工程与环境物探(3-4章)课件

第三章浅震中的新技术新方法

随着工程勘察任务的发展，对地震勘探的要求不断提高，为了适应工程勘察任务的需要，在常规反（折）射波法的基础上又形成了一些新的方法。纵、横波测试技术瑞利面波探测地震波CT技术桩基动态无损检测第一节纵、横波速测试技术测定岩土介质的波速，计算出岩土介质的弹性参数，评价岩土介质的质量。一、动弹性参数测试原理二、波速测试方法1、震源（1）炸药类震源----以纵波成分为主；（2）垂向打击类震源----以纵波成分主；（3）定向打击类震源----以横波成分主；击板法弹簧激震法钻孔横波锤和电火花震源2、工作方法（1）地表法----测地表岩土介质的波速；

(2)单孔法和跨孔法----测深部岩土介质的波速；3、纵波、横波的识别（1）炸药类震源有利于纵波的激发，机械类震源有利于纵波的激发；（2）Vp>Vs纵波出现在记录的前部；(3)改变打击方向后，纵波不变，横波发生相位反转。三、动、静弹性参数之间的关系在评价岩体和地基的的稳定性时：动弹性参数—方便，可大量测试；静弹性参数---采集标本，室内测试；两者的性质相同，但由于测试方法不同，其数值不同。我国南方某坝基动、静弹性参数的测试结果为：经验公式南斯拉夫苏联科学院：

（适合完整的岩体）（适合破碎的岩体）（适合破碎含水的岩体）上述经验公式，可以借鉴，在一个新区工作时，最好做一定试验，建立适合本区的公式（非线性回归）。如上表：四、岩土波速的应用

不同性质的岩土介质波速不同，可通过波速评价岩体的性质。而波速测定具有经济快速和无破坏性的优点，该方法在工程勘察的各个方面得到了广泛的应用。１、划分岩土性质和岩体质量分类：0----0.5，岩土介质越松软其值越大，越坚硬致密其值越小，一般为0.2----0.3。VP/VS与σ的关系

σ00.10.20.250.30.40.5VP/VS1.411.51.631.731.872.45∞（１）当，且Ｖp较大：未风化基地（２）当，且Vp较小：主要为砂或卵石。（３）当Vp值低，而Vp/Vs值高时，表示经常处于水位以上的粘性土壤。（４）当Vp值接近水的速度（1500m/s），而Vp/Vs值高，可能表示水位以下的软粘土层。完整性系数:2、判断砂土基地的“液化”—剪切波速度法液化：砂土基地在一定的条件下（饱和水、受到震动），由原来的状态变为“粘滞流体”的过程。液化后，砂土层的抗剪强度为零，造成地基塌陷、山体滑坡等地质灾害。判断基地液化的方法：经验法；对比法。剪切波速度法：通过横波波速的测定，监测“液化”的发生。不发生“液化”时：Vs较大；发生“液化”时：Vs较小。剪切应变和波速密切相关：

Ｇ：和相应最大剪切应变等有关的常数；Ｚ：砂土层的深度；Vs：在砂土层中测得的横波波速；amax：地震时地面最大加速度；γ：为深度Ｚ以上砂土层的容重。基地不发生液化基地可能发生液化第二节瑞利面波法理论研究表明：当有震源存在时，除产生纵、横波外，还产生一种沿地表表层传播的面波（1887年英国学者瑞利发现）。传统地震勘探中是干扰波。近年来，通过对其传播特征的研究，可以实现对表层岩土介质进行分层。--瑞利面波法一、瑞利波的基本特征１、质点振动轨迹是一个椭圆；

２、频率低、速度低，是一种直达波；

３、沿自由界面分布，穿透深度约为半波长；４、在均匀介质中波速无频散；在非均匀介质中有频散。

以上特点，构成了瑞利波法的基础。稳态瑞利波法：用专门仪器（GR-810面仪），用可控频率的连续波震源。瞬态瑞利波法：用传统的地震仪，脉冲震源。二、稳态瑞利波法原理：

还可以用反演软件计算各层的层速度。三、瞬态瑞利波法原理：

这个脉冲波包含各种各种频率，由不同频率的间谐波叠加而成，可用傅氏变分离出这些间谐波，求出不同频率的间谐波的波速即可。设已分离出来频率为f的瑞利波谐波瞬态法不需专门仪器，应用面广，但数据处理复杂，原理复杂。稳态法需专门仪器，应用受限制，但数据处理简单，原理好理解。实际上，瞬态法是用数据处理过程，替代了瞬态法中的可控频率连续震源。四、应用实例第三节地震波的层析技术

