瑞雷波法的发展及研究现状.doc

摘要 : 瑞雷波法是一种新兴的岩土工程地球物理勘探与测试方法 , 具有其他方法所无法比拟的优越性 , 国内外关于瑞雷波法的研究日益增多 。文中对瑞雷波法的发展与正反演等方面的研究现状进行了较详细的总结 , 并指出了该方法目前理论和 实践中存在的问题 , 对其发展前景作了展望 。关 键 词 : 瑞雷波法 ; 研究现状 ; 展望中图分类号 : p624文献标识码 : a文章编号 : 1672 - 4550 ( 2007 ) 04 - 0010 - 04rev iew on the presen t research s itua tionrayle igh w ave veloc ity m ethodhou l an2jie, ch en x ing2zhang, cu i chun2long( schoo l of environm en and r e sou rce s, sou thwest u n ive rsity of sc ience and techno logy, m ianyangof621000 , ch ina)a b stra c t: in comp a rison w ith o the r exp lo ration me thod s, th is new kind of geophysic s exp lo ra tion me thod fo r sha llow fo rm a tion s ray2leigh wave ve loc ity m ethod has m any advan tage s and mo re and mo re re searche s have been conduc ted on it. in th is p ap er, an ove rview on the p resent resea rch situa tion of r ayleigh wave ve loc ity m ethod and its d isp e rsive curves p ick up and inve rsion ana lysis have been p resen2 ted in deta il. then the p rac tica l and theo retical p roblem s still existing in r ayleigh wave exp lo ra tion and its p ro spec t a re discussed.key word s: r ayle igh wave ve loc ity m e thod; p re sen t re sea rch situa tion; p ro sp ec t真正将瑞雷波用来解决浅层工程问题 , 始于纪 70年代 。首先是美国的 f1 k1 chang等 ,瞬态激振产生的 瑞 雷波 研究 浅 部地 质问 题 ,20 世利用 并 在1 引言瑞雷波法是一种新兴的无损原位测试方法 , 集 勘探与测试为一体 , 被广泛应用于岩土工程界 。它 是利用瑞雷波的波速及其弥散特性 , 来反演地层结 构及土层参数的一种方法 。按震源产生的方式 , 分 为稳态法和瞬态法 。它们的测试原理都是依据瑞雷 波在地层中传播的机理和其固有特性 , 只是产生面 波的震源不同 1 。测试 方法 主 要有 稳态 两 道面 波 法 、 sa sw 法和 ma sw 法等 。目前常用 , 也是较先 进的方法 , 是基于 12 道或 24 道接收的 ma sw 法 。 它主要应用于工程地质勘察 、地基土检测 、地基加 固效果评价 、道路质量检测 、异常地质体的检测 、 砂土液化判别 、软弱夹层探测和滑坡调查等 2 - 5 。随着瑞雷波法的发展 , 对它的研究也取得了很 大的进展 。本文在对瑞雷波法的发展 、正 、反演研 究现状等作了详细的总结 。1973年国际地球物理勘探年会上报道了有关研究成果 , 引起地球物理学者们的注意 , 开始对瑞雷波 勘探理论 和 方 法 进 行 深 入 研 究 。 20 世 纪 80 年 代 初 , 在工程勘探方面有了突破性进展 。 1982 年日本 v ic株式会社研制出了 gr - 810 型佐藤全自动 地下勘查机 , 并在 工程 地 质勘 察的 诸 多领 域内 应 用 6 。 1983年 , stokoe ii and n aza rian 使用重锤作 为震源 , 通过频谱分析测定土层波速获得成功 , 并 提出了面波频谱分析法 (即 sa sw 法 ) , 随后应用该法开展了一系列实践和研究工作 7 - 8 。但是 , 它 测试的前提是假设接收到波的能量主要是由瑞雷波 引起的 , 因此在噪音较大的地方就不能获得可靠的 结果 。 1999年 m ille r和夏江海 ( x ia, j1) 博士等人 就提出了多道面波分析法 (即 ma sw 法 ) 。