（地质工程专业论文）masw技术在碎石土边坡灌浆治理效果检验中的应用.pdf

贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文摘要 摘要 m a s w 勘探方法是近年来兴起的一种新的岩土工程勘探方法，其原理是利用 瑞利波的频散特征，对工程介质体的物理力学性质做出正确的解释和合理的工程 评价。与传统的勘探方法相比，m a s w 勘探具有设备轻便、效率高、投资少等特 点，越来越受到岩土工程师们的青睐，在工程地质勘察和工程质量检测领域得到 了广泛的应用。 本论文介绍了瑞利波的应用历史、发展状况和姒s w 勘探优点；阐述了弹性 波波动方程、匀质半空间和成层半空间的瑞利波方程；并介绍了m a s w 技术的原 理和野外工作方法，以及在不同土层的适用范围。这些理论研究表明，瑞利波能 反演土体的剪切波速度，剪切波速度和土体特性又有联系，所以采用m a s w 技术 瑞利波法反演土体特性，检验灌浆治理后的碎石土边坡效果是可行的。 利用瑞利波信息反演层状半空间介质的性质和状态，一直是地震勘探领域关 注的研究课题。本文将m a s w 技术应用于贵州三凯公路寨头隧道进口段碎石土边 坡灌浆治理检验的实际工程中，由层状半空间瑞利面波的实验数据，分析层状瑞 利波的频散曲线，并利用基阶和高阶模态的瑞利波频散曲线反演层状介质参数。 根据得到的动力学参数与治理前的数据比较，检验治理后碎石土边坡灌浆效果。 治理前后动力参数变化结果表明：虽有部分区域表层灌浆不均匀，但整体还是起 到了灌浆固结的作用，场地类型均也基本变为中硬状态，土质边坡整体稳定性增 强，灌浆治理取得了较好的成效。 另外，本次论文还做了钻孔勘探，结果证明i d a s w 技术得到的界面分布形态 与钻探结果接近，充分说明m a s w 技术的可靠性和准确性。 i d a s w 技术用于检验碎石土边坡灌浆治理效果，是一种新方向的研究探讨， 本论文的研究显示，由于理论计算的某些不足和实际工程情况的复杂性，m a s w 技术仍存在一些问题，有待于进一步研究。 关键词：多道瞬态瑞利波；剪切波速；反演；频散曲线；灌浆治理 i v 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 t h ea p p l i c a t i o no fm a s wi nt h eg r o u t i n gg o v e r n a n c et e s to f d e b r i ss l o p e a b s t r a l c t m a s w e x p l o r a t i o ni san e wm e t h o df o rg e o - t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge x p l o r a t i o ni n r e c e n ty e a r s i t sp r i n c i p l em a k e st h ec o r r e c te x p l a n a t i o na n dp r o j e c te v a l u a t i o nt o p h y s i c sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e d i ab o d y , a c c o r d i n gt od i s p e r s i o no fr a y l e i g h w a v e c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，i th a sm a n y a d v a n t a g e s s u c ha s c o n v e n i e n c e ，h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n ds oo n c i v i le n g i n e e r sh a v eb e e np a y i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oi t m a s wh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ed o m a i n s e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o na n de n g i n e e r i n gq u a l i t yt e s t i n g t h eh i s t o r yo fr a y l e i g hw a v e si si n t r o d u c e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so fm a s ww e r e p o i n t e do u t t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e de l a s t i c - w a v ee q u a t i o n s ，i n f e r r e dh e t e r o g e n e o u s l a y e r e dh a l f - s p a c ea n ds p a c e r a y l e i g hw a v ee q u a t i o n 。