（地质工程专业论文）瑞雷波与微波技术在冲程土勘探中的应用.pdf

本人卢明所呈交 研究工作及取得的研 地方外，论文中不包 获得西南科技大学或 同j i ：作的同志对本研 示了谢意。 签名：兰；徇 关 本人完全了解西 校有权保留学位论文 该论文的全部或部分 签名：墨；殇 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i l 页 摘要 瑞利波勘探方法是一种新兴的地球物理浅层勘探方法。同传统的勘探方 法十日比，它具备尤需钻孔、快捷、效率高、成奉低等优点，因此在实际工程 中的j 遵用越来越多。日自仃瑞利波勘探要用于地基f j - ：的定性评价，还彳i 能定 量地给出如含水率、先期吲结妪力和地肇承载力地基十物理力学强度指标。 地质雷达是基于地下介质电信差异，并利用高频电磁脉冲波反射规律来探测目 标体和地质界面等地表介质的一种微波物探技术。斟其抗十扰能力强、测量结果 直观准确高效等优点，近几年来广泛应用j ：地f 埋藏物、含水层厚度勘测和地下 大体积日标体的定位等力向。 结合瑞利波法的勘探特性并利用地质雷达技术对含水界面、土体层位的精 确定位，通过研究冲积层卵钉_ i ：地基剪切波速与承载力的关系对瑞利波法勘 探原理和动力触探试验方法及上物理力学实验进行对比研究，利用统计学的 原理，借助b p 神经网络法和功能强人的m a t h l a b 7 0 数学处理软件对数据进 行处理和分析，建盘了冲秋一 ：剪切波速与 i 要_ 十：物理力学参数之间的关系以 扶得- 二者l h j 的权值矩阵和偏值9 违i 阵，通过敏感性分析得出土物理力学参数中 对剪切波速敏感参数，评价其对瑞利波波速的影响性。 - 1 ：程实践表明，两者之间通过统计学原理和b p 神经网络建立起来的关系 具有一定的实用性，町以部分代替传统的勘探方法，进一步扩展了瑞利波勘 探和微波技术征岩上工程勘探中的j 电用。 关键澜：瑞利波法微波技术b p 神经网络法动力触探试验 土物理力学参数 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 a b s t r a c t r a y l e i g hw a v em e t h o d i san e wk i n do fs h a l l o wg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，i t sn on e e do fd r i l l i n ga sw e l la sc o n v e n i e n t q u i c k ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s t ，w h i c hh a v em a d ei tw i d e l ya p p l i e d i ti sm a i n l y u s e df o rt h eq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o no ft h ef o u n d a t i o ns o i la tp r e s e n ta n da l s oc a n t q u a n t i t a t i v e l yg i v es u c ha sm o i s t u r ec o n t e n t ，r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e ，t h eb e a r i n g c a p a c i t yo ff o u n d a t i o ns o i lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a ls t r e n g t he t c b a s e do nt h ed i f f e r e n c eo ft e l e c o mf o ru n d e r g r o u n dm e d i u m g e o l o g i c a lr a d a r , a sak i n do fm i c r o w a v eg e o p h y s i c a lt e c h n i q u e s ，t a k e sa d v a n t a g eo fh i g h f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i c p u l s ew a v er e f l e c t i o nt od e t e c tt a r g e ta n du n d e r g r o u n dm e d i u m g e o l o g i c a li n t e r f a c e i ti sw i d e l yu s e di nd e t e c t i n gb u r i e du n d e r g r o u n d ，s u r v e