浅震中的新技术和新方法

浅震中的新技术和新方法第一节纵、横波速测试技术

及其应用一、动弹参数测试原理

根据弹性理论可得出纵波速度VP与横波速度VS

与各弹性参数之间有如下的关系式：参见P15，式（1.3.7）~（1.3.9）)这里Em称为动弹性模量(或动杨氏模量);

Gm称为动切变模量(或刚度系数)。

二、波速测试方法

1.横波的激发纵、横波速度测试的意义：测定岩土介质的动弹参数，评价岩体的稳定性。用刚度系数或剪切模量G的分布来研究动力基底结构的振动特性。

根据横波的传播特性，接收横波时，必须使检波器的最大灵敏度方向和波的传播方向垂直（也就是和振动方向保持一致）。横波是在纵波之后到达的续至波，容易受到干扰因此，在工作中应使震源的振动具有明显的方向性，以突出横波信号。击板法观测横波示意图螺旋弹簧式震源实验装置（1）击板法（2）弹簧激振法（3）爆炸式的横波震源

V型装药室的冲击力方向图（4）钻孔横波锤和电火花震源

另外，在跨孔测量中，还使用电火花震源。2.横波的接收和识别野外横波的测量即可在地面也可在井中进行。在地面的表土或露头上进行激发和接收时，如前所述，采用不同的激发方向和接收方向，可以获得横波的记录。但由于地表和地下深处岩石所处条件往往差异很大，在地表所测得的波速参数不能完全反映深处岩石的实际情况而产生较大偏差。故目前多采用钻孔中测量的方法。钻孔中测量可分为单孔法和跨孔法两类。（1）单孔法又称地震波测井或PS测井。（2）跨孔法跨孔法可以用来测量钻孔之间岩体纵、横波的传播速度、弹性模量及衰减系数等。跨孔法测量示意图（3）纵横波信号的识别首先分析机械震源和爆炸震源所产生的地震波的特征。它们主要有两个方面的差异。第一，机械震源产生的地震波，横波的信噪比较大（一般可大于10），而纵波的信噪比往往小于1。爆炸震源则正好相反，其纵波的信噪比较大（一般可大于10），横波的信噪比则只有1~2左右。因此，机械震源对识别横波有利，而爆炸震源对识别纵波有利。第二，是两者信号在频率特征上的差异。对于纵波，机械震源和爆炸震源所产生的弹性波频率相差不大；对于横波，一般爆炸震源的信号频率要比机械震源的信号频率高一些。另外，对于爆炸震源，横波的质量往往随距离的增加有所改进，这可能与速度较大的纵波衰减较快有关。右上图是在钻孔中用爆炸震源得到的纵横波记录，随着接收距离的增大，各道纵横波时差亦随之增大，这有利于横波的识别。在钻孔中用爆炸方式得到的纵波与横波记录

正反敲击横波相位倒转示意图在木板两端进行正反两次敲击，利用记录上纵、横波呈现相位倒转的特点来识别纵、横波，确定横波的到达时间。跨孔法记录纵横波的识别与横波到达时间的识别断裂带上横波能量的衰减三、动、静弹性参数之间的关系动、静弹性参数的差异；如前南斯拉夫贝尔格莱德地质地球物理研究所对灰岩作了大量的试验对比，得出的关系式为：Em表示动弹模，ES表示静弹模。并且认为对于破碎灰岩，Em/ES的比值较大（可达到5），而完整致密灰岩Em/ES1。又如前苏联较多的采用关系式为：

我国科学院地质研究所采用的经验公式为：式中a=1.3时适合完整的岩石或岩体;a=1.7时适合裂隙发育和破碎的岩体;a=2.0时适合破碎充水的岩体。四、岩土波速的应用

1、划分岩土性质和岩体质量分类采用纵、横波速度比（Vp/VS）来进行建筑场地的岩土分类（1）当Vp/VS约等于3，且纵波速度值VP较高时，说明是未风化的基岩。（2）当Vp/VS约等于3，而VP值低，主要表示是砂或卵石。（3）当VP值低，而Vp/VS高，表示经常处于水位以上的粘性土壤。（4）当VP接近于水的波速（约1500米/秒），而Vp/VS值较高时，可能表示水位以下的软粘土。横波速度一般是和物质的刚度有关，对粘质土层由于饱和水的不可压缩性使其纵波速度升高，而对横波速度则影响不大。

Vp/VS和VP与土质的关系横波速度VS对岩石进行分类：

在1989年颁布的建筑抗震设计规范中提出了用VS对建筑场地分类的标准，参见表3.1.2.

