（地球探测与信息技术专业论文）黄土深路堑边坡施工振动多分量动力响应的现场试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来我国加快了铁路客运专线的建设，这样在铁路客运专线修建的过 程中就会出现深挖路堑边坡以满足客运专线高标准的要求。郑西客运专线主 要通过黄土地区，在施工过程中通常采用挤密桩、强夯等地基加固手段来消 除黄土的湿陷性。但是施工过程中产生的振动对深挖路堑边坡的稳定性造成 了极大的影响。因而研究施工振动作用下黄土深路堑的动力响应特征具有至 关重要的作用。 本论文以郑西高速铁路客运专线函谷关隧道出口端的一段深路堑黄 土边坡为例，利用s w s 型工程勘探与检测系统，测取挤密桩施工过程中该段 路堑边坡上的地震波资料和常时微动的地震波资料。由于面波具有衰减最慢 的特点，因此本文主要分析解释后续面波数据资料。首先利用频谱分析的基 础理论和傅立叶变换对常规面波数据进行处理分析，通过对水平地形测得的 数据获得水平地形的衰减规律；然后对边坡上测得的数据和水平地形测得的 数据进行对比，从而获得垂直分量在施工振动作用的响应特征，即在边坡上 存在着振动放大效应，尤其是在变坡点的前缘这种放大作用更为明显。最后 利用多分量资料更进一步说明了地形对施工振动效应有放大作用，并且动力 响应有很强的方向性。也就是说除了面波的能量对黄土边坡稳定性有影响， 面波椭圆极化特征产生的方向性问题也是影响边坡稳定的因素。 关键字：黄土深路堑边坡；动力响应；多分量 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a bs t r a c t o u rc o u n t r yh a sa c c e l e r a t e dt h ec o n s t r u c t i o no f r a i l w a yp a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n ei nr e c e n ty e a r s i nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o nt h e r ew i l lb ed e e pc u t t i n gs l o p e t om e e tt h eh i g hs t a n d a r do fd e d i c a t e d p a s s e n g e r l i n er e q u i r e m e n t s t h e h i 曲- s p e e dr a i l w a yf r o mz h e n g z h o ut ox i a np a s s e st h r o u g hl o e s sa r e a s t h e p i v o t a lc a u s eo fa f f e c t i n gd e f o r m a t i o ni st h ec o l l a p s i b i l i t yo fl o e s s s o ，t h e c o m p a c t i o np i l em e t h o dw a so f t e nu s e d f o rc o m p a c t i o n ，r e i n f o r c et h e l o e s s f o u n d a t i o nw i t hc o n s t r u c t i n gt oe l i m i n a t i o no fl o e s sc o l l a p s i b i l i t y h o w e v e r , t h e v i b r a t i o na r i s i n gf r o mt h ec o n s t r u c t i o na f f e c t st h es t a b i l i t yo fl o e s ss l o p e s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt os t u d yd y n a m i cr e s p o n s ec a u s e db yc o n s t r u c t i o nv i b r a t i o ni n d e e pl o e s ss l p o e i ti st a k e na sas a m p l et h a tt h ed e e pl o e s ss l o p e so ft h ee x i to ft h eh a n g u g u a n t u n n e l ，w h i c hi so n ep a r to ft h es p e c i a lh i g hr a i l w a yl i n ef r o mz h e n g z h o ut o x i a n t h ed a t ao fs e i s m i cw a v ew h e nc o n s t r u c t i n ga n dt h ed a t ao fg e o m a g n e t i c p u l s a t i o na r em