y i n g t h i c k n e s su n d e r g r o u n d a n dt h eb u l ko ft a r g e ti nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t ss t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n di n t u i t i v ea c c u r a t ee 衔c i e n tm e a s u r e m e n t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l l u v i u mp e b b l es o i ls h e a rw a v ev e l o c i t ya n dt h e b e a r i n gc a p a c i t yh a sb e e ns t u d i e di nt h et e x t c o m p a r i s o nr e s e a r c ho ft h er a y l e i g h w a v ee x p l o r a t i o np r i n c i p l ea n dm e t h o do fd y n a m i ct e s tm e t h o d sa n ds o i lp h y s i c a l m e c h a n i c se x p e r i m e n t a lh a sb e e nd o n e e s t a b l i s h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l l u v i a l s o i ls h e a rw a v ev e l o c i t ya n ds o i lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa st og e tt h e w e i g h tm a t r i xa n dp a r t i a lm a t r i xw i t hb pn e u r a ln e t w o r ka n dp o w e r f u lm a t h l a b 7 0 m a t h e m a t i c a lp r o c e s s i n gs o f t w a r e s e n s i t i v i t yb e t w e e np h y s i c a lp a r a m e t e r sa n ds h e a r w a v ev e l o c i t yh a sb e e no b t a i n e d 。e v a l u a t i n go ft h ee 疏c t st o r a y l e i g hw a v e a c c o r d i n gt or a y l e i g hw a v ee x p l o r a t i o nm e t h o d a n da c c u r a t e p o s i t i o n i n g f o r g e o l o g i c a lr a d a rt oa q u e o u ss o i l l a y e ra sw e l la st h ei n t e r f a c e e n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o w st h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e me s t a b l i s h e d t h r o u g hs t a t i s t i c a lp r i n c i p l e sa n dt h eb pn e u r a ln e t w o r kh a v ec e r t a i np r a c t i c a b i l i t ys o t h a ti tc a np a r t l yr e p l a c et r a d i t i o n a le x p l o r a t i o nm e t h o d s w h i c hw i l lf u r t h e re x p a n d t h er a y l e i g hw a v ee x p l o r a t i o na n dm i c r o w a v et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ge x p l o r a t i o n k e y w o r d s ：r a y l e i g hw a v em e t h o d ；m i c r o w a v et e c h n o l o g y ；b pn e u r a ln e t w o r k ； d y n a m i ct e s t ； s o i lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 目录 l 绪 仑1 1 1物探勘察与常规勘探相关性的研究意义1 1 2 研究现状1 1 2 1 地质雷达现状2 1 2 2 瑞利波法现状7 1 3 研究主要内容及研究思路11 2 动力触探与瑞利波数据的获取1 2 2 1 圆锥动力触探实验1 2 2 2 瑞利波波速数据采集1 2 3 土工实验数据的获取18 3 1十工实验目的和意义1 8 3 1 1土的分类和命名1 8 3 1 2 十的特性指标1 9 3 1 3土力学实验( 固结和直剪) 的意义2 1 3 2 实验室仪器及设备2 2 3 3 实验方法和注意事项2 2 3 4 数据整理2 9 4 反向传播神经网络3 6 4 1神经网络法简述3 6 4 1 1神绛网络法概念3 6 4 1 2 神经网络法研究背景3 6 4 2 反向传播网络模型( b p 模型) 的学习规则3 7 4 2 1b p 网络模型概述3 7 4 2 2b p 网络模型学习规则3 8 4 2 3面向m a t h l a b 。1 ：具箱的b p 网络模型函数3 9 4 3 研究的h 标与存在的问题及解决途经4 0 4 3 1研究的h 标4 0 4 3 2 存在的问题和解决途绛4 0 5 瑞利波波速与地基土常规测试参数的关系模型4 2 5 1 瑞利波法勘探原理4 2 5 2 地基上常规测试参数与瑞利波波速的天系模型5 5 5 2 1动探击数与瑞利波波速的模型建芷5 5 5 2 2t ：物理力学参数与瑞利波波速的模型建立5 9 5 3 问题的讨论6 3 结 论6 5 致谢6 7 参考文献6 8 攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果7 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 目前工程勘察中，传统的勘探方法用的较多，如钻探、静探、动探及 坑探等，用这些术作为评价地基条件的依据。虽然这砦方法简单直观，但 是效率低、仪器笨重而且不能全面反应地质信息。物探技术自2 0 世纪中叶 发展至今，理论已逐渐趋f 完善，各学者都在尝试挖掘物探波谱图中蕴含 的丰富信息，以求用一种全新的物探方法水进行地质勘探，达到信息全面 性、准确性的目的。 1 1物探勘察与常规勘探相关性的研究意义 建筑物上部结构传米的倚载，最终都要由地基土来承担。因此，研究 场地地基土的特性对建筑物持力层的选择、地基土承载力的确定、建筑物 沉降和变形的计算等都具有十分重要的意义。 地基上特性的测试方法很多，最常用也是最主要的是原位测试技术， 如半板荷载试验、十字板剪切和旁压仪试验、标贯试验、静力触探试验、 动力触探试验等，这些传统的原位测试技术均存在周期长、效率低、并且 在检测过程中易对土壤产生扰动性，一定程度影响了现代岩土工程勘察设 计的发展。 随着设备和计算技术的1 5 l 速发展，各种尢损检测方法也门渐成熟，其 中尤以瑞利波和地质雷达这两种无损检测方法，近几年更足得到了广泛的 应用。 。 瑞利波勘探是近些年来发展起来的一种新兴岩土工程勘探方法与常 规的检测方法相比较，瑞利波勘探具有分辨率高、受场地影响小、应用范 围广、检测速度快、检测设备简单等优点，因此广泛应用于岩土工程。 地质雷达的特点是具有高分辨率和高j f 作效率，成为地球物理勘探的 重要e 具。随着信号处理和电了技术的发展及实践经验的不断丰富，地质 雷达技术也不断发展，应片j 范围也不断扩大，因此在工程地质勘察、地下 工程施：【等：j 二程领域得到了越来越广泛的应用并发挥其独特的作用。 1 2研究现状 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r , 又简写“g p r ”) 办称地质雷达，是 基于地下介质的电信差异，并利用高频的电磁脉冲波的反射来对目标体和 地质界面等地卜电介质进行勘探的一种物探技术；瑞利波方法是一种新兴 的勘探和测试方法，随着计算机数值计算能力的提高和计算方法的不断改 进，其勘探精度也得到很大的提高。与常规的勘探方法相比显示出明显的 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 优势，因其分辨率高、应用范围广、设备轻便、受场地限制小，检测速度 快，目i j f 已被广泛应用于工程勘察的各个方面。 工程实践中，经常采用传统的原位测试方法和室内土工实验手段来查 明待建项目场地的工程地质条件。这些方法工作周期长、所需设备复杂、 效率低、成本高，而且只能以点代面。对于大面积高密度的勘探往往因经 济技术等原因而无法进行。另外在地基加固效果的检测和地下异常地质体 的勘察等方面都迫切需要寻求一种新的勘探方法，在不破坏原结构的同时 以提高效率和精度。 1 2 1 地质雷达现状 1 地质雷达勘探原理 地质雷达利用的高频电磁波的t 频般在l0 6 1 0 9 h z 内波动，它以宽 频带短脉冲( 脉冲宽度为数n s 甚至比这更小) 形式，经地面通过天线t 送 入地下介质，经地下或目的体反射后回到地面，为另一大线r 所接受。