2.判别砂土基底的“液化”所谓“液化”是指砂土在一定条件下由原来的状态转变为液态的物理作用过程。如饱和水状态下的砂层受到振动力的作用之后，它的结构会发生变化，固体颗粒间接触点上的应力要降低，而其中孔隙水的压力会上升，也就是固体颗粒间的应力转移到孔隙水的压力中去了。当孔隙水压力上升到与观测点上方覆盖层的应力相等时，其固体颗粒将处于悬浮状态，此时，砂土层的抗剪强度为零，一般称之为“液化”。“液化”作用使砂土变成了粘滞流体，造成建筑物的下沉或倾斜，桥台偏移，岸坡滑动等灾害。因此，研究地基的液化问题，判断和评价饱和砂土的液化是一个非常重要的实际问题。

“剪切波速度法”（又称循环应变法）判断液化现象：基本原理：是将地基在地层力作用下产生的剪应变rc和抗液化的临界剪应变rt作对比。若：rc<rt可认为地基不会液化；

rc>rt

则地基可能液化。其中：rt是一个力学参数指标，一般为：

而rc和横波速度密切相关，一般可表示为如下关系式：第二节瑞利面波法一、瑞利波勘探的基本原理在自由界面以下均匀各向同性的弹性介质中，瑞利面波振动的水平位移分量Dx与垂直位移分量Dz可分别由下列表达式表示：

式中

KR、KP、和KS分别为瑞利波、纵波和横波的圆波数；

x和z分别为传播距离和深度;衰减系数a和b则分别和波数有关，，；B是和能量有关的常数。1.瑞利面波的质点位移特征瑞利面波的质点位移不仅与其频率、传播距离、深度有关，而且与介质的性质密切相关。下面讨论一种理想情况，当介质为理想的泊松固体时（=0.25）且在z=0的情况下，则有：式中C是一与能量及波数有关的常数。上式可化为：2.瑞利面波的传播速度和穿透深度瑞利面波的传播速度VR和横波的传播速度VS及纵波速度VP之间的关系为：V/VS瑞利波质点位移的轨迹

瑞利面波质点振动位移DX、DY与深度的关系3、瑞利面波的衰减及频散特征随着穿透深度Z的增加，瑞利波引起质点振动的水平位移DX和垂直位移DZ呈指数规律迅速衰减。在水平方向上瑞利波的波前呈圆筒状向四周扩散，其能流密度随传播距离R按1/R的规律衰减。因此，与体波相比面波的扩散衰减要慢得多，它可以传播更远的距离。在均匀各向同性介质的自由表面，瑞利波无频散；在非均匀的松散覆盖层表面，瑞利波的传播存在“频散效应”。“频散效应”是指波的传播速度及衰减系数与频率有关的特征。二、工作方法根据野外数据采集方式的不同可分为：（1）瞬态法（2）稳态法两类1.瞬态法（1）数据采集瞬态瑞利面波法工作排列示意图（2）资料处理及解释

（1）、面波的识别和提取；（2）、作频谱分析，对各道分别作功率谱和相位谱；（3）、作相关分析，计算相位差，求出各频段的面波 速度和波长；（4）、绘制离散分布曲线，对其进行反演解释。从平均速度计算各层面波速度的公式：式中Dn:第n号测点的深度；

Dn-1:第n-1号测点的深度；

:到深度Dn

为止的地层平均速度；

:到深度Dn-1为止的地层平均速度；

:Dn

至Dn-1之间的瑞利波波速。反演各层面波速度2.稳态法稳态法的工作原理是使用一套具有稳定振动频率的系列振源，用改变震源的频率来调节探测深度。三、应用实例波速与波长分布曲线及解释成果图（实例一）实例二2、软基处理调查（实例三）用面波勘探法（弹性波频率测深法）测定地基的S波速度，可以检查鉴定地基的夯实程度；评价一些滨海、滨湖填筑地随时间变化的情况；及检查灌浆前后土质地基的改良效果。A图B图3、探测地下空洞

（实例四）：当空洞位于弹性波频率测深的可能探测的深度内，并且直径大于埋深的十分之一时，用弹性波频率测深可以探测出空洞的位置。这种方法可用于检查堤防护岸及探测防空洞、矿山采空区以及溶洞等。

第三节地震波层析技术

（computertomography)

地震异常体在扇形波射线中投影示意图

一、透射波层析

1.方法原理钻孔CT测量布置示意图m.