e a s u r e da tt h i sl o e s ss l o p ew i t ht h es w sm a c h i n ef o re x p l o r a t i o n a n dd e t e c t i o n 、 t h et h e s i si sm a i n l yt oa n a l y z et h ef o l l o w - u po fs u r f a c ew a v eb a s e do nt h e s l o w e s ta t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l yt h i st h e s i su s e st h eb a s i ct h e o r yo f f r e q u e n c ys p e c t r u ma n df o u r i e rt r a n s f o r mt oa n a l y s i sc o n v e n t i o n a ls u r f a c ew a v e d a t a ，t h e ng e t st h ec o e f f i c i e n t so fa t t e n u a t i o no ft h ef r e e d o mf i l e da n dt h es l o p e f i e l d s e c o n d l y , d y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n t i o n a ls u r f a c ew a v e a r i s i n gf r o m c o n s t r u c t i o ni so b t a i n e db yt h ec o m p a r i s o no ft h ea t t e n u a t i o nl a w s w eh a v ec o n f i r m e dt h ee x i s t e n c eo ft h et o p o g r a p h i ca m p l i f i c a t i o ne f f e c to f l o e s ss l o p e sc a u s e db yc o n s t r u c t i o nv i b r a t i o n ，e s p e c i a l l ya m p l i f i c a t i o ne f f e c ta t t h ef r o n to ft h e s l o p ec r e s t t h et h r e e - c o m p o n e n td a t af u r t h e r t or e v e a lt h e t o p o g r a p h i ce f f e c tc a u s e db yc o n s t r u c t i o nv i b r a t i o n ，a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eh a s s t r o n gp o w e rt od i r e c t i o n t h a ti st os a y ，t h ea n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o rl e n d i n gt ot h e d e s t r u c t i o no fs l p o ei se l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr a y l e i g hw a v ei na d d i t o n t ot h es i z eo ft h ev i b r a t i o ne n e r g y k e yw o r d s ：d e e pl o e s ss l o p e ；d y n a m i cr e s p o n s e ；m u l t i c o m p o n e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密甾使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：了邻指导老师签名： 日期：毵， o ，k 、。表示波的振幅沿z 方南 衰减的规律。f 是频率，v 。是瑞雷波的传播速度。瑞雷波的波速v 。低于s 波的 波速v 。，更低于p 波的波速v ，。同时，在地表应满足边界条件z = 0 ，正应 力巴和切应力为零，由弹性理论可表述为： r i 二= 警+ 誓) + 弛誓卜= 。 ( 2 m ， t 吼卸= p ( 等+ 甜捌 ( 2 - - 9 ) 式和( 2 1 0 ) 式代入( 2 1 1 ) 式可得到自由表面瑞雷波存在 的方稗绢： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一惯一 + 6 2 甓 2 f 口一 = 0 西专陪一 = 。 ( 2 - 1 2 ) 齐次方程组解存在的数学条件是系数行列式为零，据此可以得方程为： ( 2 一笥= 4 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 3 ) 式也称为含有参数v 。的瑞雷波方程，该方程还可以进一步写成： ( 每 6 8 ( 每 4 + 2 4 一- 6 ( 每 2 ( 告 2 一- 6 一( 每) ? = 。c 2 一t 4 ， 这是关于瑶的一元三次方程。如果面波存在，则必须是大于零的实数 根才有意义。( 2 1 4 ) 式左端为厂( 珞) ，当= 0 时，厂( 0 ) = 1 6 ( 百v s 一1 ) ，因 珞 ，故厂( 0 ) 0 。由此可见，在0 一k 间至 少有一个实数解，因此可以证明瑞雷波在自由表面是存在的。n 们 2 2 2 瑞雷面波的传播特点 1 均匀介质中瑞雷波椭圆极化特征 均匀无限弹性半空间介质中，由弹性模量和泊松比仃( 横向应变与纵向 应变之比) 之间的换算关系仃= _ - 及纵横波之间的关系 2 ( 以+ ) 圪= 、 z ( 2 + z z ) 球私鹚臌撇斟匕毒= 掐所蛐 ( 2 1 4 ) 式可以得到： 时一s 时+ 百8 ( 2 - o r ) 阿一焉8 一( 2 - 1 5 ) 这就是均匀各向同性弹性半空间介质自由表面的瑞雷波方程。阳1 从该方程可以看出，在均匀弹性半空间介质自由表面瑞雷波的波速与频 率无关，即无频散性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 r p 铲卜k ( x 唧， 0 ，u v ，这种现象属于正频散：反之，相速度随频率的降低( 或周 期、波长增大) 而减小，即周期小的波先到，周期大的波后到的现象为反频 散( a v d , z v ) 。当传播媒质属于均匀半无限弹性介质时，由自由表 面瑞利面波存在的条件方程( 2 - 1 5 ) 可知，瑞利波相速度矿与频率厂无关，只 与介质的弹性常量有关。也就是说，在均匀半无限弹性介质情况下，瑞利波 不存在频散现象铂。 3 瑞雷波的能量和衰减规律 有人证明，在圆形衬垫上加一个垂直冲击激发产生的振动，瑞雷波将占 总能量的6 7 0 5 ，横波占2 6 0 5 ，纵波只占7 。也就是说，冲击能量中有三分之 二变成了瑞雷波1 。 在能量的衰减方面，沿深度z 方向，瑞雷波水平方向的振动能量和垂直 方向的振动能量都呈指数规律衰减，由水平和垂直位移公式( 2 - 1 9 ) 可以证明。 由于面波的能量是集中在大约等于一个波长以的范围内，因此在半空间无限 体介质中，在水平x 方向，瑞雷波在从震源o 点出发传播时，其波前是一个高 度为z = 以的圆柱面，如图( 2 - 5 ) 所示。如果震源的作用时间为岔，则与 瑞雷波有关的振动值发生在厚度为a r = a t 的圆柱层界限内，圆柱层外围 为其波前，内周为波尾。该柱层的体积v 为： v = 2 尼：r a r( 2 - 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 其中，一瑞雷波波前波尾中间圆的半径。 图2 5 瑞雷波波前示意图阳1 由于震源的能量是一定的，能量密度e 随传播距离按1 ，的规律衰减( ， 为震源与接收点之间的距离) ，或者说，面波的振幅彳是按1 4 ；r 的规律减小， 它比体波能量按l ，2 规律的球面扩散衰减( 或者说体波的振幅以1 ，的方式减 小) 要慢得多，可传播较远的距离。瑞雷波与体波相比较能量大、沿水平方 向衰减慢，对面波勘探是非常有利的n 1 。 4 瑞雷波的传播速度与介质的关系 波速是反映介质性质的重要参数，这是瑞雷波勘探的基础。由( 2 - 1 5 ) 式可得满足条件的瑞雷波波速与横波波速有如下的近似关系 堡： 0 8 7 + 1 1 2 0 圪 1 + 仃 一毒= 蕊，可煅蝴弹性介质半无 中传播速度和泊松比的关系图。 。 p 波| 。乡 u1 ， 。r 波 o圃mk渖芒油拟0：曲兰仉5仃2-6 图波速与泊松比的关系1 从图2 6 可以看出，瑞雷波的波速始终小于s 波的速度1 i , ，随着泊松 比仃接近0 5 ，横波和瑞雷波的速度趋于同一值。不同岩层的泊松比是不同 5 4 3 2 l o 矿一屹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的，比如，土层的泊松比为o 4 5 0 4 9 左右，而岩石，约为o 2 5 左右。即对 于土层，瑞雷波的速度与横波趋于相同；对于岩石，瑞雷波的速度约为 0 9 1 9 4 k 。总之，瑞雷波在岩土中的传播速度与横波的速度k 是非常接近的， 而1 i , 是工程中不可缺少的参数。因此，由面波勘探所得圪值估算有关岩土介 质的工程动力参数是确实可行的n 3 1 0 2 2 3 瑞雷面波现场测试方法和原理， 从前面所讨论的瑞雷波的性质与特点可以看到瑞雷波沿地表由震源向外 传播的波阵面是圆柱面。瑞雷波的能量所占比例最大( 约为6 7 ) 且在传播 过程沿水平方向衰减比体波慢得多，因此，采用瑞雷波进行勘探，是非常有 利的。同一频率的k 在水平方向的变化反映出地质条件的横向不均匀性，不 同频率的圪的变化则反映出介质在深度方向上的不均匀性。由于瑞雷面波的 高频成分随深度的衰减远远超过低频成分，也就是说高频反映了地表附近地 层介质的性质，而低频则反映较深层介质的性质。