t h es t u d yo nt h et h e o r yi ns o i l s h o w st h es h e a rw a v ev e l o c i t yo fs o i lc a l lb ea t t a i n e df r o mt h er a y l e i g hw a v ev e l o c i t y i ti sw e l lk n o w nt h a tt h e r ei s r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rw a v ev e l o c i t ya n d c h a r a c t e r i s t i c so fs o i l s om a s wt e c h n o l o g yi su s e dt or e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o i lb o a y ，w h i c hc a nt e s tt h ee f f e c to fd e b r i ss l o p ea f t e rg r o u t i n gg o v e r n a n c e i ti sa t o p i ci nt h ef i e l d so ft h eg e o - t e c h n i c a le n g i n e e r i n gt oi n v e r s et h ep r o p e r t i e s o ft h es t r a t i f i e dm e d i ai nh a l fs p a c eb yu s i n gt h er a y l e i g hw a v e s m a s we x p l o r a t i o n m e t h o di su s e di nap r a c t i c a lp r o j e c t - d e b r i ss l o p eo nz h a i t o ut u n n e l ，g u i z h o u p r o v i n c e t h ep r o p a g a t i o nm o d e sa n dd i s p e r s i o nc u r v e so ft h er a y l e i g hw a v e sa r e p r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai ns t r a t i f i e dh a l f - s p a c em e d i a t h ep a r a m e t e r so ft h es t r a t i f i e dm e d i aa r ei n v e r s e db y 璐i 1 1 9t h eg e n e t i ca l g o r i t h m b a s e do nt h ef u n d a m e n t a la n dh i g h e rm o d e so ft h er a y l e i g hw a v e so b s e r v e d t h e c o m p a r i s o no fd y n a m i cp a r a m e t e r sa n dt h ed a t ab e f o r eg o v e r n a n c et e s t e dt h eg r o u t i n g e f f e c to fd e b r i s s l o p e a f t e rg o v e r n a n c e t h ec h a n g eo fg o v e r n m e n t d y n a m i c p a r a m e t e r ss h o w e d ：a l t h o u g hs o m er e g i o n a ls u r f a c eg r o u t i n gi su n e v e n , b u tt h e o v e r a l lp l a y e dar o l ei ng r o u t i n gs o l i d i f i c a t i o n , a l s ob a s i ct y p e so fh a r d w a r eo rh a r d i n t o t h e s t a t e ，s t a b i l i t yo fs o i ls l o p ei n c r e a s e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc h a n g e s v 