瞬态瑞雷波勘探技术

瞬态瑞雷波勘探技术瑞雷波勘探方法是近年来发展起来的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷波速度同剪切波速度及岩、土力学参数有着密切的关系，因此在岩、土工程和地基处理方面得到广泛的应用。从方法上讲，瑞雷波勘探有频率域观测的稳态法和时间域观测的瞬态法两种。稳态法应用时间较长，方法技术也较为成熟，但缺点是设备笨重，不利于提高效率。瞬态法则具有轻便、快捷效率高的特点。所用的采集系统就是地震勘探数据采集系统。因此很快受到人们的普遍重视。有关面波的形成及传播特点、面波的频散现象已在第一章作过讨论，下面仅介绍瞬态瑞雷波勘探原理、数据采集、处理及在工程勘测中的应用。一、瞬态瑞雷波勘探原理瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。假设离震源一定距离处有一观测点A，记录到的瑞雷波是f(t)，根据傅里叶变换，其频谱为在波的前进方向上与A点相距为Dx的观测点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱是若波从A点传播到B点，它们之间的变化完全是由频散引起的，则应有下列的关系式vR(w)是圆频率为w的瑞雷波的相速度。上式也可写成式中j是F2(w)和F1(w)之间的相位差。比较式(6.3.3)和(6.4.4)可知即根据上式，只要知道A、B两点间的距离Dx和每一频率的相位差，就可以求出每一频率的相速度vR(w)。为得到勘探点的频散曲线，需要对两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相干函数的目的是对记录信号的各个频率成分的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。作互功率谱的目的是利用互功率谱的相位特性求出这两个观察点在各个不同频率时的相位差，再利用(6.3.5)式求出相速度。当我们已知频率为f的瑞雷波速度vR后，其相应的波长lR为lR=vR/f(6.3.6)瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度大体在一个波长深度范围内，由半波长理论，所测量的瑞雷波的平均波速vR可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度是H=lR/2=vR/2f(6.3.7)由(6.3.7)可知，频率越高，波长lR越短，勘探深度越小;反之，频率越低，波长lR越长，勘探深度越大。因此两个观测点之间的距离也要随着波长的改变而改变。对于勘探较深的低频而言，Dx要大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，Dx要小。根据实际经验，Dx取1/3lR-2lR间较为合适，即在一个波长内的采样点数，要小于在间距Dx内的采样点数的三倍，大于在Dx内的采样点数的0.5倍。根据以上讨论，同一波长的瑞雷波传播特征反映了地质体水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波传播特性反映了不同深度地质体的变化情况实际工作中，为了提高效率。瑞雷波勘探时，在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距Dx设置N+l个检波器，我们就可以检测到NDx长度范围内瑞雷波的传播特征。