如 图1 1 所刀【7 一1 ，根掘接收到的横波束判断反射界面的位置。 电磁波在地下传播速度公式为： 一三 1 ，= c ( 掣) 2 ( 1 - 1 ) 式中： c 是电磁波在大气中的传播速度( 约为3 o x l 0 8m s ) ；是地下电介质 的相对介电常数；p 为电介质的相对磁导率( 扯的一般取值为1 ) ；因实际工 程的差异，不能保证的值为定值，但足町以利用地质雷达的反射波波幅来 求得各结构层介电常数。 脉冲波旅行时求墩如下式： 图1 - 1地质雷达探测原理 p ri n o i p i e so fg e e i o g i c a ir a d a rd e t e c t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 t ：丝：垡( 1 2 )= ( 1 2j ， 根据式( 1 1 ) 可以求得地下介质的波速v ( m n s ) ，波速v 已求得 后、可以根据精确测定的旅行时t ( n s ，l n s = 1 0 9 s ) ，由式1 2 反求出反射界 面的入土深度z ( m ) 。由于地下4 ii 一电介质的电信参数差别很人和反射 系数很大，因此山反射系数决定的高频电磁脉冲反射信号强度、反射波 的能量就很大。接受信号的功率由f 式( 1 3 ) 表示t 只= 帮舭。4 础 3 ， 式巾t p t 、p r 分别为发射功率与接收功率；g 为天线增益；r 、s 、h 为地下 电介质的反射率、散射血截断和深度；q 是土壤衰减率【坦】；l 是电磁波自发 射到接受过程中的散射损耗：九足介质中电磁波波长。 地质雷达也是一种时1 1 j j 域脉冲式雷达。它向地质电介质发射宽带宽的 脉冲，作用类似于船用超声探测器的测深装置。作为一种反射技术，其利 用末被电离的微波和无线电波以较低的功率便町以透视固体物质内部。此 外，探地雷达传感器通过整个探测的工作过程像发射器和接收器。在大 部分测量中天线与地面接触，机载雷达能在地面上窄脱测。探地雷达发射 器每秒能发射约5 万个电脉冲，其发射器随之转换为接收器，当下一个脉 冲发射之前，接收器所监听的时l 、日j 约为2 0 微秒。 这些电磁波以业光速沿着地面传播的，在发射下一个脉冲之f i i 已发射 的脉冲能有足够的时问反射网来并获得处理。发射脉冲从空气进入另一个 介质后，其速度依赖介质的介电常数变慢的同时波长也随之变短。通常探 地质雷达能识别量级约为半个波长的目标体，这一点与瑞利波物探技术是 相同的。当遇到地下介电常数较高的物质时，波长随之缩短，因此可以发 现较小的目标体。当电脉冲连续通过电导性能不同、介质常数各异的物质 后，反射m 传感器的电波被送入强度调节截面记录器内并用数字记录信号， 便于以后进行处理。 探地雷达具有高分辨率和较强穿透能力两个特性，在地球物理勘探中 显示出优势。如前节所述，探地雷达能够谚 别约半个波长的一标，特别是 当遇到电介常数较高的物质时随着波长的缩短，而可识别出小得多的目标 体。尤其在电性差别显著的情况下，分辨度更高。地质雷达在识别靠近地 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 表特征方面具备较高的分辨能力，这大大弥补了地震反射法在地壳浅层勘 探方面的不足。与此同时，探地雷达办足种反射技术，为地震勘测开发 的许多应用软件和各种处理技术如偏移、叠加等同样也| 口j 以用于地质雷达 的数据处理中。国外很多经验表明，偏移之后的波谱进行希尔伯特变换对 莺建地下管状目标体的反射数掘图像是一种很有效的处理方法。地质电介 层产生出来的反射波处理过程要比地震勘探中处理地震信号简单。因在地 震波法勘探中总会发 波形变换现象，比如脏缩波变换为剪切波等现象。 探地雷达发射脉冲的振幅和柏化能根据需要严格控制，以便能获得探测目 标产生的反射波。探地雷达能以很高的频率重复地发射脉冲。脉冲重复发 射标准频率约为5 万脉冲每秒。地质雷达波形噪占恒为高斯形，所以较高 增益的信噪比可通过波形迭加得以实现，虽然在大多数测量过程中地质雷 达天线与地面接触，f h 也呵以安置于地面以上甚至安置在飞行器上也可以 i f 常工作，另外其地形适应能力特别强。 天线的尺寸在探地雷达发射和接受过程中起着关键作用。地探地雷达 系统经天线发射电磁波。电磁波在电介质传播过程中，电磁场强度和路径 与波所通过介质的电介性质以及几何形态而改变。反射回来的电磁波经天 线接收并通过单元记录按特定数据格式储存。经过后面的处理软件将电磁 波的变化处理成相应的雷达图像来反映出被探测介质体的赋存形态、尺寸 大小及各介质体i h j 的界面等。 发射天线向被测电介质发射的高频脉冲电磁波，根据电磁波在有耗的 电介质中的传播特性，当遇到非均匀体时会反射回一部分电磁波，它的反射 系数取决于被测电介质的电介常数，并通过对此部分的反射波进行适时接 收和处理以达到探测识别目标物体的目的。 