因此，我们说瑞雷波勘探 的实质就是根据不同振动频率的瑞雷波沿深度方向衰减的差异，通过测量不 同频率成分( 反映不同深度) 瑞雷波的传播速度来划分地层的。它的物理前 提就是基于浅层与深层介质的密度和弹性模量等物理参数的不同而导致瑞雷 波传播速度的差异。d 1 野外工作中依据瑞雷波传播的原理，在地面上沿波的传播方向，以一定 的道间距a x 设置n + 1 个检波器，就可以检测到瑞雷波在一定长度范围内的 传播过程。设瑞雷波的频率为f ，相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为垃或 相位差矽，则相邻道a x 距离内瑞雷波的速度可简化表示为： = 必或= 2 斫a x a , p ( 2 2 2 ) 测量范围n a x 内平均波速为： 卫 = n a y a t f 1 - 2 须n a x 仍 ( 2 2 3 ) i = l t = 1 在同一地段测量出一系列频率的厂对应的值，就可以得到一条 一厂曲线，即频散曲线，或转换为一厶曲线。通过对频散曲线进行反 演解释，可得到地下某一深度范围内瑞雷面波速度值1 。稳态面波法测试 时主要依据上述思路进行观测和资料的整理的。目前，随着瑞雷面波技术的 发展，在实际工程中大都采用瞬态瑞雷面波法进行测试。测试原理图如图 2 7 ，在地面上激发一瞬时冲击力，产生一定频率范围的瑞雷波，以脉冲的形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 式向前传播，引起表面层附近介质的振动，n 个检波器接收振动信号，利用 面波采集仪器采集与保存记录，再经过瑞雷面波选择与拾取和二维频谱分析， 把各个频率的瑞雷波分离开来，选择基态波对应的谱能量极大值，从而得到 一曲线或一厶曲线。们 图2 7 瞬态瑞雷波测试原理示意图1 2 3 多分量勘探基础 地震波多分量的技术主要用于海上石油反射地震勘探。地震波场十分复 杂，在地震勘探中，由于解决实际问题的目的不同，对地球介质作各向同性 的假设，可适用简单模型的应用需要；对地球介质作各向异性的假设，适用 精细研究的需要。前者使用了复杂的实际波场中简单易于识别的震相，从复 杂的实际波场中提取了少量的信息，即单一的纵波信息；后者使用了复杂的 实际波场中更多更难识别的震相，从实际波场中提取了更多的信息。除纵波 信息外，还有横波、转换波信息等。目前，多分量的概念已经被引入到面波 勘探中，但仅限于对多分量瑞雷面波勘探仪的研制和利用瑞雷面波进行多分 量极化滤波的研究h 1 。 瑞雷面波的椭圆极化特性决定了质点的运动具有水平和垂直两个方向上 的位移分量。瑞雷面波的能量主要集中在自由表面附近的一个波长( 入) 深 度范围内。水平和垂直方向的位移分量在这个波长范围内都迅速衰减，并且 水平位移分量的衰减比垂直位移分量慢，这意味着水平分量具有更强的面波 特征，在浅层具有更高的分辨率。这两个方向的位移分量都与介质的物性参 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 数等因素有关，并且二者之间相互独立阳1 。这样为两个位移分量进行联合反 演，克服了单一分量探测的多解性问题，提供了物理前提。 亘壶窑鋈杰兰塑主堑塞圭兰丝逢塞蔓! 竺夏 第3 章试验条件概述 3 1 试验区工程概况 31 1 工程地质条件 黄土是我国北方地区广泛分布的种特殊土，有着大孔隙、松散性和崩 解等特点，是一种典型的不良土体。本次试验是以在郑西高速铁路客运专线 涵谷关隧道出口端的一段深路堑边坡为对象。试验区段位于我国黄土分布较 广的陕西省灵宝县境内，属典型的暖温带半湿润区大陆型季风气候。拟建客 运专线大部分位于中部黄土区，主要位于该区域的东、南边缘。该区以黄土厚 度大、分布面积广、地层较完整为特点。区域内黄土基本上是连续覆盖于第 三系或其它古老地层之上，形成源、粱、峁特殊的黄土地貌“”。 试验区段的黄土边坡 表层多覆盖第四系上更新统 马兰黄土( q 。) ，以风积( 如”1 ) 砂质黄土为主，厚度为6 2 0 m ，最大超过3 0m 。基岩 埋藏较深，一般工程不会揭 露，故将试验区域地层视为 均质黄土地层”“。图3 一l 为 试验区地貌图。下面就黄土 的物质成分、结构特征、物 理性质和力学性质做简要介绍。图3 - 1 试验段地貌图 1 黄土的物质成分 研究区黄土一般为褐黄色或灰黄色，结构比较疏松、孔隙多，而且具有 肉眼可见的大孔隙。孔隙度一般为3 3 4 6 ，且常具有虫孔、植物根孔，老黄 土还直节理或柱状节理。层理不明显，只有古土壤层及次生冲积层具有层理。 2 黄土的结构特征 与其它土体不同，黄土中孔隙结构较为发育，孔隙结构的不同对于黄土 的物理力学性质有着很大的影响。黄土的微结构特性与黄土的力学性质息息 相关，而黄土的微结构特征又在很大程度上取决与黄土中的粗颗粒矿物骨架 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 颗粒的形态和它们之间的接触关系以及黄土中孔隙与微结构的状况。 黄土骨架形态大致可分为单粒状、集粒状和凝块状三种，但是最能影响 黄土微结构特征的还是黄土骨架之间的接触关系。郑西沿线黄土颗粒的磨圆 度不好，呈亚圆形。 3 黄土的物理性质 黄土的物理性质主要有含水量、天然密度、比重、孔隙比或孔隙率、塑 限、液限、塑性指数、饱和度等。 