它是在多道接收的基础上 (通常为 12 道或 24 道 ) , 来反 演地层结构和剪切波速 , 可以很容易把基阶面波同 非基阶面波 、体波以及其他噪音区分开来 , 避免了2 瑞雷波法的发展与现状早期的瑞雷波法主要用来探测地球内部结构 。3 收稿日期 : 2006 - 12 - 26; 修改日期 : 2007 - 04 - 023 3 作者简介 : 侯兰杰 ( 1963 - ) ,男 , 实验师 , 本科 , 主要从事地质工程及地质资源的实验教学和科研工作 。在 sa sw 法中出现的空间假频现象 , 大大提高了勘探的精度 和效 率 9 。ma sw 法 之所 以能 方 便地 区 分出基阶面波是它采用了尽可能长的检波器接收阵 列 。较长的接收阵列必然会影响反演结果 , 如果使 用较短的接收阵列 , 又会以牺牲相速度精度和勘探 深 度 为 代 价 10 。 2003 年 , 日 本 的 ko ich i h aya sh i 等就提出了 cm pcc 分析技术 , 该技术可以成功地 解决 ma sw 法 的 缺 陷 , 提 高 了 其 精 确 度 和 分 辨 率 10 。我国瑞雷波法的工程勘探研究开始于 20 世纪80年代 。 1988年 , 吴世明等人在国内率先采用瞬 态瑞雷波法测试土层波速 , 随后又在地基处理 、道 路检测等方面开展了一系列试验研究工作 4 , 11 - 13 。1989 年 , 杨成林等人开始对瑞雷波法在第四纪地 层划分 、地基处理效果评价等方面进行研究 , 并于1993 年出版了瑞雷波勘探 一书 , 书中就瑞雷波 勘探方面的一些技术 、方法 、存在问题等进行了较 为深入的探讨 , 是目前国内少有的关于瑞雷波勘探 方面的专著 。并建立了其特征方程 , 由于只考虑了一种压缩波 ,导致特征方程有误 。 20 世纪 90 年代 , 我国的吴世 明 、夏唐代 、陈龙珠等人对饱和土中瑞雷波频散特 性进行了大量研究 , 分别建立了表面透水和不透水 15 - 18 。情况下的瑞雷波特征方程31112 特征方程求解方面的研究用于求解特征方程的方法主要有 2 种 , 解析法 和数值方法 。随着计算机技术和数值计算方法的发 展 , 用于特征方程求解频散曲线的数值计算方法得到空 前 发 展 , 提 出 了 诸 如 thom son - h a ske ll 法 、schwab - knopoff法 、矩阵法 、a bo - zena法 、 r t矩阵法等 。 我国学者凡友华针对以上方法中存在的共同缺陷 传递矩阵各元素量纲不统一的问题 , 提出了各 元素均为无量纲值的传递矩阵法 , 随后又提出了一 种快速稳定的标量传递算法 , 由于传递矩阵及各子 矩阵的元素均为无量纲值并且是实数 , 避免了同一 矩阵各元素的数量级相差较大 、出现复数运算等缺 陷 , 提高了计算的精度和稳定性 19 - 20 。同时 , 他 还对柱坐标系下对称柱面瑞雷波频散特性进行了一 系列研究 , 将 矩阵法应用于计算层状介质中轴对3 瑞雷波法研究进展1885 年 , 英国 科 学家r ayle igh 首先 在 理论 上称柱面瑞雷波的频散函数 , 得到了 6 阶 矩阵法 、5阶 矩阵法 、快速 矩阵法 3 种方法 , 很好地解决了高频数值精度丢失和溢出问题 , 提高了计算速 度 21 。 2002 年 , 他又采用了 3 个 5 阶矩阵乘积形 式的上传矢量的快速矢量传递算法 , 提高了计算的 精度和稳定性 22 。欧阳联华等对 a bo - zena算法进行了改进 , 提 出了高频时稳定的改进 a bo - zena法 , 但他只涉及 完全弹性介质 , 对 于黏 弹 性介 质还 有 待进 一步 研 究 23 。宋先海 、肖柏勋等针对 - p变换易出现假 频和端点效应的问题进行改进 , 克服了以上缺陷 , 且失真小 、可靠性大大提高 24 312 反演方面的研究瑞雷波频散曲线的求取和反演 , 是瑞雷波法的 核心 。测试方法不同 , 频散曲线的求取和反演也不相同 。稳态法对仪器设备要求高 , 它使用连续振动的激振装置产生不同频率的单频振动 , 从而在介质 中产生相同的单频简谐瑞雷波 , 每一测试频率都要 调节传感器的间距以获得同相点 , 用于求取相速度 的方法主要有目视对比同相位进行计算波速的时间 差法和利用数值计算的互相关分析法 1 。证明了瑞雷波的存在 。 20 世纪 50 年代初 , thom 2son ( 1950年 ) 、 h a ske ll ( 1953年 )等人又发现了瑞 雷波的 频 散 特 性 , 并 用 来 探 测 地 球 内 部 结 构 14 。20世纪 70 年代初 。美国的 f1 k1 chang等人 , 成 功地利用瞬态激振产生的瑞雷波来研究浅部地质问题 , 从此开始了对瑞雷波勘探理论及方法的深入研究 6 。311 正演方面的研究瑞雷波正演方面的研究主要体现在瑞雷波特征 方程的建立和求解两个方面 。特征方程是根据弹性波动理论建立起描述已知介质模型中瑞雷波速度与 波动频率及其他弹性参数之间关系的方程 。31111 特征方程建立方面的研究 层状半空间瑞雷波特征方程是在 20世纪 60 年代末期基本建立起来的 , 随后的研究主要针对特征 方程求解方法的改进 。