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t s i g n i f i c a n t l y , g r o u t i n gg o v e r n a n c em a d eg o o dr e s u l t s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s od o n ear a d a rt e s ta n dd r i l l i n ge x p l o r a t i o n ，f i n a l l y p r o v e dt h em a s wo b t a i n e dt h es u r f a c ed i s t r i b u t i o ns h a p ea n dt h ed r i l l 崦r e s u l ta r e c l o s e ，e v a l u a t i o no ft h eg r o u t i n ge f f e c ti si nl i n e 诵t l lr a d a r , w h i c h 触l ys h o w e dt h e r e l i a b i l i t yo ft e c h n o l o g ym a s w a n da c c u r a c y t r a n s i e n tm a s wm e t h o da p p l y i n gt ot h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fs o i l i san e w t e c h n i c a lr e s e a r c h ，b u ti ts t i l lh a sm a n yp r o b l e m sa n dd e m a n d sf u r t h e rs t u d i e s ，d u et o t h ed e f i c i e n c yo fi t sc a l c u l a t i o nt h e o r ya n dt h e s o p h i s t i c a t i o no fe n g i n e e r i n g c i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s ：t h em u l t i c h a n n e lt r a n s i e n tr a l y l e i g hw a v e ( m a s w ) ，d y n a m i c p r o p e r t i e so fs o i l ，s h e a rw a v ev e l o c i t y , i n v e r s i o n , d i s p e r s i o n c u r v e 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文图版 图版 图i - 5 一l 技术路线流程图7 图2 - 1 一i 均匀半空间表面圆形基础在竖向协和力作用下的远距离波场9 图2 2 1v p v , 与的关系图1 3 图2 - 2 - 2 平面波在空间中的传播1 3 图2 - 2 - 3 二维平面波1 4 表2 3 一l 泊松比与对应的v s 和v r v p 值1 7 图2 3 1v v s 和v v | p 与的关系j 1 7 图2 - 3 - 2 瑞利波水平振幅和垂直振幅随深度的变化曲线1 9 图2 - 4 - i 具有表面层的半空间2 0 图2 - 4 - 2 两层介质中瑞利波弥散曲线2 2 图2 - 4 - 3 多层体系2 2 图3 一l - l 瑞利波测试基本原理2 5 表3 - 2 - iv s 划分场地类型2 7 表3 - 3 - 2 面波探测工作方法示意图2 8 图4 - 4 - 1 三穗县台烈镇寨头村寨头隧道位置图3 1 图4 - i - 2 碎石土边坡工程现场3 3 图4 - i - 3 钻孔及测线位置布置图3 4 表4 - 3 - i 剪切测井解释成果表3 6 3 7 图4 - 4 - 1 原始波形记录图3 7 图4 - 4 - 2 瞬态瑞利波法数据处理流程框图3 8 图4 - 4 - 3 数据显示图景3 9 图4 - 4 - 4 数据显示图景3 9 图4 - 4 - 5 数据显示图景4 0 图4 - 4 - 6 数据显示图景4 0 图4 - 4 7 数据显示图景4 0 图4 4 8 地层模型构成综合成果4 l 图4 - 4 9 部分典型记录波形图( 一) 4 2 图4 4 1 0 部分典型记录波形图( 二) 4 2 图4 - 4 一i i 部分典型记录波形图( 三) 4 3 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文图版 图4 - 4 - 1 2 部分典型记录波形图( 四) 4 3 图4 - 4 - 1 3 部分典型记录波形图( 五) 4 3 图4 - 5 - 1a 、d 线面波检测成果图4 5 5 l 表4 5 1h 、珞、白、日数值结果5 2 5 4 图4 - 5 - 2 钻孔成果和姒s w 成果综合图5 5 