面波测试方案

基于动测仪的面波测试方案
1测试原理简介
均匀介质或分层介质在点或面振源作用下，表面波场包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV波衰减快于瑞利波，当距振源一定距离表面波场以瑞利波为主。

在大多数情况下，瑞利波能量集中在一个波长深度范围内，频率越低，波长越大，影响深度越深。

在剖面参数（剪切波速、密度、泊松比）不同分层状态下，随着波长的增加，瑞利波穿越的层数也增加，瑞利波传播速度发生变化，瑞利波传播出现频散现象，即瑞利波传播速度随频率（或波长）的变化，如图1所示，频散曲线的变化与分层参数、分层厚度等有关，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。

图1瑞利波波长与穿透深度及传播速度间关系
不同的分析方法，对测试要求也不同，目前分析方法主要有f—k分析及互相关分析（SASW）。

2、基于互谱分析测试方法
互谱分析，顾名思义就是对两道信号作互相关分析，只要有两道信号就可以得到面波的相速度随波长或频率的变化。

目前，动测仪，如RSM、FD系列，一般最多可采集四道。

这样，在互谱分析用动测仪作为采样设备是可行的。

当采用两个测点时，如图2所示，测点可按共中心方式布点，即（1）测点距、振源与最近测点距相等；（2）按测点中心线位置不变，不断增加测点距；（3）通过正反敲击来消除分层倾斜及传感器不一致性的影响。

如图3所示。

图2 两测点布置
图3 共中心测点布置
两点实测信号、互谱分析及得到的相速度随波长或频率变化，见图4，相速度表示面波在两测点间平均相速度。

(a) (b)
(c)
图4 两测点信号(a)、互谱分析(b)及相速度随波长变化(c)
当采用三个测点，如图5所示，通过对三条信号组合分析，即CH1+CH2、CH1+CH3、CH2+CH3组合，可以得到三条剖面的相速度。

见图6。

图5 三测点布置
(a) (b)
图5 三测点信号(a) 及由信号3种不同组合得到的相速度随波长变化(b)
当采用四个测点，如图6所示，通过对四条信号组合分析，即CH1+CH2、CH1+CH3、CH1+CH4、CH2+CH3、CH2+CH4、CH3+CH4组合，可以得到六条剖面的相速度。

当等间距布点，CH1+CH4与CH2+CH3对应的剖面重合，两者平均、光滑得到一条相速度曲线，见图7。

图6 四测点布置
图7 四测点信号(a) 及由信号5种不同组合得到的相速度随波长变化(b)
当得到与多个剖面的相速度速度后，就可以构筑相速度色谱图，如图8所示。

图8 由不同剖面的相速度随波长变化曲线得到相速度色谱图
3、互谱分析优缺点分析
（1） 互谱分析只要两道信号就可以分析，因而，对测试仪器要求不高，一般只要有两个
通道的仪器就可以使用，这样目前用于基桩测试、剪切波速测试、振动测试的仪器均可用于面波测试；
（2） 由于互谱分析是计算面波在两测点的相位差，这对测量传感器的相频特性一致性要
求较高，测量之前，将传感器同时放置在一个位置，根据采集的信号判断传感器的相频特性一致性；
（3） 互谱分析仅利用相位差来计算相速度，没有利用面波能量幅值，干扰信号对相位差
计算影响较大，互谱分析得到的曲线没有k f -分析光滑，不同道距、不同次结果可能相差较大，一致性较差；
（4） 测点间距越大，面波在两测点间相位差越大，这越有利于消除噪音干扰，一般测点
距D>2m,有利于结果分析；
（5） 采样时间建议取（>200）×D （us ），以保证在频率域有较高分辨率。

4、f —k 分析方法
对一定数量的测试响应信号),(t r w 作f —k 分析
∑∑-=-=∆⋅∆∆+⋅-=102/12122221
0111212211)(),()/2exp()/2exp(),(N j N j n n r j t j r j w N j in N j in k W ππω (1)
这里N 1为间隔为t ∆的时间观察点数，N 2为空间间隔为r ∆的观察点数，n 1=0，…N 1-1，n 2=0…，N 2-1。

由于在f —k 域是利用能量谱的极值来分析，为了消除几何衰减对能量分布的影响，在谱分析上乘2/1r 来校正因几何衰减导致能量损耗。

得到频率—波数域功率谱分布，由谱极值波数—频率的变化，利用关系c k =/ω得到频率—相速度或波长—相速度曲线，见图9
图9 波数—频率域谱能量及频散数据
f—k分析一般要求振源、一定数量测点布置在一条测线上，测点按等间距布置，探测深度越大，要求测点间最大的空间距离也越大（最大的波长不会超过最大的布点距离，即距振源最近点与距振源最远点距离）。