挡对于频率沿为末f跌i笔的频率分誉量，进行破互谱分析暖时，计算蜘相邻检波紫器记录的且相移浸j谦i柄，则相邻坝道敲D祝x防长度内瑞析雷波的传架播速度，个在满足空掘间采样定拐理的条件驱下，测量荒范佛围企N斩D掩x近内的平均券波速为危在同一测木点对一系肌列频绘率胃f珍i榜求取相应窝的销v裁Ri比值，就可务以得到一女条婶v读R郊-掘f映典线，即筋频散曲线霜。才根摊据户(6.归3.6遍)跟式，可形将退v两R气-爱f斗曲线转换妹为竹v踩R田-霜l努R舰曲线混，封v标R余-屿l独R蒸曲线反映粗出该测点专介质深上旷的变化规截律。沿测里线不同点海的烧v彻R屠-锋l刺R氧曲线则反留映了介质漆沿剖面方董向上的变痰化特征。毙廉炼二、瞬态征瑞雷波法带资料采集寇系统体息幸瞬态面波纽法的震源止可以采用南锤击、落符重、爆炸隆等方式。夫激振力较欠小时脉冲笔面波的主检频率较高酱。渣业滤检波器安抢置在地面拘作为拾取虏介质振动搞的传感器摔。面波勘券探所用检上波器频率喊范围很宽南，可以从弯数赫兹到艳数千赫兹名。目前国令内外生产疯的检波器冷类型较多峰，面波测丈试时，可稀从固有频柿率刊为骨4.白5葬、吨8证、接1茫0泻、瓜1织5叉、想2筝8梳等检波器通中选择使纪用，瞬态五面波一般顾使用固有愧频率较低晕的检波器瑞。锻检波器接该收到的基翅本是瑞雷不波的垂直师分量。瞬厨态冲击激煮发的面波洒可以看作垦许多单频扑谐振的叠着加，因而超记录到的身波形也是轮谐波叠加膜的结果，值呈脉冲型致的面波。裹难胀为了获得坝对应于不途同深度的霜波速，要根求震源产鄙生的频率故范围要宽痰，测试浅型层时用小搁锤或较轻匀的铁块锤炕击地面获初得高频信邀号，并采盾用小的道君间距接收凉。测试深蚊度大时则伟相反。书地震波主盲频敲f余0舅与落重法但的重块质孝量木M蜡和重块底颜面积的半顺径贯r拌0乱的关系为慧其中皱m离为切变模他量，洽s帮为泊松比译。翻渠观瞬态面波稀法也可以将利用仪器喝的信号增灯强功能，悄进行垂直令叠加，以旬达到增强改有效信号瓣压制干扰拒的目的。深执仪瞬态法由屋于采用一沉次激发多稍道接收，订可将不同箱间距的相创速度波长毁数据组合悲，得到波灯速与波长肝关系的瑞为雷波频散浑曲线。与蜓稳态法相巡比可大大饮提高工作滔效率。百茂仍三、瞬态瞧瑞雷波法仍资料处理校怒痕资料处理克工作主要夫包份括浅:忙对原始记末录的整理轧和评价，淋提高信号诚质量的处富理，面波皂速度的计睡算和结果垃的输出。写稍月频率滤波趋是数据处参理中最常裂见的处理读手段，它畏可以消除厉各种干扰慧。面波勘勤探中，我小们希望滤辅波处理不药改变数据职的相位特弦性，即在吧理想情况粮下用零相絮位滤波器升，并通过坛选取合适再的通频带讯，尽可能建保留所需婶的频率成帜分。铅肿担对于浅层后勘探，保缩留高频成宜分，对于渣较深目的召层保留低才频成分。坊对于中等健深度勘探花，要合理理选择通频价带，以降盏低干扰，明使资料质押量得到改希善，并最烧终减小对烟频散曲线搅的影响。防胁毒切除处理专可以把直译达波和折例射波等部覆分地消除瘦，从而保喷留下来较腥纯的面波估，切除以乓后可以大占大改善频阿散曲线的放计算结果骨。杨现扮能量衰拴减难磨(蜘增益处员理求)淘也是一种购数据处理难手段，它冬可以对一华定时窗内字的地震波奋进行能量呜衰减控制沃。由于地修震记录中弦面波能量猪最强，因晕此增益处峡理以后，版可以使相焰对较弱的岩反射波、古直达波等盘幅值减小两，使其在葱计算频散开曲线时相证关系数变扣小，从而扒达到减少敲干扰的目脆的。夹一般而言岁，增益处送理后计算暖的频散曲部线更加平兔滑，且对某深层目标居反映的更孔清楚，不粮利之处是失这种平滑尚可能会便功面波勘探倡的分辨率耐降低，并青产生低频近段的低速吧假象。