的地震波進行能量衰減控制。由于地震記錄中面波能量最強，因此增益處理以后，可以使相對較弱的反射波、直達波等幅值減小，使其在計算頻散曲線時相關系數(shù)變小，從而達到減少干擾的目的。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，并產生低頻段的低速假象。經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j.因此就要對兩觀測點的記錄作互功率譜的分析。如果兩觀測點的時域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別為F1(w)和F2(w)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A向測點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)的模應恒為1，可通過G(f)的實部進行相干性評價。如果在傳播過程中系統(tǒng)是理想的，則該頻段內G(f)的實部絕對值應接近1，若由于干擾和系統(tǒng)的非線性使信號的質量下降，G(f)實部的絕對值將下降。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上述步驟計算，得vR-f或vR-l曲線，即頻散曲線。圖6.3-1是瑞雷波速度vR-l和vR-H分布曲線。圖中vR曲線是應用半波長轉換法繪出的，即波長為l的面波速度代表半個波長深度以上的介質中的平均值。四、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應用瑞雷波速度資料包含著地下介質的結構與特性信息，在對巖、土體地質特性的研究和工程與環(huán)境的檢測與監(jiān)測中得到廣泛應用。(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算頻點很密(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于介質的界面深度。理論和實踐都表明，曲線上"之"字型(鋸齒狀)異常反映地下介質的分界面，如圖6.3-1所示。如果把面波的平均速度曲線轉換成層速度與深度H的關系，解釋結果將更為直觀。當然解釋的過程需要盡可能全面掌握測試場地的各種資料，特別是鉆孔資料和基本的地質結構及巖、土性質。對多個測點綜合對比，并考慮它們之間的相關性。計算層速度時一般按由淺至深的順序迸行。如果速度曲線上讀取的n-1層面波平均速度及相應的界面深度分別為vR,n-1和Hn-1,第n層的平均速度及相應的界面深度為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的計算公式為如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式計算。而橫波速度的測定較為復雜，鑒于面波與橫波速度近似相等，因此，隨著面波測試技術的普及，由各巖、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，采用落重震源瞬態(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面波頻散曲線與地層對比圖,右圖為鉆孔柱狀圖。由于界面兩側介質的速度參數(shù)差異較大，與速度變化曲線的對應情況很好。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;(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。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27-2gm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?三)在工程、環(huán)境檢測與監(jiān)測中的應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，深圳市地質局先后做了瑞雷波法、鉆探標貫試驗和3′3m2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)，記錄波形經計算機處理后獲得如圖6.3-4所示頻散曲線。該曲線拐點清晰，0~2m深度范圍波速為260m/s,3~6m波速為220m/s，6~9m波速為220m/s，9~16m波速為190~205m/s，解釋加固深度9m，影響深度16m。該場地也進行了鉆探標貫試驗，0~13m范圍內修正后的標貫擊數(shù)為14.8~26.8m，室內土工試驗壓縮模量5~8MPa，內摩擦角150左右，凝聚力36kPa左右。靜載試驗按設計承載力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。三種試驗結果對比，發(fā)現(xiàn)頻散曲線反映強夯復合地基的加固深度、影響深度與鉆探標貫和靜載荷試驗結果一致。統(tǒng)計表明，瑞雷波速與標貫試驗有較好的相關性，圖6.3.5是對86個試件的統(tǒng)計結果，圖中N63.5為標貫擊數(shù)，該相干曲線的相關系數(shù)為r=O.95。理論和實踐都說明，地基土密實較硬時，標貫擊數(shù)N值較高，波速也較高;反之N值較低，vR也較低。當?shù)鼗梁欢康奶钍瘯r，N值離散性較大，vR代表一種整體應。顯然當填石太多時，面波法比標貫試驗有更大的優(yōu)越性。由場地瑞雷波速與地基承載力的相關統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)瑞雷波速與地基承載力也有較好的相關性。波速的高低反映了介質的固結致密程度，圖6.3-6是fK與vR相關曲線，統(tǒng)計件數(shù)94件，相關系數(shù)r=0.85。對該曲線用經驗公式可表示為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、范圍廣和代表性強的特點。對該場地的變形模量Eo與vR也作了相關統(tǒng)計，得到如圖6.3-7所示的相關曲線。圖中Eo的單位為MPa，對該曲線用經驗公式E0=9.43′10-5vR2.284表示。Eo隨vR的變化比fK更靈敏，原因是強夯復合地基一般在地表形成一