6 l 图4 - 5 - 3a 测线钻孔和m a s w 分层界面显示图6 2 图4 - 5 - 4d 测线钻孔和m a s w 分层界面显示图6 3 表4 - 5 - 2 治理前后咯和场地土类型变化6 4 表4 - 5 - 4 治理前后国变化6 5 7 6 贵州大学硕士论文 原刨性声明和使用授权声弱 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盏固 日 期：至q q 星生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州大学- j - 以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：董至刍 导师签名： 婷恤必 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，工程建设、道路交通等活动产生的多种动态振源，引起了人类活动 区振动的增加，这些振源都具有很浅或接近于地表的特点，这种情况下的大多数 能量转换成面波，沿着低速的表层传播。通常地表地震勘探中，2 3 以上的地震 能量会传入瑞利波中，且对土的条件反映很灵敏n 1 。若垂直速度假设为一变量， 每个面波频率分量在特定的频率分量上就有一个不同的传播速度，这就产生了频 散特征，面波的频散特征可测定水平成层介质浅层土体的剪切参数，推断近地表 弹性、评价地表稳定性嗍。 1 1 面波评价土体特性的理论及m a s w 技术的提出 1 1 1 面波评价土体特性的理论 面波产生于不同波速层的分界面处，除振动源位置外，波的传播受到地层条 件，如动力特性和厚度的影响。大量数值计算表明n 儿羽，表层土的特性对面波的 波幅、质点振动历时及频率等有着强烈的影响，如果地质结构及地层动力特性已 知，采用数学方法可计算出地层的动力特性。反之，当波动传播通过某一地层时， 可携带出该层动力特性的有用信息( 主要是剪切波速) 。特别地，当面波振动通 过低阻抗层且影响较大范围的土层时，横向变化引起的阻尼，可以解释地质层的 不均匀性口1 。利用成层介质中面波的频散特性，也即是利用波的穿透深度随频率 升高而减小的特征，反演得出剪切波速随深度的分布规律，这就是面波评价土体 特性的基本原理，基于此产生了用m a s w 技术检验碎石土边坡灌浆治理效果的思 路。 1 1 2m a s w 技术的提出 随着国内工程建设事业迅速发展，工程地质勘察及工程质量检测监测任务日 趋繁重，长期以来，主要由静载、钻孔、静力触探及常规土木试验等手段完成的 工程勘察及检测模式，越来越难适应实际生产实践的需要，因此作为工程勘测重 要手段之一的地球物理勘探测试技术也应有相应的长足发展h 1 。 近几年科学技术的进步及计算机技术的普及和应用，使工程物探技术有了空 前飞跃，其中浅层地震勘探测试技术因设备轻便、成本低、工效高，同时实现实 时处理、及时快速提供资料的优点而得到了广泛应用，尤其在国内发展更为迅猛。 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 第一章绪论 从7 0 年代初的浅层折射波法发展到8 0 年代中期的浅层反射波法、稳态瑞利面波 法，进入到9 0 年代又发展到瞬态瑞利面波法，使得工程物探这项技术在解决工 程问题的精度和广度有了显著提高。多道瞬态瑞利波勘探方法( m u l t i c h a n n e l a n a l y s i so fs u r f a c ew a v e s ，简称m a s i r ) 在这种氛围下出现，并以分辨率高、 应用范围广、受场地影响小、检测设备简单、检测速度快、损伤小等优点，迅速 受到了岩土工程勘察界的普遍重视和广泛应用。 瞬态瑞利面波的传播，具有良好的场地适应性，可以应用于其它地球物理方 法不适用的地方，利用其频散性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性，可以 很好的分析土质边坡特性，解决工程地质问题临1 。 1 2 国内外瑞利波勘探测试技术应用历史和现状 1 2 1 瑞利波勘探测试技术国外发展史 1 8 8 7 年，英国学者r a y l e i g h 首先从理论上证明了均匀半空间介质中瑞利波 的存在，由于地震瑞利波的强危害性及强干扰型，早期人们对瑞利波的研究，主 要是采取诸多方法来减少它的危害或消除它对常规地震方法的影响。2 0 世纪5 0 年代，h a s k e l l 发现了瑞利波在层状介质中具有频散特性，就开始利用天然地震 记录的瑞利波来尝试研究地球内部结构构造，但受当时计算技术的限制，研究所 得结果精度较低。6 0 年代前中期，只能采用简单的手工操作方法研究瑞利波， 到了6 0 年代后期，高速数字计算机广泛地应用于地球物理学的各个分支领域， 对瑞利波的研究有很大的帮助嘲m 嘲。 真正运用瑞利波频散特性解决工程问题始于2 0 世纪7 0 年代 9 1 m l o7 0 年代初， 美国f k c h a r g 和r f b a l l a r d 等人利用瞬态激震产生的瑞利波来研究浅部地质 问题嘲，并于1 9 7 3 年在第1 2 届国际地球物理勘探年会上发表了以 r a l e i g h w a v e d i s p e r s i o nt e c h n i q u ef o rr a p i de x p l o r a t i o n 为题的研究 成果，但受当时技术条件的限制，应用并没有成功。