是近年来发展起来的一种方法，借鉴医学上Ｘ射线断面扫描诊断的基本原理，利用大量的地震波信息进行专门的演计算，得到被测区内岩体的波速分布规律。是一种数据处理技术。透射波的层析技术反射波的层析技术折射波的层析技术

透射波的层析技术(第七次)

地震ＣＴ技术在大风垭隧道地质病害诊治中的应用

随着西部大开发战略的实施和推进,我国中、西部在铁路、油气、水利水电等领域的建设项目不断增长,特别是高速公路的建设速度和投资规模增长迅速.由于西部地区地形条件和地质构造复杂,工程地质条件较差,在工程建设施工过程中,地质病害频繁发生,这不仅给工程物探提出了不少难题,同时也为工程物探技术的应用与发展提供了广阔的空间.

昆曼公路是中国通往东南亚的重要通道,其中的元江至磨黑段是穿越哀牢山山脉的复杂地质路段,也是213国道的组成部分.大风垭隧道位于元江至磨黑高速公路253+885～Ｋ257+238段,处于哀牢山山脉当中,隧道最大埋深240ｍ,设计为分离式、双洞、单向双车行车隧道,上下行隧道相距离约50ｍ.隧道区位于布固江与元江一级分水岭,属元江水系,元江一级支流南溪河上游从区域内流过。多次地质病害的发生,严重影响了隧道的施工质量和安全,特别是2003年9月20日,下行线Ｋ255+276～+300段坍塌冒顶,发生特大泥石流,随后导致南溪河及其支流断流.据地表和洞内的水文地质调查和观测,进行病害勘查时,Ｋ255+000～+700段地表南溪河及其支流下渗水量为30.22Ｌ/ｓ,洞内排水量为22.89Ｌ/ｓ,地表水下渗量的75%从隧道排出.

勘查目的是查明隧道上覆围岩坍塌松动区和空区的位置、范围和空间分布形态;查清隧道汇水范围、补给通道和补给地段,了解隧道上覆围岩富水区的分布、南溪河及其支流地表水体与地下水的联系;探明该段隧道区域内发育的构造、断层的位置、宽度、走向、倾角等产状要素;分析病害发生的原因,并提供科学、合理的治理建议及措施.结合隧洞的工程水文地质情况综合分析,该段隧道上、下行线围岩的波速较低,速度变化范围较大.地表松散层的波速小于1.0ｋｍ/ｓ,厚度为2～6ｍ;塌方松动区围岩的波速较低,仅为0.8～1.8ｋｍ/ｓ,塌方形成裂隙最发育的松散区的波速小于0.8ｋｍ/ｓ;断裂破碎带岩体的波速较低,为0.8～2.0ｋｍ/ｓ;强-中风化岩体的波速为1.8～2.5ｋｍ/ｓ;较完整的微风化岩体的波速大于3.0ｋｍ/ｓ;上行线探测区内岩体的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占40%左右,下行线探测区内岩体的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占60%左右,沿隧道纵向速度变化较大,说明该段隧道断层、裂隙等构造比较发育。

上行线塌方松动区在Ｋ255+260～+330段附近,呈上下连通、宽约70ｍ的直立条带状。下行线塌方松动区沿交叉断裂面发育,在Ｋ255+060～+360段呈上大下小的不规则倒喇叭状;塌方、突泥、涌水在地表形成塌陷坑和裂缝,但在隧道上方150ｍ范围内的围岩中没有空区形成;下行线Ｋ255+150～+200段隧道上部围岩为两条断层面之间饱水破碎岩体和地下水运移下渗的集中区,该段围岩由于受构造影响变得软弱破碎,自稳性能变差,并饱含地下水,过高的岩体压力和水头压力使已完成的隧道支护发生变形开裂和突泥、涌水,这是病害发生的主要原因.第四节垂直地震剖面法

井口激发，井中观测，得到地震波沿垂直方向的变化，研究地下界面分布的一种地震勘探方法。特点：１、井中观测，减少了表层的干扰和吸收，信噪比、分辨率高。２、可和钻孔资料对比，解译精度高。３、和波速测定中的“单孔法”相似。４、资料处理和解释和“反射波法”相似。第五节桩基动态无损检测

随着高层、大型建筑的出现桩基础得到了广泛应用。桩基的类型：钻孔灌注桩；预制件桩；挖孔桩等。是地下隐蔽工程，都有一个质量评价的问题。桩基动态无损检测：快速检测桩基质量的物探方法。稳态振动法；瞬态振动法。一、稳态振动法（机械阻抗法）１、工作装置（测桩仪）和工作方法