b io t在 20 世纪 50 年代建立 了流体饱和多孔介质中波的传播理论 , 成为随后进行有关 饱 和 多 孔 介 质 波 动 理 论 各 项 研 究 的 基 础 。john1 p1 jone s ( 1961 年 ) 、 ch iang c1m 1 ( 1981 年 )等人基于 b io t的理论 , 研究了饱和 土中 的 瑞雷 波大 , 但是其理论和实践中的问题也很突出 。( 1 ) 利用正反演拟合法反演地层岩土体物理 力学参数 , 具有较高的精确度 。但目前的正演模型 大都基于不太符合生产实际的水平地层假设 。如何 建立更加符合实际的初始模型 , 减少反演工作量 , 提高反演精度 , 应是进一步研究的重点 。( 2 ) 全波列多模导波的应用研究需进一步加 强 。在含有低速软弱夹层或高波速覆盖层 (如道路 结构 )的勘探中 , 高阶面波的应用将会大大改善目 前的勘探精度和勘探效果 , 全波列多模导波的进一 步深入研究 , 将会提高勘探的精度 , 尤其是在软弱 夹层的勘探方面 。( 3 ) 由于物探方法的多解性 , 目前还无法通过 频散曲线直接进行分层定名 , 应加强这方面的试验 研究 。针对不同土层 (或不同土层组合 )波速增长变 化规律 , 通过大量深入细致的实践研究 , 寻找各种 土的频散曲线特征 , 并结合它们形成的地质条件和 地质规律 , 消除物探方法的多解性 , 建立各种频散 曲线特征库 , 真正实现利用瑞雷波法勘探分层 。( 4 ) 在现有 理 论技 术前 提 下 , 瑞 雷波 波速 与 岩土体物理力学性质之间定量关系的研究还鲜有报 导 。这种定量研究将进一步推动瑞雷波法在岩土工 程勘探中的应用 , 改善 其 作为 辅助 勘 察手 段的 地 位 , 甚至可以取代目前常规的勘探方法而成为主要 勘探手段 。总之 , 瑞雷波法是一种新兴的地球物理勘探与测 试方法 , 具有其他方法无法比拟的优越性 , 相信随着 对它研究的不断深入 , 无论是试验方法还是测试精度 方面都会得到进一步改善 , 从而部分甚至全部代替传 统的勘探方法 , 成为一种主要的勘探测试手段 。析法或窄带通滤波互相关函数法等 26 。但是 , 这些方法在利用天然地震中长周期面波时 , 根据经验 可以较精确地测量出相速度 , 而对于高频信号 , 由 于某一频率的面波传播速度主要决定于两台间的相 位变化 , 信 号 的 傅 氏 相 位 主 值 在 - , 之 间 , 故计算所得两 台的 相位 差 可能 与实 际 相差 了2的整数倍 , 从而导致相速度的计算误差 。针对 这个问题 , 胡家富等通过测量台间格林函数进行较正 , 得到了较精确的结果 27 。祁生文等也对传统的瑞雷波震相提取方法和相位 差计 算方 法 加以 改 进 , 同时强调了震相分析 , 大大提高瑞雷波相速度 提取的可靠性和稳定性 28 。宋先海 、肖柏勋等先svd 算法等 29 - 30 。后提出了 tdwl sa 反演算法和tdwl sa 反演算 法 是一 种计 算 上比 较现 实 的最 新瑞雷波频散曲线反演方法 , 由于改进和优化了正演 算法并减少了待 反演 的 层参 数 , 所 以反 演 速度 较 快 , 用该算法反演低速软弱夹层等地质结构不但具 有稳定性好 、精度高 、分辨能力强而且能自动分层 和反演地层参数 29 。313 频散曲线“之 ”字形回折的研究利用频散曲线的“之 ”字 形回 折 ,可 以 很容 易确定较弱夹层的存在 , 但目前尚不能给出精确的结果 。黄嘉 正 、关 小 平 等 曾 从 多 层 液 体 模 型 出 发 , 对“之 ”字形频散曲线进行了研究 31 - 32 。张碧星等 通过对含软弱夹层和地裂缝情况下 , 瑞雷波频散曲 线“之 ”字形回折的形成机理进行了理论分析 , 认 为多模 导 波 的 存 在 是 形 成“之 ”形 回 折 的 主 要 原 因 33 。当层状介质中出现软弱夹层时 , 实际信号 中可能包含多个模式的导波 , 而当频率处在某一模 式导波截止频率附近时 , 就会出现实际勘探工作中 所谓瑞雷波极不稳定的情况 , 即当频率出现微小的 变化时 , 瑞雷波传 播速 度和 能 量强 弱产 生 很大 差 异 , 表现在频散曲线上就会出现“之 ”字形回折 33 。 目前人们已在高阶面波和多模导波的理论和实践方 面做了一些研究 34 - 35 。但是对于低速软弱夹层等 情况下瑞雷波的传播 , 理论上还不很清楚 。全波列 多模导波的研究还需加强 , 而且层状介质中诸导波 模式的研究具有很重要的意义 。参 考 文 献杨 成 林 1 瑞 雷 波 勘 探 m 1 北 京 : 地 质 出 版 社 ,1993: 9 - 471杜正涛 , 刘丽敏 , 程 道 伟 1 瑞 雷 面 波 勘 探 技 术 在 第 四系分层方面的应用 j 11999, 23 ( 4) : 277 - 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