不过这次尝试和研究却揭开 了浅层地震波勘探测的新篇章，引起了世界各国许多地球物理学者的注意，开始 了对瑞利波理论及方法技术的深入研究，试图将其有效地应用到工程实践中去。 8 0 年代初，面波工程勘探方法有了突破性进展。1 9 8 2 年，日本v i c 株式会 社的m e l l o n 和z o t o n 研制出了稳态法的g r - 8 1 0 型佐藤式全自动地下勘察机， 利用稳态激震法产生瑞利波，进行工程地质勘探，但这种稳态勘探系统昂贵的价 2 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 第一章绪论 格和笨重的设备，使之普及应用受到限制。1 9 8 3 年，s t o k o e 和n a z a r i a n 等提出 了面波频谱分析方法( s p e c t r a la n a l y s i so fs u r f a c ew a v e s ，简称s a s w ) 1 1 1 ， 通过分析面波的频散曲线建立近地表的s 波速度剖面。不过由于近地表物质中存 在的变化，常常使s a s w 很难做到精确探测，而且每个探测地点都有各自特征， 只用一对检波器评价和识别噪声信号有很大困难，在多次重复振动的记录中逐渐 产生了增加多道程序中的时间和劳动的需求，m a s w 勘探方法在这种情况下应运 而生，解决了s a s w 方法的不足。 勘测技术进步的同时，面波计算理论也在迅速发展。最初是利用天然地震的 记录测定频散曲线，并将实测的频散曲线作反演计算，从而得到地下介质分布与 结构参数。h a s k e l l 在5 0 年代初提出了计算任意多层地球物理模型理论频散曲 线的矩阵方法。1 9 5 6 年s a t o 等把f o u r i e r 引入面波频散计算，使面波频散测定 建立在数值计算基础上。此后，利用数字滤波、快速f o u r i e r 变换等数学工具， 实现了计算机测定面波频散曲线n 2 1 。 i 2 2 国内瑞利波勘探测试技术发展史 我国瑞利面波法工程勘探的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 7 年河北省 地球物理勘察院应用浅层地震仪配置国产电磁激振器，开展了瑞利波的试验研 究。1 9 8 8 年吴世明等人采用瞬态瑞利波法测试土层波速。1 9 8 9 年杨成林等人利 用t e r r a l o g 浅震仪配国产可控震源以及自制的附属设备，组成稳态瑞利波法勘 探系统，进行第四纪地层划分、地基处理效果评价等方面研究。1 9 9 4 年北京水 利电力勘察设计院物探研究所研制成功s w s - i 型多功能面波仪，同时推出地震数 据处理软件系统，并投入实际应用，取得了较好的效果。在此之后很多学者撰文 对瑞利波法的正反演和应用情况进行过讨论。2 0 世界9 0 年代，相对成熟的m a s w 技术开始输出国外，在日本、新加坡等国成功应用于工程勘察项目，论文瞬态 面波法的数据采集处理系统及其应用实例获得1 9 9 7 年美国科尔比优秀论文。 目前瞬态瑞利波勘探已由原来的面波频谱分析方法( s a s w ) 发展到多道瞬态 瑞利波勘探( 姒s w ) 阶段。我国最早提出多道瞬态瑞利波勘探( 淞s w ) 想法的是 刘云桢，1 9 9 3 年他利用自制的多道地震数据采集处理系统把瞬态面波的深度由 l o m 提高到3 0 m ，条件好的情况可以达到5 0 m 以上，基本能够满足岩土工程勘察 的需要n 3 h 3 。多道瞬态瑞利波勘探有许多显著优点，已经列入国家岩土工程勘 3 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第一章绪论 察规范等铁路和公路物探规程中，成为岩土工程勘察行业的热门技术。 1 3m a s w 法勘探的优点 近年来瑞利波在各种介质中的传播特性和资料处理方法取得很大的进步，瑞 利波法的应用领域也在迅速扩大。瑞利波测试方法按激振方式不同可分为多种模 式，工程中通常采用稳态正弦振源和瞬态冲击振源两种方法，主要分析依据都是 实测过程所得的瑞利波相速度的频散曲线。 1 3 1 瑞利面波瞬态法与稳态法比较n 町n 町 稳态法作为瑞利波勘探的一种方法，在理论上较为成熟，数据处理也相对简 单，但它对仪器要求高，除需接收系统外，还需变频激振系统，由于激振器工作 频率的限制，稳态法很难得到2 0 赫兹以下的结果。瞬态法克服了稳态法仪器笨 重、方法复杂的缺点，且仅需一套接收系统、一次激发即能获得稳态法全部结果。 没有了激振器工作频率的限制，瞬态法的最低频率可以接近零赫兹，加之瞬态瑞 利波传播和接收不易受到环境扰动，这些优点都增大了瞬态法的工作范围，使之 越来越广泛的得以应用。 瞬态法又分为表面波谱法( s a s w ) 和多道瞬态面波法( m a s w ) 两种方法。