设xj为第j个小方格的波速度的倒数(称为波的慢度)，对于每条波射线，都可以写出一个射线方程：或写成:

这里，ti是第i条射线的波到达时间，aj

是该射线在第j号方格中的长度。CT成像的数学原理AX=t或简写成上式有可能为超定(m<n)、正定(m=n)或欠定(m>n)方程。这取决于未知数x的个数m及射线n的多少。求解上述方程组就可以得到每个小方格内的波慢度值，求其倒数即可得出孔间地震波速度值的分布图。如果分别在两钻孔的不同深度激发（发射）、接收次，便可得到个射线方程，写成矩阵形式则为：应用实例介绍一、某电站坝基勘测中CT技术的应用；二、CT在某工程混凝土质量检测中的应用。

某电站坝基CT测量速度等值线图等值线间隔为200米/秒，该图表示了横穿河床底部断面的基岩速度分布情况。混凝土浇铸质量超声CT检测结果第四节垂直地震剖面法VSP观测系统及偏移VSP理论模型记录示意图AB一、VSP观测方式及原理VSP实测记录二、实测VSP剖面资料介绍第五节桩基动态无损检测法一、桩的类型介绍；桩基质量检测包括两方面的内容：质量评价与承载力的确定。二、桩基无损检测方法

桩基无损检测的方法：可分为稳态振动法和瞬态动测法。稳态振动法又称机械阻抗法（1）原理（2）稳态激振测试系统

2、瞬态动测法（1）反射波法A.原理当波遇到波阻抗界面时，将产生反射波，其反射系数为：R表示反射波与入射波的振幅比。这里是以广义的波阻抗AV替代波阻抗V，它取决于波阻抗的差异与截面积的变化。反射波旅行时与平均速度及波阻抗界面的深度l有关。波沿桩身传播产生反射波的示意图B.桩身完整性的分析与判断1）平均速度VC的利用若桩长L为已知，桩底反射清晰可辨认，反射波旅行时为t，则平均速度为VC是评价桩基完整性的一个重要指标。2）反射波至的利用若记录上有桩间、桩底反射，利用反射波旅行时可确定反射界面的深度还可以利用反射波的振幅和相位，通过综合分析，可对桩基的质量进行评价。第六节地微动观测

地基每时每刻都在作微小的振动，简称地微动，微动的幅度通常只有几微米，一般不为人体所察觉。地微动的发生源可分为自然因素和人为因素两大类，自然因素包括风、雨、海浪、火山活动等，人为因素是指工厂生产、交通运输、建筑施工等。通常将有特定振源的地微动称作振动，而将无特定振源且周期较大（大于5秒）的地微动称作脉动，脉动的分布范围广，有时在整个大陆地震观测台的记录都表现出非常相似的特点，是地质学家们感兴趣的一类微动。对于无特定振源且周期又比较短（小于5秒）的地微动称作常时微动。无特定振源不等于没有振源，远方的振源总是存在的。因为各种远方的振源的波动在传播过程中必然要携带中途介质（地基）特性的某些信息，所以观测研究地基（地表或地下）的常时微动，可以推断地基的振动特性和介质结构。说明常时微动基本性质的理论，目前有面波理论和体波理论。这两种理论都能对常时微动的地基振动特性作出理论解释。一、常时微动的测量方法

常时微动测量一般在地下、地表和建筑物中进行，下图为测量系统示意图。在地表或建筑物中测量时，应选择在没有工业及交通振源时进行，测点应平坦，以便于安置和调整（调平和对准方向）检波器。地下测量多在钻孔中进行，测量深度根据具体目的而定，检波器放在基岩面上或建筑物的持力层上。测量仪器由检波器和带有放大器、滤波器、磁带机和波形显示器的测量装置组成。检波器（用于天然地震观测时称作“拾震器”或“摆”）的选择取决于测量对象的周期范围，以及测量位置。用于常时微动观测的检波器的体积较通常地震勘探用的检波器体积大，有的为长方体，有的为圆柱体，重量从几公斤到十几公斤不等。一台检波器只

常时微动测量系统示意图1—放大器；2—示波器；3—磁带机；4—短周期检波器；5—长周期检波器；6—井中检波器围，以及测量位置。用于常时微动观测的检波器的体积较通常地震勘探用的检波器体积大，有的为长方体，有的为圆柱体，重量从几公斤到十几公斤不等。一台检波器只能测一个方向的分量，如果要在一个测点测量水平二分量（南北向、东西向）和垂直分量时需要三台检波器。用于地下测量的检波器一般采用井中三分量检波器。对常时微动的观测研究表明，在白天观测时，由于工业交通等振动的干扰，其振动形态变化复杂，且振幅较大，夜间则比较稳定。另外还与气象因素有关，当风力强气压低时，地表微动的振幅和周期会增大。因此，为了得到地基微动的可靠信息，一般应选择在夜深宁静时进行观测，同时应避开天气的影响。二、数据的处理与分析常时微动数据处理分析方法主要有两种，一是周期频度法，另一种是频谱分析法。周期频度法着眼于研究振动出现的频度，该方法是通过人工作图的方法，确定不同周期的振动在一定的时间范围内出现的次数（频度），找出频度最高（出现次数最多）的周期作为卓越周期，其对应的频率为优势频率。但随着计算机技术的迅速发展与普及，目前已很少采用周期频度法来处理微动资料，而是利用快速付氏变换求出微动信号的功率谱，根据功率谱出现的最大值，可求出微动的优势频率和相应的卓越周期。三、常时微动法的应用实践表明，常时