r k x 、走线扫 甄嚣覆 数据采集 双曲线 图1 2雷达天线工作原理图 f i g u r e 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ew o r ko ft h er a d a ra n t e n n a 一般电磁波在特定的均匀电介质中传播速度是定值，因此通过地质雷 达记录的电磁波传播时间a t ，由下式算出异常电介质的埋藏深度h ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 h = ：a t v 2h 式中，v 是电磁波在电介质中的传播速度，大小由f 式表示： v = c 2 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中，c 是电磁波在大气( 真空中) 的传播速率( 约为1 3 0 1 0 8 m s ) ； 是相对介电常数，不同的介质它的介电常数各异。 地质雷达波反射信号的反射系数与振幅成i e 比( 3 1 ，反射系数可由下式表 示： ，：惦一厄) 慵+ 厄) ( 1 - 6 ) 其反射信号的强度主要取决于上、下相邻两层介质的电性差异。电性 差越明显，反射信号越强。 2 地质雷历史发展背景 国内外于2 0 世纪7 0 年代出现了形式多样化的试探性探地雷达，并展 开了许多的应用研究。通过对各种探地雷达在性能上的差异进行对比，人 们逐渐认识到地质雷达能在j l ：程领域诸多方面发挥有效的作用并获得很好 的研究和发展。探地雷达作为以中幽新兴的地质工程尤损检测技术，1 9 8 5 年，美国率先采用线性调频脉冲雷达技术对具有近8 0 年历史的纽约地铁通 道结构完整性进行检测，结果发现雷达町穿透6 8 层、厚度约为2 8 , - - - , 3 l c m 的水浸饱和砖层，并可以探出原隧道的钢铁护套和发现混凝七地板下的空 洞。1 9 9 4 年，美国的地球物理公司研发出了s i r 地质雷达仪，这个仪器 同时也适用于公路路面检测。2 0 世纪9 0 年代，h 本地质雷达仪器公司( j r c ) 研发并推j “了一系列混凝t 内部雷达探测仪。 中崮对地质雷达的研究和应用相对国际比较晚，2 0 世纪9 0 年代我国彳 丌始了地质雷达的应用研究。比如，上海同济人学采用地质雷达探测旧建 筑混凝土桩、地f 管线、暗河、古河道等并取得良好效果；交通部门也引 进了多台s i r 1o h 地质雷达仪来用于公路路面检测。9 0 年代初期，国内多 家单位从同本j r c 公司引进了j e j 6 0 b f 雷达仪来用于检测钢筋混凝士结 构内部钢筋、缺陷的分布。2 0 0 2 年3 月至1 2 月，铁道第四勘察设计院采用 了地质雷达探测技术对广梅、京九汕铁路的4 0 5 处的既有挡墙进行无损检 测，能准确查明墙体的儿何尺寸、缺损和隐患等情况，并对挡墙的质量加 以综合分析和评估，为合理界定挡墙的安全度和工程整治提供科学依据。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 3 地质雷达在 i 程领域的应用 尽管地质雷达这一新的地球物理探测方法引起人们的重视不过才十多 年时间，但已表现出了巨大的生命力。hf j 已被广泛应用于地质、土工、 农业、环境、考古等多方面。 在地勘方面，由于g p r 的性能与介质的电导率和介电常数的关系极为 密切，雷达对电导率变化和地f 水的存在非常敏感，也就成为了解地下基 岩等持力层的位置，勘察地层分类，以及在基岩面起伏剧烈、破碎带相对 发育的地区，仅仅依靠工程钻探是不能满足工程设计的要求。结合探地雷 达和钻探能给出整个地层的剖面图，清晰奄找出基岩破碎带。在士力工程 学方面，探地雷达的应用具有明显的潜在能力，能用于探测士坝中的裂缝、 混凝士结构、高速公路路基下的塌陷和窄穴及确定工程建筑卜面基岩的厚 度；在软基工程勘察中，探地雷达能用来确定地层中占河道、暗河特殊地 质现象。勘探地下潜水面深度，探测基岩石中节理，寻找地f 水源，矿藏 及破裂地质的有力方法；在生命线l ：程方面，其特别适用于确定地下排水 管道、供水、通信电缆、煤气管道等地下埋葬物的位置。由于探地雷达是 一种反射技术，对检测的对象的无任何结构性损害，凶此可以说地质雷达 的发明使工程学研究产生了一次巨大的变革。探地雷达能提供与地震技术 一样的连续测量剖面图，能够人幅度减少工程勘探中所必需的试验钻孔， 用较小的，i ：支获得完善的信息量，从而大大提高经济效益；地质雷达技术 对于勘测有毒物质对地下水污染情况也特别有效。在国外，特别是北美、 瑞典成功地将地质雷达用术绘制准备作为核废料仓库的花岗岩地区的破裂 带分布和破裂之i 日j 水力联系图。凶其可区分不同的电性地层差异，对电性 层町追踪很长的距离，美国把它有效地应用于图+ t 规划测量来大大缩短了 工作过程。 桥梁施工方面，因桥墩均使用桩基础，其大口径钻孔灌注桩作为高层 建筑基础、桥墩基础越来越引起工程的重视【7 】。钻孔灌注桩承受倚载大，截 面积大，而且多为。一柱一桩，这直接影响其上部结构，故应对其质量要求 严格。在桥梁建设中，桩基础的质量问题经常造成桥梁隐患。 防治地质灾害方面，常常遇到各种不同类型的地质灾害现象。