表 面波谱分析法的数据采集方法与稳态法基本相同，一般采用两点接收或逐点放大 的两点接收方法，该方法实际上还是以单点接收的方式进行数据采集，难以对接 收的波形性质进行分析，有时甚至将直达波、浅层折射波等视为有效面波接收， 致使最终得到的频散曲线有很大的误差。 1 3 2 多道瞬态瑞利波法的优点 多道瞬态面波技术的创意在于多道采集方法和多道数据处理。m a s w 技术能 采集到瞬态激振条件下，一定距离上面波的传播规律、传播特征和面波震形变化 等，为数据分析计算提供了极大的方便，为有效波形的利用和干扰波的排除提供 数据基础。m a s w 勘探方法尤其对下覆软弱层具有较强的探测能力，可剖面式勘 测需测对象，提供完整的面积资料。 由于面波通常表现的是复杂非线性方式，每种噪声的相关振幅一般随频率和 震源的距离变化而变化，每种噪声通常都有不同的速度和衰减特性，所以只有在 多道记录上用相干曲线，才能将其准确识别。记录波场分解扫描频率能利用频率 相位和震源偏离段识别大部分噪声，分解扫描频率运用到多道记录中后，采集到 4 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第一章绪论 的噪声可以调至最低，数据处理参数的选择也能准确地从多道炮点记录中得到。 分解记录的炮点道集，得到用简便的时间或频率域多道相干算法计算的频率相位 速度，获得最佳记录。改善了较宽带宽的分辨率和反演剖面可测深度后，高信噪 比确保发散曲线的计算精度，提高m a s w 的准确度1 仰朗。 1 4 研究问题的提出及可行性 1 4 1 研究问题的提出 土体力学参数的合理确定是土质边坡工程中一项基础的工作，是工程实践中 存在的一个重要问题，直接关系到边坡工程的安全性和经济性。由于其所处地质 环境复杂，形成、变形过程中经历的历史作用，形成了自身的力学特性、结构和 构造，并在特定的地质环境中遭受新的变形等，使得土体具有高度的复杂性。因 此研究土质边坡的动力特点、土质边坡动力学参数的变化，是解决土体随时间变 化带来诸多问题的关键。 现代科技的发展、各种计算方法和技术手段不断进步，已经能够采用数值分 析方法解决复杂的边坡工程问题，但是数值分析方法的准确性取决于模型选取的 正确性和土体力学参数取值的可靠性，所以力学参数的正确选择对整个结果的准 确性起着至关重要的作用。然而，在实际工程中，因地震波的传播受到复杂多变 和随机因素的影响，运用面波分析土介质的动力特性时，必须重视场地实测试验 研究。 1 4 。2 可行性分析 结合上节论述的m a s w 勘探方法的优点，以及瑞利面波本身作为勘测手段得 到的结果，m a s w 法基本满足对土体进行无损检测的要求，它以具体工程条件和 现场地质条件为依据，以瑞利波理论为依托，对碎石土边坡的地质结构特点逐个 分析，得到了与实际相符并和土体结构特征紧密结合的动力学参数，这些参数与 规范相比判断是否达到规定范围，以证明灌浆效果。所以说用姒s w 检验碎石土 边坡灌浆效果是完全可行的，其具体表现在n 力n 酊： ( 1 ) 实际工程中的波动很少为单频波，波动总可认为是许多单频波的叠加。 当地下介质被假定为均匀、无限大的半空间时，自用表面瑞利面波不具有频散特 性，这是面波中的一个特例。在更为普遍的分层介质中，面波形成的推导过程仍 基于波动方程，包含珞的频散方程，而该方程隐含着r r = r r ，同时方程中含有 5 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第一章绪论 各层的厚度、弹性模量、密度等参数。其中直接反映了地下介质的结构和特性。 ( 2 ) 面波的传播特征与覆盖层介质的性质有关。面波传播中各个模态的能 量和波长，都随距离逐步演变。分层地层的结构决定了面波的模态组成，同样研 究了面波的频散特征，也就可以求得地层内部不同深度的弹性参数。 ( 3 ) m a s w 勘探方法强调的是最小近场和远炮检距效应、采集速度、重复取 样和整个数据的精度。通过最佳的野外排列和对间距选择以及频率处理，使近场 和远场效应达到最小化。通过大量检波器紧密间隔来实现重复取样。i u a s w 方法 的准确性为动力荷载下，土质边坡力学参数的测定奠定了基础，继而利用准确的 参数检验灌浆效果。 ( 4 ) 用多道记录法并采用扫频方式显示地震波时，可通过清晰而简单的相 干性，识别各种类型波在时距域有序的规律性，以及瑞利波的不同频率分量，并 使m a s w 能有效的得到近地表物质的动力特征：由于混杂干扰，相干噪声可稳 定检验单个瑞利波频率的完整性，调整改进数据收集和信噪比；用单个记录可 以得到高精度频散曲线，反演生成v s 剖面。 ( 5 ) 各种数字处理方法的发展，和资料处理软件的开发，都为m a s w 检验碎 石土边坡灌浆治理效果提供了基础，且雌s w 本身即是一种检测设备简单、检测 速度快、花费小的检测手段，所以在经济和效率上也具有可行性。 1 5 研究思路和内容 本论文对国内外瑞利面波勘探理论研究与应用现状进行了探讨，推导出面波 波动方程及位移方程，分析成层半空间瑞利波频散特性，并以此为基础介绍了 m a s w 勘探原理，将工程实测过程中分析数据、整理总结数据的过程逐一介绍， 总之本文是围绕m a s w 技术在碎石土边坡灌浆治理效果检验中的应用做了一系列 研究。 