黄土的一般物理力学性质： ( 1 ) 密度较低：压实程度很差，孔隙较大，一般为4 5 5 ，干容重 1 3 1 5 r m 3 ( 2 ) 塑性较弱：塑限常在1 6 2 0 之间，塑性指数多在6 7 1 3 之间。 ( 3 ) 含水量较小：含水量一般为7 2 3 ，天然含水量取决于土的特性和水 文地质条件。 ( 4 ) 透水性较强：由于大孔和垂直节理的发育，透水性比粒度成分相类似 的一般粘性土要强的多，常为中等透性水。同时具有各向异性，一般垂直方 向比水平方向渗透系数大数倍，甚至数1 0 倍。 ( 5 ) 强度较高：尽管孔隙率很高，但仍具有中等抗压缩能力。但新近堆积 黄土( q 。) 土质松软、强度低、压缩性高。 4 黄土的力学特性 黄土的力学特性主要表现在其高压缩性、高湿陷性、低抗剪性等。 ( 1 ) 黄土的高压缩性除了和孔隙比呈正相关外，还与其受力状态和受力历 有关，即黄土的前期超固结压力有关。不同深度、不同时代的黄土，其压缩 性有很大的差异，即超固结黄土抗压性好，欠固结黄土抗压性差。 一( 2 ) 黄土的抗剪强度是黄土强度的重要标志，是基础工程与灾害防治工程 的关键性指标参数。 ( 3 ) 黄土的湿陷性是黄土在遇水作用时因其结构破坏而产生显著附加沉 陷的性能。湿陷性黄土_ 般出露于梁峁项部或其附近缓倾斜坡上，常见的湿 陷形态为凹陷坑。黄土的湿陷性受土体的天然含水状态和埋藏深度的控制。 湿陷还与土层深度有关：随深度增加，湿陷系数降低。一般新黄土湿陷性较 强，老黄土湿陷性微弱或不具湿陷性。 亘童至堕盔芏亟主墅塞圭堂篁整塞蔓! ! 夏 3 1 2 工程概况 本次试验主要是利用挤密桩拖工中产生的震源激振，来测取高路堑边坡 的振动响应。 1 挤密桩施工概述 土桩挤密桩法是处理地下水位以上湿陷性黄土的一种地基加固方法。它 是利用打入钢套管在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土得到加密，然后 在孔中分层填入素土( 或灰土、粉媒灰加石灰) 后夯实而成土桩或灰土桩、 双灰桩。他们都属于柔性桩，与桩间土共同组合复合地基。桩空直径一般选 在3 0 0 6 0 0 m m ，桩距和排距为1m ，为了使桩间土得到均匀挤密，桩孔按等 边梅花形排列”。柱锤冲孔装置为柴油汽锤打桩机，锤重1 0 吨，落距4 米 位于坡底，距坡脚3 5 m 不等。自由落体时冲击力最大达到9 6 k n ，冲孔深度 5 m 。图3 - 3 为挤密桩施工图。 图3 - 3 挤密桩施工图 2 挤密桩施工振动特性分析 挤密桩施工时，打桩能量通过桩尖和桩侧向外扩散而传递振动，能量转 化为体波和面波在黄土中传播。压缩波首先到达观测点，剪切波次之，瑞雷 波后到。其中振动能量压缩波占7 ，剪切波占2 6 ，瑞雷波占6 7 ，且体波 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 衰减比瑞雷波快n 7 3 面波成为影响震动程度的主导波，并且随着距离的增加而 影响增大。随着桩入土深度的增加，打桩振动在地面的影响范围也增大。由 于打桩往往是连续施加的，当多次重复具有定振幅的振波叠加就会使土体 孔压增加，总应力增大，应变能累积加大，从而易引起开挖成型的边坡的振 动烈度增大，出现地面隆起、裂缝、变形和位移等现象。 3 2 仪器设备和工作流程 3 2 1 数据采集的主要仪器设备 本次测试采用北京水电物探研究所的s w s 型多波列数字图像工程勘探与 工程检测仪。仪器的主要技术和性能指标如下： 2 m s 个 1 道数：面波地震通道1 2 、2 4 道，本次试验采用1 2 道 2 放大器：瞬时浮点放大器 3 前放增益：1 0 0 倍( 4 0 d b ) 4 频率响应：0 5 - - 2 0 0 0 h z 5 动态范围：1 2 0 d b 6 a d 转换：2 0 b i t 7 ) 信号增强：3 2 b i t ，最大的信号做4 0 0 0 次叠加不溢出 8 采样率：面波、地震采集分为3 0 u s ，- - - 8 m s 若干档，本次试验采用的 9 采样点数：5 1 2 8 1 9 2 个样点分若干档，本次试验采样点数是2 0 4 8 1 0 滤波档：具备全通、低通、高通功能 1 1 触发：可使用多种方式触发，试验用的触发方式为外触发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 1 2 噪声：11 1v 1 3 数据预选：采集的数据可显示在采集仪器的显示屏上，然后操作员 根据记录的质量选择保存或进一步叠加再保存，如果记录质量不好，不存盘； 1 4 数字图像显示：显示屏可显示1 2 4 道记录波形，可根据需要将波 形放大或缩小。 本次试验用的检波器为1 2 个4 h z 的动圈型磁电式速度拾振器和1 个 c d j 2 h z 的三分量检波器。 3 2 2 数据采集系统工作流程 1 选择测线，按照预先设计好的偏移距和道间距布设好激发点和接收点； 2 按接收点拉好线，并埋置好检波器，通过大线连接s w s 多功能检测仪； 3 利用外触发，将触发开关固定于与气锤上，也可在激发点附近安置一 个触发用的检波器通过触发线，连接到仪器上； 4 连接电瓶，打开仪器开关，检查激发系统和接收系统是否连接好； 5 准备就绪之后，选择瑞雷波采集软件，按设计的采集参数选择好采集 类型、采样间隔、偏移距和道间距； 6 屏幕监控地震波记录的质量，若质量良好，保存数据；否则改变采集 参数，重新采集，直到地震记录质量良好为止。 