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工程物探方法技术研究 王运生郑州大学水利与环境学院 主要研究内容 面波勘探工程ct 声波解释地震成像 雷达成像地震折射 电法解释虚拟仪器和人工智能技术隧道超前预报 桥梁检测 工程物探发展概况 地球物理学是应用物理学方法研究地球环境的科学 地球物理勘探 简称物探 是地球物理学研究的主要内容之一 应用地球物理手段来解决工程与环境中的地质及其相关问题 是近几年来地球物理学发展的一个新的前沿领域 称之为工程物探 80年代以来 随着我国的大规模经济建设和国土整治的迫切需要 工程物探得到了迅速发展 工程物探作为一种重要的测试和监测手段 同时也得到了工程界的普遍关注 物探方法具有设备轻便 勘察速度快 投入费用少等优点 并且能对场地进行连续勘探 所生成剖面图像非常直观 能更好的了解和掌握地质构造分布情况 瞬态面波勘探 瞬态面波法广泛应用在软土地基加固效果评价 加固地基承载力的检测 以及碎石桩 粉喷桩质量检测等方面 其基本原理是在地面上产生一瞬时冲击力 由此产生一定频率范围内的瑞雷波面波 利用面波分析处理软件 可以计算出不同频率信号在介质中的传播速度 得出面波频散曲线 频散曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系 通过对频散曲线进行解释 可获得地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的面波速度 据此可以很容易计算出横波速度 进而对地基质量进行评价 面波性质 特点 与体波相比面波能量衰减很慢 在传播时具有较大能量 面波性质 特点 不同波长的面波具有不同的穿透深度 因此在地表所测得的面波速度被认为是某一深度内的平均速度 source shortwavelength longwavelength 测试方法原理 频散曲线计算方法 相位差法 利用fft算法计算两个测点信号的相位差 2n 0 2 然后用公式vr f 2 f x 求解频散曲线 f k法 利用二维fft算法对多通道地震信号变换分析 得到一条f k曲线 然而根据公式 k f vr 可得到频散曲线 f v法 计算面波信号 f v 速度谱 然后据此求取频散曲线 具有精度高和适用性强等优点 可使用两通道或者多通道仪器采集信号 f v 法基本原理 用fft求某一频率fk相关曲线t rk 根据检波距由t rk变换求得v rk不同检波距rk曲线相加得v rk曲线 根据v rk曲线最大值 求面波速度vr 根据不同频率vr即可求得频散曲线f vr f v 法应用实例 面波法对地基进行分层及强度划分 f v 法应用实例2 地基夯实效果评价地质剖面分层及强度评价 声波透射法检测原理 测试方法简单用平均波速进行分析有时会漏测严重缺陷不能有效检测较小缺陷无法确定缺陷具体位置 超声资料解释成果图 主要应用 砼 岩石弹模测试及其强度评价测试方式 孔中及孔间测量 弹性波ct 起源于医学ct computerizedtomography 应用于工程检测与地球物理勘探并取得成功 由于具有很高的成像精度 因此ct技术受到越来越多专家和用户的青睐 发展有弹性波ct 电磁波ct和电阻率ct等 其中弹性波ct应用最为广泛 根据激发方式和信号频率 弹性波ct又可分为地震波ct和超声波ct 根据输入参数和剖面成果 弹性波ct又可分为走时波速ct和频谱吸收系数ct 弹性波ct成像原理 用扇形接收方式需解算大型方程组对软件设计要求高图像显示直观明了有效检测各种缺陷 防渗墙 砼质量检测 某隧道工程需要通过二叠系灰岩地区 为了查明其裂隙发育分布情况 采用地震波ct技术对下部介质进行波速成像 成像剖面为86m 280m 从成果图中可以明显看出 岩体裂隙呈条带状分布与地层产状一致 同时局部有小溶洞发育 与地质钻探验证资料十分吻合 地质构造岩溶探测 电磁波ct 主要应用 煤田地质构造和灰岩地区溶洞探测成像方法 坑透ct 孔间ct 浅层地震成像 浅层地震反射波法是水 工 环物探方法中最重要最常用的方法之一 弹性波ct需要钻孔配合 才能完成数据采集工作 地震成像直接在地表进行测试 因此具有更重要的实际意义 然而 长期以来浅层地震基本上都是照搬石油地震中的方法技术以及理论基础 应用效果受到限制 综合运用地震勘探 信号分析 概率统计等技术 对浅层地震反射与散射信号进行联合成像研究 实现快速高精度直接成像 具有重要的学术价值和实际意义 信号反射与散射示意图 同光线一样 地震波遇到弹性分界面时会发生波的反射和透射 地震反射波法勘探通常所利用的就是界面上的反射信号 