一方面 这是由于人们对当地地质情况不了解或者不完全了解所，另一方面也是由 于对地质l 、u j 题处理小当而造成严重后果。地质灾害所引起的后果将会对社 会的经济产生严重的影响，所以必须埘施j 【过程中地质灾害的防治引起足 够多的重视。常见的地质灾害主要有：泥石流、地面沉陷、滑坡、崩塌、 特殊十灾害和水t 流失等。试图利用地质雷达来预报和防治这些地质灾害 一直以来是相关领域的研究人员密切关注的问题之一。 洞研地表水资源方面，用探地雷达调查水的流速、深度等，其评估水 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 资源是目前西方使用较多的一种水资源调研方法。此探测方法不使用船， 而是将地质雷达用钢索吊于河面，横跨于河流断面移动，确定河流断面水 深度分布，测量河床界面反射，也叮以利用1 0 g h z 频率的天线测量河面水 流速度进而算水流量，实践表明，现场检验效果相当不错。目f j ，探地雷 达方法已经在此领域内取得了一定的进展，相信随着勘测的逐步丌展和研 究的进一步深入完善，探地雷达方法必将在此领域内发挥越来越重要的主 导作用。 4 地质雷达存在的i u j 题与不足 地质雷达电磁波在地质电介质中的特性( 如穿透性、速度等) 与电介 质的电介常数、电导率密切相关。而且鉴于测量场地| 日j 地下物质的电性会 筹异很大，从理论上讲各处所需的雷达天线规格也因地而异，所以采用传 统的天线地质雷达的成功与否直接与地球岩性有密切关系。地质雷达虽然 具有很强的穿透能力，但穿透深度与发射波长成正比例关系，发射波长的 长短义足天线尺寸的函数。因此要想获得较理想的穿透深度，就必须具备 能产生规格波长的人规格天线系统，这项要求在地面4 i 规则地区和森林地 区使用起来很不便。选择天线规格需要进行综合的考虑，因为提供长波长 的天线能获得较大的穿透深度，也可能缺乏解决问题需要的分辨精度。短 波长天线虽然具有较高分辨地下目标的能力，但也缺乏必需的穿透深度。 凼此天线的选择小仅需要考虑必需的穿透深度，而且也要兼顾到一定的分 辨度。这是很不容易掌握的，必须根据实际情况而定。 由于探地雷达脉冲连续电导性，在电介常数不同的介质中传播时会发 乍衰减现象、衍射、折射、散、散射、弥反射或者被吸收等现象，凶此增 加了对记录解释的困难。就日f j 设备而论，探地雷达的穿透性在高频到超 高频带的范l 书j 内受到的限制还很大。 1 2 2 瑞利波法现状 1 瑞利波法简介 瑞利波法，另称为面波勘探方法或者弹性波频率测探方法，是利用面 波的弥散特性和传播波速，经现场分析现测试结果束对地层结构及土层参 数进行反演的一种方法。按照震源产生方式的不同，分别分为稳态法和瞬 态法【1 4 】，此两种方法的勘测原理都是根据瑞利波在地层中传播的原理和它 的吲有特性，只足产生面波的震源f i i j 而已【l5 1 。面波法勘探有稳念两道面 波法、s a s w 法( 又名s p e c t r a la n a l y s i so f s u r f a c ew a v e sm e t h o d ，即表面波 频谱分析法) 和瞬态激震的m a s w 法( m u l t i c h a n n e la n a l y s i so fs u r f a c e w a v e sm e t h o d ，多道表【l i i 波分析法) 两种【i6 1 。目日i 较常用的较先进的瑞利波 法，是基r1 2 道( 2 4 道) 接收的瞬态多道表面波分析法，也就是所 兑的 m a s w 法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 瑞利波法的1 ：程应用 瑞利波法既是一一种勘探手段又是一种测试方法【1 7 】。其工程应用范围很 广泛，现今主要用于下述浅层j 程地质儿方面： ( 1 )工程地质勘察。利用实测的瑞雷面波频散曲线，经过定量解释能 得剑地下各层的厚度及剪切波速，其波速的大小直接反映了地层的软硬程 度。由此可以利用它来含明：l ：程区地下介质结构【1 8 , 1 9 j ，并进行第四纪地层 的划分，勘察地f 软弱央层。 ( 2 ) 检测地基土的物理力学参数。瑞利波在地f 介质中传播时，其速 度与它穿过的介质物理力学特性有密切关系，通过它可测试位地基土原的 物理力学参数等指标。 ( 3 )地基加固效果评价和道路质量无损检测。通过比较地基加固前、 后面波频散曲线( 波速) 的改变，能直观地得到地基加固的影响范围、深度以 及加同后水平方向的均匀性【20 1 ，从而对加固效果进行综合评价【2 i , 2 2 】。它作 为一种无损检测方法，它能有效地进行全方位测试，也可用于用十公路、 机场跑道等方面的质量检测【2 3 彩】。 ( 4 ) 地f 异常地质体的检测。利用实测瑞利波频散曲线的异常跳跃波 谱，能很容易地确定地下异常地质体的具体位置，如地下溶洞、空洞、土 衙司等。 ( 5 )其它方面，例如饱和砂十层的液化判别、地卜管道和埋藏物的探 测、江河水库坝堤中软弱火层的探测及加固效果评价、正断层及其它构造带 的测定与追踪、滑坡调查等等。 