1 5 1 研究思路 大量阅读用瑞利面波进行地质勘探的相关文献和土动力学理论，得出m a s w 勘探方法的优点和用m a s w 检验灌浆效果的可行性。采用多道瞬态瑞利面波法， 用地震仪测得测线上各点的珞，反演出频散曲线，获得各层界面厚度、剪切波速 等参数。针对碎石土边坡治理前后不同情况，比较动力学参数的变化，由此分析 6 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 第一章绪论 碎石土边坡灌浆治理效果如何，与钻孔资料比较，证实m a s w 方法的可靠性。研 究思路及技术路线流程图如图卜5 1 所示。 图1 - 5 1 技术路线流程图 f i g u r e l - 5 - 1t h ef l o w i n gc h a r to ft e c h n i c a ll i n e 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 提出面波波动原理，阐述弹性波波动方程，介绍无限体波的类型和半 无限体平面波运动方程。分析匀质半空间和成层半空间瑞利波特点，推导各自的 波动方程，并总结频散曲线特点。 ( 2 ) 介绍m a s w 技术的勘探原理、野外工作原理和数据处理原理，列出需测 试指标，并指出m a s w 适用的不同土层类型。 ( 3 ) 总结野外采集技术、提取数据技术和数据处理技术三方面经验，形成 实用、可靠的m a s w 勘探方法。分别对瞬态瑞利面波信号的正确提取、频散曲线 反演、应用拐点处对频散曲线分层，以及获得反演的剪切波速求得动力学参数等 7 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第一章 绪论 问题进行一系列研究。 ( 4 ) 动荷载下，瑞利面波波速大小与介质的动力学参数有关，如动剪切模 量、动弹性模量等。将m a s w 应用于三凯公路寨头隧道进口段工程，建立剪切波 速和动力学参数的关系，分析前后剪切波波速变化情况，及场地土类型变化，得 出符合实际的灌浆治理效果评价。 8 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第二章瑞利面波理论分析 第二章瑞利面波理论分析 2 1 面波波动理论 半空间介质中，当在地面上做竖向激振时，震源处的振动( 扰动) 以地震波 的形式传播并引起介质质点在其平衡位置附近运动。按照介质质点运动的特点和 波的传播规律，地震波分为两类，即体波和面波n 们。其中，纵波( p 波，压缩波) 和横波( s 波，剪切波) 属于体波，它们在地球介质中独立传播，遇到界面会发 生反射和折射，当介质中存在分界面时，在一定的条件下体波( p 波或s 波或两 者兼有) 会形成相长干涉并叠加产生一类频率较低、能量较强的次生面波。这类 面波与地层界面有关，且主要沿着介质的分界面传播，能量随着与界面距离的增 加迅速衰减，其传播规律反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。面波主要有 两种类型，瑞利波和乐夫波。 从上述描述的各波在介质中传播速度来看，在震源较远的观测点应该接受到 一列地震波，各波到达的先后顺序是p 波、s 波、乐夫波和瑞利面波。w o o d s 曾 形象地绘出= 0 2 5 的半空间波场示意图踟，见图2 - 1 1 。 图2 - 卜1 均匀半空间表面圆形基础在竖向协和力作用下的远距离波场 f i g u r e 2 1 1t h el o n g - d i s t a n c ew a v eo fu n i f o r mh a l f - s p a c e sb a s e do nt h es u r f a c el i e 地 m il l e r ( 1 9 5 5 ) 研究了纵波、横波和瑞利波三种弹性波占总输入能量的百分 比：纵波( p 波) 占6 9 ，横波( s ) 占2 5 8 ，瑞利波( r ) 占6 7 3 。因此， 9 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第二章瑞利面波理论分析 半空间在竖向动荷载作用下，瑞利波占能量的主要部分，各个波速关系如式 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 3 ) 表示。另外激发产生的地震波，除面波以外，在地表还 能接收到声波、折射波和发射波，它们占震源的比例比较小，随距离衰减也比较 快，一般在面波数据处理中作为干扰波看待，将其去除。 咋2 孕5 厩 ( 2 1 1 ) 珞= 居= 厮 汜m ) 0 8 7 + 1 1 2 ji ， = f s ( 2 1 3 ) 式中，卜杨式模量；卜剪切模量；p 一密度；一泊松比；名一拉梅常数 根据弹性常数的定义，可以从( 2 1 1 ) 式一( 2 1 3 ) 式看出，在同一介质 中：唯 珞 珞 2 2 固体中弹性波的波动方程担恤， 在理想均匀、各向同性固体弹性介质中，弹性波的波动方程为： p 雾川川删+ 胛2 u + 廖 ( 2 2 - 1 ) 式中，卜剪切模量；p 一密度；卜力向量；2 一拉梅常数；9 一体变系数，o = d i v u u 在力f 作用下质点的位移向量；v 2 一拉普拉斯算子，v 2 = 菩+ 萨a 2 + 等 对( 2 2 1 ) 式两边分别取散度( d i v ) ，由于： d v 脚；v 2 0 因此( 2 2 1 ) 式变为： 害川+ 2 曲v 2 0 + 脚 整理后得： 。