地震仪或面波仪一般有12个以上的采样通道，可用于基于f—k分析的面波测试。

但当测试仪器纪录通道有限时（如基桩动测仪）。

可采取以下两种方法对信号进行堆叠：
（1）保持振源位置不动，依次等间距移动测点，如图10所示，传感器使用的传感器使用数量视测量仪器而定，使用的通道越多，得到一定数量的响应排列所需的测量次数越少，比如，要得到12道响应排列，若采用4道采集，则试验要重复3次，然后对每次测试信号进行堆叠，见图11，而当采用2道采集，则试验要重复6次，依次类推。

采用该方法，要求振源是可重复的，即振源产生的脉冲信号，不仅频率成份相同，而且幅值也相同；
图10 振源不动，移动测点
图11 测试信号堆叠
（2） 保持测点位置不变，移动振源位置，振源距最远测点距离D n m S S )1(0-+=，这
里m n ,分别是测点布置数量及移动振源的次数。

见图12。

图12 测点不动，振源移动
5、f —k 分析优缺点
(1)
f —k 分析事实上就是分析不同能量团传播的速度，该分析利用了振幅，因而，可有效消除噪音的干扰，得到的数据一致性要高于互谱分析，见图13； (2)
f —k 分析利用幅值分析，要求测试的传感器幅频特性有较好的一致性。

信号堆叠
振源移动
图13波数—频率域谱能量及频散数据
6、面波测试有关事项
（1）传感器：在岩土工程测试中，一般采用速度型传感器，如图14a所示，这种类型的传感器结构如图14b，它是由导电弹簧线圈、质量块、磁铁、分流电阻组成，幅频及相频特性如图15所示，在共振频率附近在共振频率附近振动幅值最大，随着频率的增加，曲线趋于平坦，即，不同频率信号单位质点速度的输出电压相同，在测量过程中，尽量让测量的信号频率成分处于平坦段。

图16是CDJ-J2.5Hz 传感器幅频特性，共振频率越低，可使用的平坦段频率范围越宽。

共振频率低，相应的质量块的质量要越大，传感器越灵敏，使用结束后，应将输出短路，以避免传感器线圈烧坏。

传感器与地面应有较好的耦合。

当对高速公路水泥路面进行面波测试时，由于信号的频率较高，要求传感器有较高的频率响应，在此情况下，
要采用加速度计。

图14 速度型传感器(a) 及其结构(b) 主要能量
传播趋势
图15 速度型传感器幅频及相频特性 图16 CDJ-J2.5Hz 传感器幅频特性
（2）锤击设备，锤击可采用手锤，落锤、落重以及小型爆炸的方法，见图17，具体视勘探深度而定，一般可使用10kg~100kg 的落锤，若测量深度为30m 以内，30kg 落锤一般可以满足要求，落锤下面可采用，金属垫块、木质垫块等。

(a) (b)
图17 手锤 (a) 及落重(b)
（3） 采样设置：采样长度、采样时间间隔、滤波设置、触发通道设置。

（a ） 采样长度是影响频率分辨率的一个重要因素，可以设置长度为1K 、2K 、4K 、
8K 等，一般取1K ；
（b ） 采样时间间隔也影响频率分辨率的一个重要因素，一般建议取（>200）×D(us/w); （c ） 为了避免频率混淆，滤波设置频率应小于)2/(1t ∆，t ∆为采样时间间隔；
（d ） 触发通道设置可以视分析方法而定，当采用互谱分析（SASW ），可以用离振源
最近的采样通道作为触发通道，而对f —k 分析，为了使每次测试获取尽可能多
的响应信号及响应相对振源激振时刻的延时，一般可采用短路触发、外触发，
只有在测量仪器不具备短路触发、外触发情况下，才采用通道触发。

(i)短路触发，顾名思义就是利用短路来触发，将电缆线的内芯线与外芯线分
别与落锤（或手锤）、金属垫块相连，然后将电缆线的连接至外触发通道
（对RSM、FD等动测仪一般有标识为“EXT”），落锤后，形成短路，仪
器开始记录信号；
(ii)外触发就是在落锤旁边放置一触发传感器，要求传感器响应延时较少，触发传感器与外触发通道相连；
(iii)当测量仪器不具备短路触发、外触发情况下，可采用通道触发,就是在落锤旁边放置一触发传感器，要求传感器响应延时较少，触发传感器与可采
样通道（比如CH1、CH2、CH3或CH4）相连。

采用通道触发，由于该
通道只起时间参照作用，在f—k分析时，该信号不能参与分析。

附测试结果
夯前
夯后。