物探方法-瞬态瑞雷波法.ppt

瑞雷波勘探方法是近年来发展起来 的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷 波速度同剪切波速度及岩、土力学 参数有着密切的关系， 因此在岩、土工程和地基处理方面得 到广泛的应用。 从方法上讲，瑞雷波勘探有频率域 观测的稳态法和时间域观测的瞬态法 两种 稳态法应用时间较长，方法技术也较为 成熟，但缺点是设备笨重，不利于提高 效率。瞬态法则具有轻便、快捷效率高 的特点。所用的采集系统就是地震勘探 数据采集系统。因此很快受到人们的普 遍重视。 一、瞬态瑞雷波勘探原理 瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产 生一个包含所需频率范围的假设离震 源一定距离处有一观测点A，记录到的 瑞雷波是f1(t)，根据傅里叶变换，其 频谱为 在波的前进方向上与A点相距为x 的观测 点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱 是 若波从A点传播到B点，它们之间的变化 完全是频散引起的，则应有下列的关系 式 vR()是圆频率为的瑞雷波的相速度。 上式也可写成 式中是F1()和F2 ()之间的相位差,比 较式 (6.3.3)和 (6.4.4)可知 根据上式，只要知道A、B两点间的距离x和 每一频率的相位差，就可以求出每一频率的 相速度vR () . 为得到勘探点的频散曲线，需要对两观测点 的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相 干函数的目的是对记录信号的各个频率成分 的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信 号的影响程度。 作互功率谱的目的是利用互功率谱的 相位特性求出这两个观察点在各个不 同频率时的相位差，再利用 (6.3.5) 式求出相速度，当我们已知频率为f的 瑞雷波速度vR 后，其相应的波长为R R =vR/f (6.3.6) 瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表 面附近，其深度大体在一个波长深度范围 内，由半波长理论，所测量的瑞雷波的平 均波速vR 可以认为是半波长深度处介质的 平均弹性性质，即勘探深度是 H=R/2=vR/2f (6.3.7) 由(6.3.7)可知，频率越高，波长R越 短，勘探深度越小;反之，频率越低， 波长R越长，勘探深度越大。因此两个 观测点之间的距离也要随着波长的改变 而改变。对于勘探较深的低频而言， x要大，才能测到较为正确的相位。 对于勘探较浅的高频来说，x要小。 根据实际经验，x 取1/3R -2R 间较为合适，即在一个波长内的采 样点数，要小于在间距x 内的采 样点数的三倍，大于在x内的采 样点数的0.5倍。这个滤波准则要 针对不同的仪器分辨率和场地的实 际情况做适当调整 根据以上讨论，同一波长的瑞雷波 传播特征反映了地质体水平方向的 变化情况，不同波长的瑞雷波传播 特性反映了不同深度地质体的变化 情况实际工作中，为了提高效率。 瑞雷波勘探时，在地面上沿波的传 播方向，以一定的道间距x设置 N+l个检波器, 我们就可以检测到Nx长度范围内瑞 雷波的传播特征。 对于频率为fi 的频率分量，进行 互谱分析时，计算相邻检波器记录的 相移i，则相邻道x长度内瑞雷波的 传播速度，在满足空间采样定理的条 件下，测量范围Nx内的 在同一测点对一系列频率fi求取相应 的vRi 值，就可以得到一条vR-f典线 ，即频散曲线。 平均波速为 根据 (6.3.6)式，可将vR-f曲线转换 为vR-R曲线，vR-R曲线反映出该测 点介质深上的变化规律。沿测线不 同点的vR-R曲线则反映了介质沿剖 面方向上的变化特征 瞬态面波法的震源可以采用锤击、落重、爆 炸等方式。激振力较小时脉冲面波的主频率 较高。 检波器安置在地面作为拾取介质振动的 传感器。