3 瑞利波法的研究历史及现状 1 8 8 5 年，英国科学家r a y l e i g hf i - 次理沦上证明了瑞利波的存在，他预 言其在地震能量传播中的重要地位 2 6 - 2 8 。如他所预言，人们在地震中确实 发现了通过i 一一介质时比体波衰减慢得多又无法用体波来解释的这种波， 由于它只局限于表层传播【2 引，人们常称它为表面波或面波，办称瑞利波和 瑞利面波。2 0 世纪5 0 年代初，h a s k e l l ( 1 9 5 3 ) 、t h o m s o n ( 1 9 5 0 ) 等人又发 现瑞利波的频散特性，丌始利用天然地震记录中的瑞利波频散特性来探测 地球内部结构【3 u 3 。 自从人们发现了成层介质中瑞利波的频散特性，开始了对其特征方程 的建立及求解、频散曲线的反演和求取等方面进行不断地研究【3 2 】。层状半 空i h j 瑞利波特征方程于2 0 世纪6 0 年代木期基本建立，之后的研究主要针对 于特征方程求解方法的f i 断改进。2 0 世纪5 0 年代，b i o t 丌始研究饱和土中 波的传播特性并建立了流体饱和多孔介质中瑞利波的传播理论，这成为了 随后进行有关饱和多孔介质波动理论的各项研究基础【3 3 , 3 4 】。c h i a n gc m 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 19 81 ) 、j o h n p j o n e s ( 19 6 1 ) 等人基于b i o t 的理沦研究饱和土中的瑞利波， 并建立了其特征力程。凶他们只考虑了一种j & 缩波，结果导致特征方程有 误。我国的吴世明、夏唐代、陈龙珠等人+ 7 - 2 0 世纪9 0 年代对饱和上中瑞利 波的频散特性进行人量研究，并取得了一系研究成果 3 5 1 。 片j 特征方程来求解频散曲线是一大技术难题。用f 求解频散曲线的方 法主要有以下两种：是传统的解析法和是数值方法。随着计算机技术的飞 速发展和数值计算的能力大大提高，用来求解频散曲线的数值计算方法也 得到空前发展。各国的学者对频散曲线的理论汁算都在进行大量研究，提 出诸如s c h w a b k n o p o f f 法、t h o m s o n h a s k e l l 法、a b o z e n a 法、6 矩阵法、 r t 矩阵法等1 3 6 | 。我国学者凡友华( 2 0 0 1 ) 就以上方法中存在的共同缺陷一即 传递矩阵各元素量纲4 i 统一的问题提出了在柱坐标系下，传递矩阵各元素 均为无量纲值的传递矩阵方法，之后又提 h 了一种稳定快速的标量传递算 法【3 。另外，他还对丰t 坐标系f 对称柱面瑞利波频散特性进行了一系列研 究1 38 j 。欧阳联华等人对a b o z e n a 的算法进行了改进，他提出高频时稳定 的改进a b o z e n a 方法【4 0 , 4 1 】，其中只涉及完伞弹性介质，对粘弹性介质还有 待进。步的研究。肖柏勋、宋先海等人针对t p 变换常出现假频和端点效应 的| u j 题进行了改进【4 引，并克服了以上缺陷，达剑失真小、可靠性高的效果。 瑞利波频散曲线的求取过程分两种：瞬态法采用冲击荷载激振震源， 一次激振能产生较宽频带的瑞利波。瞬念瑞利波法求取相速度传统的方法 有窄带通滤波互相关函数法或互相关分析法等等。肖柏勋、宋先海等人相 继提出s v d 算法和t d w l s a 反演算法。尤其是前者，是一种计算上比较 接近现实的较新瑞利波频散曲线反演方法，它4 i 但具有精度高、稳定性好、 强分辨能力的特点，而且还能反演地层参数和进行自动分层。 将瑞利波的频散特性真i f 用米解决工程问题足始于2 0 世纪7 0 年代初， 最初是美国人f k c h a n g ，他成功地利h j 瞬念激振产牛的瑞利波来对浅部 地质问题进行研究，并在l9 7 3 年的国际地球物理勘探年会上发表题为 “r a y l e i g hw a v ed i s p e r s i o nt e c h n i q u ef o rr a p i ds u b s u r f a c ee x p l o r a t i o n ”文章， 文章中报道了相关研究成果，此举引起了地球物理学者们的注意，各国学 者丌始了对瑞利波勘探理论及方法的较深入研究。2 0 世纪8 0 年代初，瑞利 波法在工程勘探方面取得了突破性的进展。r 9 8 2 年，同本的v i c 株式会社 丌发出了利用稳念激振法产生面波震源的g r 8 l0 型佐滕式全自动地f 勘查 机，把两道检波器接收到的瑞利波信号用末进行十甘速度的分析，并应用于 工程地质勘察的诸多领域。1 9 8 3 年，n a z a r i a n 和s t o k o ei i 等人使用重锤作 为震源产生瑞利波，并利片j 现场获得得的瑞利波信号，借助数字分析处理 技术经频谱分析束测定土层波速并获得成功【43 1 。与此同时，他们还提出了 面波频谱分析力法，即s a s w 法，并对此丌展了一系列研究和实践工作。