3 3 影响采集效果的主要因素分析 瞬态瑞雷波勘测实践表明，采集的记录上不仅存在我们需要的基态面波， 还含有多阶面波，甚至含有其它的波，如人为因素产生的噪声、断面反射波、 散射波等，由于这些波的影响，使得资料处理、整理后，解释成果和实际情 况有一定误差，特别是对高标准工程来说不能满足精度要求。因此应该选择 合理的激发、接收和观测参数，来提高地震面波的采集质量n 。 3 3 1 激发因素的影响 野外施工振动的震源是预先给定的，首先要求垂直激震和冲击地面的力 尽量在瞬间完成，这样的激发在地震记录上面较清晰；但如果偏向激震，就 会产生反向地震波，影响面波记录的质量，因此应重新采集记录。另外，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 与地面产生撞击时，常常不可避免地发生二次撞击，如重锤碰地回弹后再次 撞地。我们知道，对于时域中分析的反射法或折射法地震勘探，次激发必须 排除，因为第二次激发波会迭加在第一次激发的波上，形成干扰。在频域中 通过滤波可以滤除二次激发造成的干扰波。 3 3 2 接收因素的选择 检波器的选择在接收因素中是关键的因素，我们一般是根据瞬态振动法 瑞雷面波的频带和激震频率的大小来选择，对于瞬态振动法瑞雷面波频率低 的特点，我们尽量选择自振频率低的检波器，不可用反射波法的检波器替代。 另外，检波器与地面的耦合状况很重要，我们在埋置检波器时，没有压 紧，会造成能量消耗或根本没有接收到。 3 3 3 观测参数的获得 观测参数主要为偏移距、道间距，接收道数的选择。大多数测量者往往 按仪器通道数和固有大线的卡口距离不加选择的使用，但这样采集信号质量 时好时差，对有些试验区可能适合，有些试验区就不适合，因此，为了使信 号的有效波较好识别，在正式勘测前对上述各参数通过试验和计算得到，做 ，1 矿 到心中有数。对于道f - - j 距( 似) 根据空间采样定理要求满足从竿= 爸， l 上) 如果不满足上式，在波数域数据处理时就会出现空间假频；再者，即使不做 波数域的数据处理，单从相移计算的可靠性，也要满足从厶，否则所求 两道间的相移就不是同一频率之间的相位差，从而得出错误的频散曲线。但 战也不能太小，选择得太小，其工作量会大大增加，而且，没有必要。瞬 态激发时，为了使两检波器接收的信号有足够的相位差，道间距应满足： ， 冬 从冬。综合以上因素选择道间距为1 m 。另外，按勘测任务和目的 32 选择排列长度，不是道数选择的越多越好若1 2 道时面波能量已经很弱，没有 必要使用2 4 道。偏移距应考虑偏移距问题也应考虑振源的弹塑性带的范围， 不一定越近越好，因为偏移距较小时，产生高频分量就大些，浅部的信息就 强些，易形成干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 4 测线布置 、 瑞雷波勘探一般采用纵测线观测系统，即激振点和检波器排列在一条直 线上，采用多道接收的方式工作。这样的布置能够客观的反应真是构造形态， 同时为制图提供方便。测线的布置方法应根据勘探阶段的精度要求和勘测对 象来确定。为了方便工作，道间距( 从) 一般为等间隔的。本论文计算过程中， 将布置在坡底和平台的检波器的道间距定为两相邻检波器间的水平距离，而 布置在边坡上的检波器的道间距定为两相邻检波器间的斜距。 为了能够了解地形对振动放大效应的响应特点，对边坡稳定性评价提供 合理意见，采用垂直分量速度拾振器布置测线5 条。其中在开挖成型的水平路 基面上沿着线路方向在坡底布置l 条测线；在路堑边坡上布置了4 条测线。在 路堑边坡上布置的测线从坡脚分3 段逐段延伸到坡项。另外采用三分量检波器 在路堑边坡的不同位置( 坡脚、一级台阶和二级台阶) 进行布置，布置的3 个点位尽可能成一直线。测线布置图如图3 4 所示。 麓日缓b 一 1 5 n5 n2 0 n 蝴负 三阶边拔 笔二龠阶 = 阶边拔 第一台阶 阶边坡 蛀脚鳇 西安 = ：- - 图例：o 摄蘧 三分萤睑潲 自由场碘线。卜一。 o o o 0 0 图3 4 测线布置示意图 图3 5 为高路堑边坡横断面图，各条测线就沿着该路堑边坡进行布置。 试验段的深路堑，在边坡上设置了2 处平台。此边坡为台阶状三级边坡，第一 阶边坡设计坡高h l = 7 5m ，坡比为1 ：l ；第二阶边坡设计坡高h 2 = 61 1 1 ，坡比为 1 ：1 2 5 ：第三阶边坡坡高h 3 受地形条件而定，坡比为1 ：1 2 5 ：一级台阶设计宽 度为3m ，二级台阶设计宽度为4m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图3 5 设计深路堑边坡断面图 3 4 1 常规单分量测线布置 1 水平地形测线布置 水平地形测线d 布置在路堑边坡坡底，沿着坡脚纵向布置。道间距是l m 。 振源激励方式为柴油打桩机激振，自由场测线布置如图3 - 6 所示。 _ ! ! 竺! ! ! - 叫 _ 卜p - _ - 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - 。