观测速度导纳，作出速度导纳随频率的变化曲线：(Vc=Vc0(3600—4500m/s))２、基本原理将桩土体系看成质量、弹簧、阻尼振动体系，由弹性理论可导出速度导纳的表达式。这里给出形式推导：速度的振幅值：

所以，速度导纳曲线是周期函数，其周期为：３、应用（１）设桩的长度合格，计算ＶcVc=Vc0(3600—4500m/s)桩的强度合格。（２）设桩的强度合格，计算桩的长度L。二、瞬态动测法

１、反射波法桩的底面是一个良好的反射界面，产生反射波：

２、频率法－－计算摩擦桩的承载力三、应用实例第四章声波探测

通过探测声波在岩体内的传播特征来研究岩体性质和完整性的一种物探方法。原理同波速测试技术。不同点波速测试声波探测１、震源打击类声波发生器２、频率低高（103—106HZ）３、探测范围深浅４、分辨率低高第一节原理及工作方法一、原理二、工作方法

第二节声波探测在工程环境检测中的应用一、岩体动弹性参数的测定：二、岩体的工程地质分类在坑道、硐室等地下工程施工时，必须了解围岩岩体的稳定性，以便合理选择开挖方案和支衬方案。１、纵波的波速纵波的波速与其抗压强度成正比。２、完整性系数３、裂隙系数4、风化系数：综合参数岩体分类：5、衰减系数：声波在岩体中传播时，除波速发生变化外，振幅也发生变化。三、围岩松弛带的确定

当地下施工时，在隧道壁周围形成岩石的破碎带---围岩松弛带。形成原因：（１）应力平衡的破坏；（２）机械振动。松弛带的厚度与围岩性质和隧道形状有关。确定松弛带的厚度是施工中常见的问题。可用声波探测解决。工作方法：单孔法、双孔法（孔深１-２倍硐经）利用巷道围岩对震波的传播速度确定巷道围岩松动圈地震波在不同状态的岩层中传播的速度不同，根据这一原理，利用KDzlll4—3型便携式矿井地质探测仪，接收岩层中传播的震波信息，解析得到震波速度，分析巷道围岩持征，而后确定巷道围岩松动圈范围，进而为巷道支护提供参考依据。大同煤矿集团公司四台矿103轨道石门，其断面形状为半圆拱形，巷道高度4m，支护形式为锚喷支护。103石门2号孔第一次测试波形解析来说，检波器所接收的首波波形几乎一样，每隔0.2M孔深处检波器所检到的首波滞后时间几乎相等，说明围岩基本一致，没有松动。孔深0.0～3.0M段为第一波速区，仪器将波速判读为2．072m／ms，该区围岩没有松动；孔深3．2～4．85m段为第二波速区，仪器将波速判读为3．518m／ms，该区围岩没有松动，应力集中。这两个区相比，二区在12～20ms后仍能接收到后续波的信号，波峰、波谷明显，没有衰减。103石门5号孔第一次测试波形解析来说，检波器所接收的首波波形不完全一样，每隔0．2m孔深处检波器所检到的首波滞后时间也不完全相等，说明围岩松动情况不一致。孔深0．0～2．2m段为第一波速区，仪器将波速判读为1.746m／ms，该区围岩松动；孔深2．2～5．02m段为第二波速区，仪器将波速判读为4．697m／ms，该区围岩没有松动，应力集中。这两个区相比，后一个区在12～20ms后仍能接收到后续波的信号，波峰、波谷明显，没有衰减。103石门6号孔第一次测试波形解析来说，检波器所接收的首波波形不完全一样，每隔0．2m孔深处检波器所检到的首波滞后时间也不完全相等，说明围岩松动情况不一致。孔深0．0～0．79m段为第一波速区，仪器将波速判读为0．853m／ms，该区围岩松动，波速很小；孔深0．79～4．66m段为第二波速区，仪器将波速判读为2．153∥ms，该区围岩没有松动。这两个区相比，后一个区在12～20ms后仍能接收到后续波的信号，波峰、波谷明显，衰减不是很快。

1号至7号孔两次测试波形对比及波速解析结果见分层波速统计表2和表3。对整个断面来说，孔中岩层平均速度基本在1．9—2．3m／ms之间，为正常值，低于该波速值，说明岩层发生新的变形或松动，高于此值范围，说明受应力集中影响所致。波速发生变化的位置即为异常点，结合围岩松动发育特征，可进一步判定出各孔中松动区变化范围。异常区域如图5四、声波测井

在钻孔中进行声波测量，研究波速在钻孔剖面上的变化，对岩性进行分层。前面讲到的“单孔法”就是这种方法。这种方法观测的是折射波。

应用跨孔地震ＣＴ技术检测锚基基础断裂