诉翠值经以上对欢原始记录龙的整理和滋处理后，状需要确定脑面波速番度问v优R虹。由垂式企(6.竹3.5股)培，首先确仙定两接收遗点间的相瞧位差语j饮.魄因此就要挑对两观测潜点的记录博作互功率封谱的分析搏。就款梅如果两观哨测点的时挽域记录盆为拨f矿1犁(t血)无和应f坐2恳(t运)嚷，其频谱姥分别申为灭F宅1肿(惩w闲)面和路F凯2妙(类w荡)风的自功率贼谱可分别谣表示为铸袭凭其中抚的郑F镰1度*博(f岛)硬和践F阴2永*杯(f挠)艇为也F通1趟(f翻)北和冶F孙2架(f逢)晶的复共扼述谱尽。滩F究1暂(t号)延和脊f惭2舍(t盛)雕的互功率藏谱为充录享可见互功态率谱中的桑相位谱反存映了包含女在面波中土的相应单判频波的相稼位差在互前功率谱函怕数中，并漏非对所有嗓频率成分稼都有效，驳衡量某频错率成分是煮否有效的倒方法是用抽相干函数彼，即检测樱面波由测梅点误A佩向测额点动B蹈传播时，胃是否有良逗好的相干欠性。定义呼相干函数柳上式德中故G(f背)庄的模应恒裹为出1阀，可通阔过滨G(f裕)锯的实部进喜行相干性删评价。如肉果在传播匹过程中系究统是理想霜的，则该额频段冒内阻G(f禾)渣的实部绝兔对值应接颈近竿1员，若由于仪干扰和系辽统的非线淘性使信号回的质量下瞒降泊，隔G(f追)绞实部的绝靠对值将下尝降。一般辆选择其值匹大阴于易0.熊8笛的频段计界算互功率便谱。锯求取面波叹在二接收盗点间传播掠的相位差旬，并利用阿公式计算极波速。选裹择新的频壁率值并重玉复上述步顾骤计算，玻得呼v严R娃-差f沉或歪v龄R朋-览l餐曲线，即习频散曲线谜。吊图央6.3-饥1嫂是瑞雷波晶速咏度土v辟R罪-碰l胳和雷v熄R牢-拣H拔分布曲线凝。图栗中榨v吵R辽曲线是应美用半波长占转换法绘劳出的，即泥波长为膀l齐的面波速笼度代表半以个波长深斜度以上的方介质中的摆平均值。抱阅之四、瞬态康瑞雷波资樱料的解释世与应用质蹦机瑞雷波速绝度资料包存含着地下焦介质的结铲构与特性先信息，在谢对岩、土汗体地质特把性的研究尸和工程与岁环境的检拾测与监测垂中得到广摆泛应用。土搞(拼一破)刑频散曲线熊的解释及芦层速度的国计算惧娘饮频点很锯密毛澡(是频率值的垫变化步长防很瓦小验)脾的速度曲袭线，其含竟义虽然与政层速度不独同，但比泊较各频点减速度值的姜展布规律可，可以看须到速度曲较线突变处菌的深度往垂往对应于包介质的界翼面深度。鱼理论和实削践都表明情，曲线第上窃"闷之情"下字圆型堂第(围锯齿差状则)垄异常反映坐地下介质暴的分界面稍，如盆图闹6.3-武1怖所示。冷谦子如果把面仔波的平均赤速度曲线醋转换成层泊速度与深蠢度陆H迹的关系，狮解释结果圆将更为直锹观。当然陈解释的过雷程需要尽伶可能全面驰掌握测试慌场地的各悲种资料，途特别是钻饭孔资料和绳基本的地咐质结构及刑岩、土性迈质。对多迟个测点综拘合对比，天并考虑它洒们之间的礼相关性。猪计算层速仓度时一般湾按由浅至那深的顺序报迸行。肌野文如果速度喉曲线上读候取球的致n-扒1券层面波平僚均速度及丢相应的界齿面深度分喉别伐为礼v熄R,n-净1咱和弯H兰n-1仓,只第委n秘层的平均洞速度及相赔应的界面技深度津为劳v岔R,n裳和锤H怕n古,父并且平均足速度是随味深度递增孙的，堆则愉n-聚1恒层阀至依n犁层之间的碧面波层速炕度验v掀Ri,n勒的计算公跪式为钱如果平均典速度随深篇度增加而哭降低时，夫则用公式计算。昆而横波速棚度的测定恐较为复杂篇，鉴于面裳波与横波为速度近似蹄相等，因欢此，随着菊面波测试稿技术的普趴及，由各悲岩、土层圾的面波速险度换俗算五境诸络猫并浇察为横波速华度碌攀，即可获脸得地层的书各种动力希参数。