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l o 页 随后的s a s w 法1 i 断改进，并应用于许多工程领域，但是用它测试的前提 必须足：假设接收到的波的能量主要是由瑞利波所引起，因此在高噪音的 地方( 如人口交通密集区) 显然不能获得可靠的结果并产生较大的误差。 19 9 9 年，夏江海( x i a ，j ) 和m i l l e r 博士等人就提出了多道面波分析法 ( m a s w 法) ，它是在接收多道的基础上( 通常为l2 道或者2 4 道) ，并通过 快速富立叶变换来反演地层结构和剪切波速等，这克服了s a s w 法技术上 的诸多缺点，很容易把基阶面波同： f 基阶面波、体表波及其它噪音区分丌 来，这还避免了基于s a s w 技术的窄问假频现象，从而大大提高了面波勘 探的效率和精度。m a s w 方法之所以能区分基阶面波实际上是利用尽可能 长的检波器接收阵列进 r 接收。此方法的地质模型中假设地层是恒水平的， 对十水平方向变化较人的地区，较长的接收阵列必会影响反演的结果【3 9 】， 假设使用较短的接收阵列，又会以牺牲勘探深度和相速度精度为代价。2 0 0 3 年，k o i c h ih a y a s h i 等n 奉学者提出了c m p c c 分析技术( 全名为c o m m o n m i d p o i n tc r o s s - c o r r e l a t i o na n a l y s i so fm u l t i c h a n n e ls u r f a c e w a v ed a t a ) ，该项 技术可以成功地解决上述技术的缺陷，从而人大提高了m a s w 法的分辨率 和精确度。 幽内瑞利波法的工程勘探研究始于2 0 世纪8 0 年代。l9 8 7 年，中国铁 路系统首次引进| 1 本的g r 一8 l0 型佐藤全自动地下勘查机用十解决铁路和 公路路基的勘探问题；1 9 8 8 年，吴世明等我幽学者在国内首次采片j 瞬念瑞 利波法测试土的层波速，之后又在道路检测、地基处理等方面展丌了一系列 试验性研究工作。1 9 8 9 年，杨成林等人着手对瑞利波法在第p q 纪地层划分 和地基处理效果评价等方面的研究，于1 9 9 3 年i i j 版了瑞利波勘探，书 中对瑞利波勘探方面的一些方法、技术以及存在问题等进行了较为深入的讨 论，也是hf j 国内少有的瑞利波勘探方面的专著书籍【4 4 】；同年，刘云帧等 人利用自制的多道地震采集数据处理系统将瞬念面波的勘探深度大大提高 了：由原来的十几米提高到了几十米，条件好的情况下甚至口j 能达到1o o 米 以上，基本上满足了岩土工程勘察的需要。 目i j ，几乎所有的面波勘探法全是利用了瑞利面波的基阶部分特性。 事实上，高阶面波相速度的反演结果不仅可以提供更多的深部信息，而且 对，j ：倒转速度地层也相当有效，能大大提高勘探的精度。因高阶部分对于 速度倒转地层勘探意义及其重大，对于提高整个勘探精度都有裨益，而且 软弱央层等低速层正是岩土工程勘察中的重点对象之一。所以，基阶面波 和高阶面波的反演都很重要，技术关键足如何从实测的数据中反演出所有 模式的频散曲线。 山1 2 节可知，瑞利波法勘探可以解决许多的j i ：程地质问题，在这些应 用当中，除用于波速测试外，大部分的用途都只限于定性的分析，如地质 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 分层、地基处理效果的定性评价、异常地质体的判断以及道路质量检测的 定性评价等等，对r 地基处理效果的定量研究以及瑞利波速与地基十物理 力学参数的定量关系研究则很少。2 0 0 2 年，张献民等人在用瞬念面波预测 桩基承载力方面进行了尝试，并初步建立了波速与桩侧摩阻力、桩端阻力 模型，其研究结果表明具有较好相关性。 4 存在的问题 虽然瑞利波法在工程勘探中的应用领域逐渐扩大，其理论和实践中的技 术性| u j 题也很突出： ( 1 ) 目前勘探模型许多都是基于水平地层假设，此假设在很多情况下与 实际，产不符。如何建立符合实际的模型将会在很大程度上决定面波勘探 的精度和其进步推广度。 ( 2 ) 高阶面波的应片j 研究还需进一步加强，在含有高波速覆盖层( 如构 筑物结构) 或低速软弱夹层的勘探中，高阶面波的精确j 衄用会人人改善目 自i 的勘探效果。 ( 3 ) 在现有的理沦技术自订提下，瑞利波波速与岩土体物理力学性质( 如 抗剪强度等) 之i 日j 定量关系的研究还少有报导。这种定量关系研究将进一 步推动瑞利波法在岩土 ：程勘探领域中的应用，改善其作为辅助地位的勘 察手段，甚全可以部分墩代常规的勘探方法，成为主要勘探手段。 1 3研究主要内容及研究思路 通过对无损检测方法特别是瑞利波法和动力触探试验方法进行对比研 究，并利用数理统计方法，经过人量统计分析欲找到原始动力触探击数和 波速问的相关关系，建立了者问的回1 方程。确定出尤损检测与动探指 标之间的定量关系，以便将无损检测技术逐步应用于绵阳市地基基础工程 中来，部分代替常规的原位测试技术，可以进行大面积快速检测，从而大 大提高检测效率，