面波勘探所用检波器频率范围很宽 ，可以从数赫兹到数千赫兹。 目前国内外生产的检波器类型较多， 面波测试时，可从固有频率为4.5、8 、10、15、28等检波器中选择使用， 瞬态面波一般使用固有频率较低的检 波器 检波器接收到的基本是瑞雷波的垂直 分量。瞬态冲击激发的面波可以看作 许多单频谐振的叠加，因而记录到的 波形也是谐波叠加的结果，呈脉冲型 的面波。 为了获得对应于不同深度的波速， 要求震源产生的频率范围要宽， 测试浅层时用小锤或较轻的铁块锤击 地面获得高频信号，并采用小的道间 距接收。测试深度大时则相反。 地震波主频f0与落重法的重块质量M 和重块底面积的半径r0的关系为: 其中为切变模量，为泊松比。 瞬态面波法也可以利用仪器的信 号增强功能，进行垂直叠加，以达到 增强有效信号压制干扰的目的。 瞬态法由于采用一次激发多道接收， 可将不同间距的相速度波长数据组合 ，得到波速与波长关系的瑞雷波频散 曲线。与稳态法相比可大大提高工作 效率。 资料处理工作主要包括:对原始记录 的整理和评价，提高信号质量的处理， 面波速度的计算和结果的输出。 频率滤波是数据处理中最常见的处 理手段，它可以消除各种干扰。 对于浅层勘探，保留高频成分，对于较 深目的层保留低频成分。对于中等深度 勘探，要合理选择通频带，以降低干扰 ，使资料质量得到改善，并最终减小对 频散曲线的影响。 切除处理可以把直达波和折射波等 部分地消除，从而保留下来较纯的面波 ，切除以后可以大大改善频散曲线的计 算结果。 能量衰减也是一种数据处理手段，它 可以对一定时窗内的地震波进行能量 衰减控制。由于地震记录中面波能量 最强，因此增益处理以后，可以使相 对较弱的反射波、直达波等幅值减小 ，使其在计算频散曲线时相关系数变 小，从而达到减少干扰的目的。 一般而言，增益处理后计算的频散 曲线更加平滑，且对深层目标反映 的更清楚，不利之处是这种平滑可 能会便面波勘探的分辨率降低，并 产生低频段的低速假象。 经以上对原始记录的整理和处理后， 需要确定面波速度vR。由式 (6.3.5) ，首先确定两接收点间的相位差.因 此就要对两观测点的记录作互功率谱 的分析。 如果两观测点的时域记录为f1(t)和 f2(t)，其频谱分别为F1()和F2()的 自功率谱可分别表示为： 其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和 F2(f)的复共扼谱。f1(t)和f2(t)的 互功率谱为 可见互功率谱中的相位谱反映了包 含在面波中的相应单频波的相位差 . 在互功率谱函数中，并非对所 有频率成分都有效，衡量某频率成 分是否有效的方法是用相干函数， 即检测面波由测点A向测点B传播时 ，是否有良好的相干性。定义相干 函数 上式中G(f)的模应恒为1，可通过 G(f)的实部进行相干性评价。如果在 传播过程中系统是理想的，则该频段 内 G(f)的实部绝对值应接近1，若由 于干扰和系统的非线性使信号的质量 下降，G(f)实部的绝对值将下降。 一般选择其值大于0.8的频段计 算互功率谱。 求取面波在二接收点间传播的 相位差，并利用公式计算波速。 选择新的频率值并重复上述步骤 计算，得 VR-f或vR-曲线，即频散曲线。图 6.3-1是瑞雷波速度vR-和vR-H分布 曲线。图中 vR曲线是应用半波长转 换法绘出的，即波长为的面波速度 代表半个波长深度以上的介质中的 平均值。 四、瞬态瑞雷波资料的解释与应用 瑞雷波速度资料包含着地下介质 的结构与特性信息，在对岩、土体地 质特性的研究和工程与环境的检测与 监测中得到广泛应用。 频点很密 (频率值的变化步长很小)的速 度曲线，其含义虽然与层速度不同，但比 较各频点速度值的展布规律，可以看到速 度曲线突变处的深度往往对应于介质的界 面深度。理论和实践都表明，曲线上“之“ 字型 (锯齿状)异常反映地下介质的分界 面，如图6.3-1所示。 如果把面波的平均速度曲线转换 成层速度与深度H的关系，解释结果 将更为直观。 