_ - - - 。_ - 。- i - 。_ - _ - _ - - - 。- _ _ 。_ l23456t891 0l l i 垒 器 n 震源点 b _ _ 图3 - 6 自由场测线布置图 2 路堑边坡上的测线布置 为了对不同施工震源和不同边坡坡度对施工振动效应的研究，根据实际测 量需要，在边坡上布置4 条测线，测线a 、测线b 和测线c 震源是采用柴油 打桩机冲孔时的震源，而测线e 的震源采用人工吊锤回填桩孔时产生的震源。 具体各测线布置如下： ( 1 ) 测线a 测线a 布置在坡面上，检波器布置如图3 7 所示。1 2 道检波器分3 次逐 级移动到坡项，并且保证前一级的最后一道和后一级的第一道重合，这样能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 够保证整个坡面上采集到的数据的连贯性。共布置3 4 道，道间距l m 。其中， 在一级边坡布置的检波器，第1 道检波器布置于路堑边坡坡底，第2 道检波 器在坡脚处，而第3 道至第1 1 道检波器在一阶边坡上，第1 2 道检波器在一 级台阶边缘；在二级边坡布置的检波器，第1 道至第3 道检波器布置于一级 台阶上，第4 道检波器在坡脚，第5 道至第1 2 道检波器布置于二级边坡上； 在三级边坡布置的检波器，第1 道检波器与上一级的1 2 道布置位置相同，第 2 道至第4 道检波器布置于二级台阶上，第5 道至第l o 道检波器在三阶边坡 上，第1 1 道至第1 2 道检波器在坡顶。在施工现场柱锤冲孔装置在坡底的s 1 、 s 2 、s 3 处冲孔( 如图3 8 所示) i 其中，s 2 孔点与测线a 在同一条直线上，且 s 2 距测线a 第一道检波器的距离为3 m 。在测线a 上，分别以s l 、s 2 、s 3 、为 震源点，测取了大量振动数据。 i l1 2 图3 7 测线a 检波器布置示意图 图3 - 8 测线a 震源点位布置平面图 ( 2 ) 测线b 测线b 布置在坡面上，纵向距测线a 有2 0 m ，检波器布置如图3 - 9 所示。 同样的1 2 道检波器分3 次逐级移动到坡顶，并且保证前一级的最后一道和后 一级的第一道重合。共布置3 4 道，道间距l m 。其中，在一级边坡布置的检 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 波器，第1 道检波器布置于路堑边坡坡底，第2 道至第9 道检波器在一阶边 坡上，第1 0 道至第1 2 道检波器在一级台阶上；在二级边坡布置的检波器， 第1 道至第9 道检波器布置于二级边坡上，第1 0 道至第1 2 道检波器在二级 台阶上；在三级边坡布置的检波器，第l 道检波器与上一级的1 2 道布置位置 相同，布置于坡脚，第2 道至第9 道检波器布置在三阶边坡上，第1 0 道至第 1 2 道检波器在坡项。在施工现场柱锤冲孔装置在坡底的s 1 、s 2 、s 3 处冲孔( 如 图3 1 0 所示) ，其中，s 1 孔点与测线b 在同一条直线上，且s 1 距测线a 第一 道检波器的距离为3 m 。在测线b 上，分别以s 1 、s 2 、s 3 、为震源点测取振动 数据。 图3 - 9 测线b 检波器布置示意图 震源s l 测线b ( u l _ 帕震源s 2 石l - l o 震源s 3 图3 1 0 测线b 震源点位布置平面图 ( 3 ) 测线c 测线c 布置在坡面上，距测线b 有2 0 m ，检波器布置如图3 1 l 所示。同 样的1 2 道检波器分3 次逐级移动到坡顶，并且保证前一级的第1 2 道和后一 级的第1 道重合。共布置3 4 道，道间距l m 。其中，在一级边坡布置的检波 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 器，第l 道检波器布置于路堑边坡坡底，第2 道至第9 道检波器在一阶边坡 上，第1 0 道至第1 2 道检波器在一级台阶上；在二级边坡布置的检波器，第 2 道至第9 道检波器布置于二级边坡上，第1 0 道至第1 2 道检波器在二级台 阶上：在三级边坡布置的检波器，第1 道检波器与上一级的1 2 道布置位置相 同，布置于坡脚，第2 道至第6 道检波器布置在三阶边坡上，第7 道布置于 坡顶边缘，第8 道至第1 2 道检波器在坡项。在施工现场柱锤冲孔装置在坡底 的s 1 、s 2 、s 3 处冲孔( 如图3 1 2 所示) ，其中，s 1 孔点与测线c 在同一条直 线上，且s l 距测线c 第一道检波器的距离为3 m 。在测线c 上，分别以s 1 、 s 2 、s 3 、为震源点测取振动数据 图3 1 l 测线c 检波器布置示意图 图3 1 2 测线c 震源点位布置平面图 ( 4 ) 测线e 测线e 震源激励方式不同于测线a 、b 、c ，测线e 置在坡面上，沿线路 走向距测线b 有5 m ，检波器布置如图3 1 3 所示。同样的1 2 道检波器分3 次 逐级移动到坡顶，并且保证前一级的第1 2 道和后一级的第1 道重合。共布置 3 4 道，道间距l m 。