0 2 0 i + 2 u v 2 0 ；枷( 2 2 2 ) 同样对( 2 2 1 ) 式两边分别取旋度( r o t ) ，考虑到r o t g r a d s = o ， 则( 2 2 1 ) 式变为： p 导舢= 2 r o m + 胛 ( 2 2 3 ) 令m ；胁，e 式可写为： 1 0 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文第二章瑞利面波理论分析 掣一_ u v 2 ；r o t f( 2 2 4 ) d t 。p ( 2 2 3 ) 式和( 2 2 4 ) 式右边分别为d i v f 、r o t f ，它们分别表示不同性 质的力，d i v f 表示一种膨胀力，r o t f 表示一种旋转力。式( 3 2 1 ) 描述的是一 个只有胀缩的扰动，而式( 2 2 4 ) 描述的是变形扰动。 位移向量u 和力向量f ，从场论的观点分析均可用一个合适的位移位和力位 来表示，也即任何一个向量场可以用一个标量的梯度场和一个向量位的旋度场之 和来表示，于是u 和f 可以写成： u = g r a d 9 + r o t 缈 f = g r a d 中+ r o t 缈 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 式中，9 和缈分别为位移场u 的标量位和向量位；o 和缈分别为力场f 的标量位 和向量位 另外，9 作为标量位函数，可反映介质微元的胀缩( 体膨胀) ；y 作为矢量位 函数，可反映介质微元的扭转或剪切。9 和妒均为空间位置和时间的函数。 把( 2 2 5 ) 式和( 2 2 6 ) 式分别代入( 2 2 3 ) 式和( 2 2 4 ) 式，就可以 得到用位函数形式表示的波动方程： 鸳一2 + 2 1 v 2 d p r ( 2 2 7 ) a l p 一0 2 1 p 一兰v 2 e , ：甲 ( 2 2 8 ) o t p 令 曙= 等曙= 参 式( 2 2 7 ) 和式( 2 。2 8 ) 可以写成： 万0 2 q l v 2 v 2 d p = 。 ( 2 2 9 ) 睾一咿l l ，= 甲 ( 2 2 1 0 ) 上式是在外力f 作用下，用位函数表示的弹性波波动方程式，解上述这一非 齐次方程在数学上是比较困难的。在我们讨论的问题中，不考虑外力的作用，只 考虑介质特性对波的影响，即令力位函数o = o ，缈= o ，这样式( 2 2 9 ) 和式 ( 2 2 1 0 ) 变为： 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 第二章瑞利面波理论分析 窘一哆v 2 删 ( 2 2 1 1 ) 万c 3 z g 一v l v 2 q , ；o ( 2 2 1 2 ) 这里的( 2 2 1 1 ) 式和( 2 2 1 2 ) 式实际上分别代表着纵波和横波波动方 程，式中、v s 分别为介质的纵波和横波传播速度。( 2 2 1 1 ) 式和( 2 2 1 2 ) 式为求解瑞利波波动方程的基础。 2 2 1 无限弹性体中波的类型瞻1 当弹性介质的某一局部受到扰动后，最靠近扰动源的部位先受到影响，介质 由于扰动而引起的变形，将以应力波的形式由近及远逐渐扩散到介质的各部位。 在弹性介质中运动方程建立之后，分析无界弹性介质中压缩波和剪切波。 ( 1 ) 压缩波：压缩波的动力方程进一步简化为： a 2 “ a 2 凼 a f 2 铲w a 2 3 + 2 g v 2 m p a + 2 g v 2 v p 2 + 2 g 一2 一v 。w p ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 4 ) ( 2 2 1 5 ) 令= 托i 瑟沥，且为压缩波传播的速度。压缩波传播过程中仍包含着 剪切变形，具有无旋转及质点振动方向和波传播方向一致的特点。 波动方程( 2 2 1 3 ) 式一( 2 2 1 5 ) 式表现出一个很重要的特性：如果u o 是该方程的一个解，则它对任一自变量的导数也是该方程的解。因为速度、加速 度、应变、应力、转动分量都可用位移对时间和位移对坐标的导数表示，因此都 与相应的位移按同样的方式和速度传播。 ( 2 ) 剪切波：剪切波的动力方程进一步简化为： 粤：里v 2 “( 2 2 1 6 ) 8 t p 垂；_ o r 2 v( 2 2 1 7 ) o t p 聋：鱼v 2 w( 2 2 1 8 ) 8 t p 从公式看出，剪切波具有等体积及质点振动方向和波传播方向垂直的特点。 压缩波速与剪切速度g s 有如下关系，图2 2 1 表示出巧与的关系。 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 第二章瑞利面波理论分析 k v sv 匣g = y2 霉0 - ) 对= o 一0 5 ，代入( 2 2 1 9 ) 式可分析，必有： 玑 图2 - 2 一i