如果速度曲线上读取的n-1层面 波平均速度及相应的界面深度分别为 vR ,n-1和Hn-1 , n层的平均速度及相应的界面深度为vR,n 和Hn, 并且平均速度是随深度递增的，则n-1层至n层 之间的面波层速度vRi,n 的计算公式为 如果平均速度随深度增加而降低时 ，则用公式 而横波速度的测定较为复杂，鉴于 面波与横波速度近似相等，因此， 各岩、土层的面波速度换算为横波 速度 ，即可获得地层的各种动力参 数 同理，利用面波与横波速度近似相等 ，还可将面波速度代入(5.2.6)式计算 出地基的固有周期以评价地基的振动 特性。 图6.3-2是在山西安太堡露天煤矿 的开挖平台上， 瞬态面波法取得的工作成果。左图为随 深度变化的面波速度曲线，右图6.3-2为 面波频散曲线与地层对比图。由于界面 两侧介质的速度参数差异较大，与速 度变化曲线的对应情况很好 图6.3-3是用SWS多功能面波仪，采 用落重震源探查露天煤矿开挖平台 地下老窖的工作成果。图中 (a)为测点下平均视速度曲线; (b)为测量排列中第一道检波点与第 二道检波点之间地层的相速度曲线; (c)图为测量排列中第二道检波点 与第三道检波点之间的相速度曲 线; (d)图是测量排列中第三道与第四 道检波点之间的相速度曲线; (e)图为测量排列中第四道与第五 道检波点之间的相速度曲线。 由以上速度曲线特征可以确定， 老窖位于排列中第二道与第三道 检波点之间的下方。矿方据此布 置钻孔验证，在钻孔的 27-29m深 度处探到老窖，与第三条速度曲 线的A点和B点反映的顶底板深度 相近。 (三)在工程、环境检测 与监测中的应用 深圳市中兴花园的场地为山沟填土 整平形成，测试区填埋土深大约15m。 为检测夯实效果，深圳市地质局先后 做了瑞雷波法、钻探标贯试验和33m2 大压板静载试验。 瑞雷波测试采用道间距2m，偏移距4m,32kg 重锤，1.5m高自由下落激发，记录波形经 计算机处理后获得如图 6.3-4所示频散曲 线。 该曲线拐点清晰， 02m深度范围波速为260m/s, 36m波速为220m/s， 69m波速为 220m/s， 916m波速为190205m/s， 解释加固深度9m，影响深度16m。该场地 也进行了钻探标贯试验，013m范围内修 正后的标贯击数为14.826.8m，室内土工 试验压缩模量58MPa，内摩擦角150左右 ，凝聚力36kPa左右。 静载试验按设计承载力1.5倍加荷，实 测承载力fK =250 kPa，变形模量34.02MPa ，换算压缩模量8.5MPa。 三种试验结果对比，发现频散曲线 反映强夯复合地基的加固深度、影 响深度与钻探标贯和静载荷试验结 果一致。统计表明，瑞雷波速与标 贯试验有较好的相关性，图6.3.5是 对86个试件的统计结果，图中N63.5 为标贯击数，该相干曲线的相关系 数为 r=0.9 图6.3-5 N63.5-vr 相关曲线 图6.3-6 fk-vR相关曲线 图6.3-7 E0-vR相关曲线 图6.3-8 软土地基加固的检测 理论和实践都说明，地基土密实较硬时， 标贯击数N值较高，波速也较高;反之N值 较低，vR 也较低。当地基土含一定量的 填石时，N值离散性较大，vR代表一种整 体平均效应。， 显然当填石太多时，面波法比标贯试 验有更大的优越性。由场地瑞雷波速 与地基承载力的相关统计，发现瑞雷 波速与地基承载力也有较好的相关性 。波速的高低反映了介质的固结致密 程度 图6.3-6是fK,- vR相关曲线，统计 件数94件，相关系数r=0.85。对 该曲线用经验公式可表示为 fK=2.777vR0.796 相对压板试验来说，面波法表示 地基承力更具快速、廉价、范围 广和代表性强的特点。 对该场地的变形模量E0与vR也作 了相关统计，得到如图6.3-7所 示的相关曲线。图中 E0的单位为MPa，对该曲线用经 验公式 E0 =9.4310-5vR2.284 表示。E0 随vR 的变化比fK更灵敏， 原因是强夯复合地基一般在地表形 成一层硬壳，压板结果仅与浅部1.5 -2倍压板直径范围有关