物探-瑞利面波勘探-文档资料

2 m
n
VP VS
,
m
VR VS
m
、k是瑞雷波衰减系数 R、f 是瑞雷波波长和频率
A 0 是任意常数
从方程可看出：当Z→∞时，Ux→0、 Uz→0，即x、z方 向的位移为0，说明传播深度有限；Ux、Uz在相位上相 差（π/2）。由此可得出结论---x、z方向合成后，R波 使介质质点沿椭圆轨迹运动，且传播深度有限。
P、S、R波速与泊松比的关系
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二、R波质点的振动
R波质点位移方程：
k1 kR 2 1m n22
kR1 z
u Ae x
0
ce 1 R1 z
sin2
f
t
x VR
uz
A02ceR1 z
k e 1 kR1 z
2
co2sf
t
x VR
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k1 kR 2 1m n22
1R21m2
C
1 m2
1 n2
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所谓频散---就是指相速度随频率而改变的现 象
瑞利波的频散特性与波场分布空间内介质的 物质成分、结构、密度、孔隙度等因素有关。 实际上，由于瑞利波的穿透深度约为一个波 长，因此，在地表测得的瑞利波波速被认为 反映小于一个波长的某一深度范围内介质的 平均弹性性质。不同的频率有不同的波长， VR的变化反映了不同深度内介质平均性质的 改变，也就是说非均匀介质中面波的频散特 性决定了进行面波勘探的可行性。
位移振幅矢量曲线
从图中还可看出，ux在(Z/λR) = 0.1～0.2之间变化符号，ux是正弦 函数，uz是余弦函数，所以当ux、uz同号时Z=0，两者合成之后形成的
质点振动轨迹为一逆时针方向转动的椭圆；不同号时，质点振动轨迹
为一顺时针转动的椭圆。
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三、R波在非均质中的频散
从地震波的频谱理论中可知．实际的波动极 少为单频波（简谐波），但较复杂的波动总可以 认为是由许多单频波的叠加。物理学上，单频波 的传播速度称为相速度V（或相位速度，常指波 峰或波谷的传播速度），各单频波叠加总振动的 极大值（或能量最大值）的传播速度称为群速度 U。在地震学中，群速度就是地层介质的速度。
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四、R波的激发能量
实验证明，当在圆形振板上作上下激振时， 激发出的R波、P波、S波的能量为：R— 67%，P—7%，S—26%。R波的能量 占总能量的2/3。
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五、R波的衰减
由于面波的波前面为高约λR的圆柱体，其波前面积 与 r 成正比，能量衰减则与 1 成正比；而体波波
r
前为半球形，波前面积正比于半径r2，能量衰减正比于 1/r。
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质点振动特点：
沿逆时针椭 圆轨迹运动 ，振幅随深 度迅速衰减 ，且衰减系 数与波长λ 成反比，说 明波长越大 传播的深度 越深。
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从图中可以看出 对于不同的介质， 瑞利波水平和垂直 位移的主要能量均 在(Z/λR) ＜1的深 度内，即认为瑞利 波的穿透深度为一 个波长、且主要能 量集中在λR/2的 范围内。
根据震源信号的特点不同，瑞利波勘探分为稳态法和瞬 态法两种。
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一、稳态法测试
稳态振动法用稳态震源实测地层的瑞利波频散曲 线，并按反算方法求地层剪切波速度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ14
在均匀介质中，不同频率成分的面波 相速度相同，因此相速度等于群速度，即 VR与频率无关，因而实测得到的波速就是 介质的波速。
而对于非均匀介质，由于面波的相速 度与频率（或波长）有关，因此不同频率 的单频面波都按自已的相速度传播，于是 各分振动的相位差随波的传播而改变，从 而导致由分振动叠加的速度不等于相速度， 即为频散。
即面波按r-1衰减，体波按r-2衰减。面波比体 波传播的更远！
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§4-2 瑞利波的勘探原理
瑞利波勘探是根据：①瑞利波传播于介质的自由表层， 只要存在波动就会有瑞雷波的存在；②在均匀介质中， 瑞利波的传播速度与频率无关，即没有频散性；③瑞利 波的频散特征主要取决于剪切波速度及各层厚度； ④瑞 利波的波长与勘探深度有关，传播速度接近横波速度。
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表面波法的提出
传统岩土勘察的S波测试试验中需在地层中钻孔，并且在 软弱土层中还应下套管和进行回填灌浆，工期较长，费 用较高；
在浅部测点试验中，信号易受干扰；波传播路径复杂， 致使测试结果不便应用；
另一方面，地震勘测中的折射波法和反射法虽然不需钻 孔，但它们在测定S波速度时也有如下缺陷:
在地面上接收地层界面反射波或折射波，易受环境和R波的干扰， 折射波法要求待测地层中波速沿深度递增，而软弱夹层往往又 是工程勘测中的主要任务，显然此法不能满足这种要求。
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瑞利波勘探的理论依据
在分层介质中R波具有频散特性 R波的波长不同，穿透深度也不同 R波的传播速度与S波的传播速度具相
关性
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R波法可解决的浅层地质问题
1. 工程地质勘察—分层 2. 地基加固处理效果评价 3. 岩土物理力学参数原位测试 4. 地下空洞及掩埋物探测 5. 公路、机场跑道质量无损检测 6. 饱和砂土层的液化判别 7. 其它方面：基岩完整性评价、滑坡调查、
堤坝危险性预测、桩基入土深度探测等
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R波法与其它波动法的对比特点
浅层分辨率高----可确定厘米级裂隙； 不受地层波阻抗关系的影响。R波只要求地层有
速度差异，波阻抗相同也能精确分辨； 建筑场地波速测试无需钻孔测试效率高，而且能
够较可靠地测定浅层的波速。但R波法也存在试 验场地较大，深层测试结果精度不如跨孔法等缺 陷； 测试深度浅。
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§4-1 瑞利波的波场特征
一、R波的传播速度
VR0.817 1.12•VS
VR/Vs
0.95
0.88 0 0.1
σ 0.5
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瑞利面波波速的3个 特点：
（l）在相同介质中，纵 波波速最快，横波次之， 瑞利波最慢 （2）VR与Vs呈近似线 性关系 （3）VR与频率 f 无关， 表明在均匀介质中面波 无频散现象。
第四章
瑞利面波勘探
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本章内容要点
了解瑞利波的波场特征 掌握面波勘探的基本原理 了解瑞利面波勘探的工作方法 掌握面波频散曲线的特征 了解资料处理过程及掌握解释方法 掌握面波勘探在工程方面的应用
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瑞利波法的发展历程
1887年由英国学者Rayleigh在理论上确定 20世纪50年代发现R波的频散特征 60年代起计算机应用于R波的频散研究 70年代出现人工激发瞬态R波法勘探(美国) 80年代初出现稳态R波法勘探（日本） 87年起我国开始R波法的试验研究