弹性波在传播过程中 当遇到地层尖断点或者异常体尺寸小于菲涅尔半径时 就会像光学中的衍射一样 这些介质性质突变点将产生波的散射 地震成像原理 首先提取出共反射点和共散射点记录 然后把记录上的反射信号和散射信号同时聚焦到它们的空间位置上 外业工作和实测记录 地震成像应用实例 目的 查明岩溶的分布范围和发育规模 地震成像应用实例2 地质构造勘探 地质雷达成像 地质雷达是一种高分辨率探测技术 可以对浅层地质问题进行详细填图 在工程地质勘探 地质灾害调查和公路工程质量检测等领域得到了广泛应用 对于土质场地而言 由于其对电磁波的吸收作用很强 探测深度受到一定的限制 应用地质雷达成像技术 可以更准确的提取雷达成像速度 提高对雷达剖面的时深转换精度 同时可以有效地消除异常体所产生双曲线现象 恢复其本来面目 地质雷达成像原理与浅层地震成像十分相似 在此不再多述 雷达成像应用实例 实测信号来源 sir examples 雷达成像应用实例2 a 隧道顶部岩层厚度探测 h t v 2 b 隧道掌子面前方地质情况预报 地震折射波法 主要应用 基岩面深度探测 地层划分解释方法 延迟时 t0 法 时间场法和波路拟合法 电测深曲线拟合解释 应用 地层划分含水层探测特点 设备简单成本底测试方便效率高要求地层界面较平缓 高密度目标相关成像原理 当扫描点位离空洞很远时 相关系数近似为零 随着扫描点位到空洞距离的缩小 相关系数逐渐增大 当扫描点位与空洞位置完全重合时 相关系数为1 目标相关成像应用实例 已知测试剖面内有一与之相垂直的水平圆柱状空洞 中心位置埋深3 5m 洞径0 3m 用目标相关算法对所测资料进行解释 图中高阻异常体位置与实际情况相一致 虚拟仪器和人工智能技术 美国ni公司最早提出了 软件就是仪器 的概念 并在这一领域始终保持着技术领先 基于计算机声卡的虚拟仪器具有成本低 携带方便 操作简单等优点 取得了较好的应用效果 现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术 是用于现场仪表设备与控制主机之间的一种开放的通信系统 人工神经网络是模仿人脑结构和功能的一种信息处理系统 它是由大量的 同时也是很简单的神经元有序地互相连接而形成的非线性动力学系统 具有逼近任意连续函数和非线性映射的能力 计算机虚拟仪器设计 基于声卡 仪器 便携式工业计算机 声卡 软件 信号 声卡 mic line a d 应用软件 仪器 笔计本电脑 软件 仪器 pda 软件 轻便 智能 lb 6孔中弹模仪 探头部分采用3个千斤顶推动刚性承压板对钻孔壁岩体施加应力 使用高精度传感器测量不同载荷条件下的应力和径向变形量 根据实测应力和变形量 应用软件将采集到的数据及时直观的表现出来 同时计算得到岩石弹性模量 外业工作与测试成果 现场总线和无线传输 core模块38kbps 1 5km45ma 3 3v 110个节点1mbps 40m5kbps 10km 新技术应用研究 人工神经网络工作原理图 首先对已知的典型样本进行反复学习然后利用学习的结果去识别未知客体 pfwd原理与测试方法 利用沿导杆自由下落重块 通过刚性圆盘对地基或者土石填料施加冲击荷载 根据荷载应力和基础变形位移 可求解动弹性模量 pfwd信号人工智能反演 信号分析与特征值提取应用人工智能技术 反演地基和堆石坝密度 含水量及压实度 评价质量 桩基锚杆智能检测 信号检测特征值提取人工智能反演 隧道地震超前预报 目前隧道地质超前预报以地震探测方法为主 同时结合工程地质调查 地质雷达探测和高密度电法等 由于观测条件的限制以及岩体内不同方向的反射及散射 从观测方式和处理方法等方面进行研究 形成了几种不同的技术 反射地震包括负视速度法 hsp tsp trt方法等 各种方法都有其发展历程和应用条件 需要分析选用 并不断改进 负视速度法工作原理 该方法的观测是在隧道侧壁打孔布置检波器和炮点 检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上 利用直达波估计岩体波速 利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置 叠前偏移散射波成像研究 桥梁检测与安全评价 随着桥梁高计的新颖和大跨径的方向发展 桥梁的检测试验技术也需要更新发展 目前 确定现有公路桥梁的实际使用状况和实际承载力显得更为迫切 借助于现代检测手段的无损检测技术 代表了桥梁检测技术的最新发展方向 研究内容和技术线路 桥梁结构静载试验 桥梁结构动载试验结构损伤整体检测方法 桥梁安全性评价 开发低成本的智能检测系统 系统有多路传感器 能