同简理，利用邪面波与横视波速度近景似相等，她还可将面拘波速度代程入看(5.2持.6上)包式计算出的地基的固眠有周期以殃评价地基曲的振动特树性。犯鼻彩图琴6.3-冲2伟是在山西格安太堡露群天煤矿的右开挖平台陶上，采用失落重震源末瞬态面波访法取得的庆工作成果嫩。左图为小随深度变占化的面波揪速度曲线纸，右面图类6.3-刺2恒面波频散料曲线与地宗层对比竭图级,词右图为钻率孔柱状图凯。由于界更面两侧介举质的速度祸参数差异弟较大，与蚕速度变化饿曲线的对大应情况很诞好。雨桃显图奴6.3-帮3莫是将用披SW厨S蛋多功能面屠波仪，采刘用落重震六源探查露婚天煤矿开拢挖平台地镇下老窖的肠工作成果爱。图中给(a荒)萝为测点下白平均视速服度曲菌线籍;访(b漠)县为测量排特列中第一弊道检波点涝与第二道蛋检波点之月间地层的铜相速度曲湿线宏;秒(c乓)颈图为测量冻排列中第春二道检波建点与第三绿道检波点震之间的相拔速度曲荡线些;莲(d济)累图是测量丽排列中第脸三道与第录四道检波破点之间的排相速度曲眨线点;沾(e夺)露图为测量跃排列中第牵四道与第抛五道检波鸦点之间的逮相速度曲食线。痒由以上速骗度曲线特桶征可以确属定，老窖称位于排列罗中第二道派与第三道侄检波点之设间的下方芦。矿方据行此布置钻图孔验证，连在钻孔凯的跑27-炎2g菊m怕深度处探浪到老窖，糊与第三条僚速度曲线介的扎A西点托和酿B浓点反映的板顶底板深群度相近。裹伟(吼三贤)此在工程、春环境检测铲与监测中词的应用胸纷各深圳市中绍兴花园的冻场地为山附沟填土整各平形成，喘测试区填浇埋土深大批约障15湿m雨。为检测劫夯实效果携，深圳市调地质局先虎后做了瑞筒雷波法、后钻探标贯罪试验断和纱3掉´郊3m树2骄大压板静娃载试验。帐玻伐瑞雷波测冒试采用道温间浇距柄2竹m吓，偏移姻距娇4m,3腊2k妖g肤重轨锤铁1.5捧m帝高自由下毒落激发，通记录波形没经计算机驶处理后获防得如毛图倚6.3矮-柔4驶所示频散镰曲线。该付曲线拐点吨清晰塘，萝0亿~轻2堂m灭深度范围芝波速浑为恨260m隶/s,3支~如6昨m解波速害为钞220m球/供s志，支6间~串9弹m旺波速偷为迈220杨m/哨s委，丙9蜂~充16奋m车波速挥为咬190敞~未205m狮/曾s野，解释加铺固深接度终9竞m肉，影响深枕度角16投m告。旋趋言该场地也鼓进行了钻仇探标贯试恩验扣，漏0苏~熄13午m狗范围内修正正后的标奋贯击数为铅14.8熊~交26.8绳m嗓，室内土劣工试验压欠缩模五量默5慌~骡8MP菜a局，内摩擦碰角匙15叮0耗左右，凝殃聚挥力弓36kP闪a深左右。院印躺静载试验饰按设计承镰载奋力们1.奸5站倍加荷，肌实测承载鄙力菊f厅K傍=250艰kP累a房，变形模质量床34.0雪2MP棒a雀，换算压皂缩模奸量质8.5M添P峡a父。干三种试验堡结果对比贩，发现频付散曲线反眯映强夯复剃合地基的认加固深度成、影响深暑度与钻探速标贯和静饺载荷试验赠结果一致漠。吗统计表明兆，瑞雷波束速与标贯擦试验有较惧好的相关划性，图是题对泻86改个试件的乞统计结果微，图中污N台63.5杠为标贯击顿数，该相返干曲线的详相关系数素为性r=O.鸭95另。俗理论和实桶践都说明薄，地基土降密实较硬敲时，标贯看击召数唐N尚值较高，胆波速也较唤高顶;没反版之捎N臭值较低裂，琴v欲R锦也较低。践当地基土散含一定量烛的填石时暗，买N肆值离散性烦较大权，汉v题R兔代表一种立整体应。象显然当填香石太多时莲，面波法舱比标贯试殖验有更大森的优越性顶。寿由场地瑞繁雷波速与往地基承载亩力的相关士统计，发各现瑞雷波烛速与地基忘承载力也透有较好的璃相关性。确波速的高眼低反映了欣介质的固侮结致密程知度，慈图免