其中，在一级边坡布置的检波器，第1 道检波器布置于 n 3 一 之 3 兰勰 黼 一一一 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 路堑边坡坡底，第2 道至第9 道检波器在一阶边坡上，第1 0 道至第1 2 道检 波器在一级台阶上；在二级边坡布置的检波器，第2 道至第9 道检波器布置 于二级边坡上，第l o 道至第1 2 道检波器在二级台阶上；在三级边坡布置的 检波器，第2 道至第1 0 道检波器布置在三阶边坡上，第1 1 道至第1 2 道检波 器在坡项。在施工现场柱锤冲孔装置在坡底的s l 、s 2 、s 3 处冲孔( 如图3 1 4 所示) ，其中，s 2 、s 3 孔点与测线e 在同一条直线上，且s 3 距测线d 第一道 检波器的距离为3 m 。在测线e 上，分别以s 1 、s 2 、s 3 、为震源点测取振动数 据。 图3 1 3 测线e 波器布置示意图 震源s 1 图3 1 4 测线e 震源点位布置平面图 3 4 2 三分量检波器的测线布置 1 无施工振动三分量检波器的布置 野外工作环境嘈杂，在相对安静的工作环境下分别在坡脚、一级台阶、 二级台阶布置三分量检波器，共得到数据文件1 2 个。其中文件a m 0 0 1 a m 0 0 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 是在坡脚同一点位测到的数据；文件a m 0 0 7 a m 0 1 l 是在一级台阶同一点位上 测到的数据；文件a m 0 1 2 是在二级台阶上测到的数据。 2 在施工震源作用下三分量检波器的布置 另外在挤密桩施工过程中，在深挖路堑边坡坡脚、一级台阶和二级台阶 上布置检波器，测取数据文件4 个。其中数据文件m 2 s 4 0 0 1 m 2 s 4 0 0 2 是在坡 脚采集的；数据文件m 3 s s 0 0 1 是在一级台阶上采集的；数据文件m 4 s 6 0 0 1 是 在二级台阶上采集的。三分量测点布置与震源关系示意图如图3 1 5 。 注：o 为震源为三分鲐潲槽触 图3 1 5 三分量测点布置与震源关系示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 第4 章常规面波数据动力响应特征 挤密桩施工时产生的能量通过桩尖和桩侧向外扩散而传递振动的，能量 转化为体波和面波在黄土中传播，压缩波首先到达观测点，剪切波次之，瑞 雷波后到。其中振动能量压缩波占7 ，剪切波占2 6 ，瑞雷波占6 7 0 5 ，且体 波衰减比瑞雷波快 。因此，面波成为影响震动程度的主导波，并且随着距 离的增加而影响增大。在现场采集到的数据中，面波能量较强，因此本论文 以面波为研究对象。 现场用垂直分量检波器采集的数据为时间速度振幅波形，是现场柴 油汽锤振动作用下能量随着时间和空间传播变化记录。采集到的振幅数据为 振动速度，并非实际的速度值，而是经过仪器内部增益过的数据。在采集数 据的过程当中，受到一定的干扰，因此要对数据进行处理，从而进行分析。 由于采集到的数据较多，只列出有代表性的图形文件和数据表格。 4 1 原始波形记录 4 1 1 水平地形测线的波形记录 图4 - 1 是在水平地形测线上采集到的数据生成的波形图，从左至右依次 为1 1 2 道检波器采集到的时间一一速度振幅图形。该测线的采样点数为 2 0 4 8 ，间隔为0 2 m s ，道间距为l m 。图中标识出的能量较强的部分为面波。 从图中可以看出，瑞雷波随着距震源点距离的增加，振幅逐渐衰减。图中所 示的波形文件总体上能反应瑞雷波传播时随距离的增加振幅逐渐衰减的规 律。 4 1 2 柴油打桩机激振在边坡上的波形记录 在边坡上布置的a 、b 、c 测线采集到的波形类似。选择代表性的b 测线 进行分析，图4 2 是柴油打桩机激振施工条件下在b 测线一阶边坡上采集到 的数据生成的波形图，图4 3 是在b 测线二阶边坡上采集到的数据生成的波 形图，4 4 是在b 测线三阶边坡上采集到的数据生成的波形图。从图中都可 以看到较早到达的纵波和横波，但是相对于后续到达的面波来说，能量都比 较小。该测线的采样点数为2 0 4 8 ，间隔为0 2 m s ，道间距为l m 。图中标识出 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 的能量较强的部分为面波。从图中可以看出，同水平地形波形记录相比，瑞 雷波随着距震源点距离的增加振幅衰减缓慢。 t r 址d o1 d 3 d5 d 7 d 9 d1 1 d t r 扯d 0 103 j )5 卫17 d9 d1 1 d 夕震渔 j ， 一 ? 文乇：l 、t r 一 - - 一一 r 、 pf r rr r lli l ， i! l i f l 7 fi 面i ! 二一l l 一叮j f l r f u ；) ll ll v ， ， i l l ， jr ， - i ， 、 、- 一j r l ? 厂附 心、 忒 ，|rl l l 、! 尸l j r r ，尸厂厂，rr ， ( 故厂fi 1 ：j ， 、 1 f i - _ _ l u c 1h 图4 1 水平地形d 测线原始数据图 图4 2b 测线在一阶边坡的原始数据图 t r c 曹o1 2 dt 4 d1 6 d1 e d2 0 02 2 o t r c d 瞄抬0 2 5 02 7 0 2 90 3 1 o3 3 0 图4 3b 测线在二阶边坡的原始数据