工程物探中的面波勘探

摘要

在天然地震中瑞雷波是一种具有危害性较大的地震波，在人工地震勘探中面波也是一种干扰波。但在工程勘探中将面波视为有效波，并且在层状介质中，面波具有频散的特性，由此特性将面波用于工程勘探中。本次主要是勘察路基的承载力，由于前期的实验发现工区的刚度系数较小，广泛分布软土，所以引用GDS 表面波测试系统(The GDS Continuous Surface Wave System,简称GDS)用稳态面波法寻找软土。

本文将从瑞雷面波理论以及GDS连续表面波测试系统着手，介绍它的在工程中的工作，即先将野外采集到的信号转换成相位，在处理时调节相位差，然后利用处理软件，根据频散特性生成深度-剪切波速度曲线。并结合本次在武广线的实习过程探讨仪器使用情况、测线布置、施测、资料的处理及解释等问题。

关键词: GDS连续表面波测试系统瑞雷波稳态面波相位相位差层速度道间距频散曲线剪切波速度波长刚度深度

目录

第1章序言

1.1论文研究的目的和意义

1.2研究与应用现状

第2章：瑞雷面波的基本理论

2.1：瑞雷波的传播特征

2.1.1:物体的弹性与弹性波

2.1.2瑞雷面波的形成和定义

2.1.3 弹性波波动方程

2.1.4均匀半空间介质瑞雷面波传播

2.2层状介质中的瑞雷面波

2.2.1固体-弹性半空间二层介质中的瑞雷面波

2.2.2面波速度、厚度频散曲线的一般绘制方法

第3章:稳态面波

3.1:瑞雷波勘探原理

3.2:野外工作方法及仪器配置

3.2.1工作布置

3.2.2：GDS连续表面系统简介及布置

3.2.3野外工作

3.3 GDS连续表面波测试系统资料处理

3.3.1系统内部自身在采集过程中对采集数据的初步处理

3.3.2室内利用随仪器配置的软件对采集的野外数据进行处理

3.4 GDS连续表面波测试系统资料解释

3.4.1解释原则

3.4.2、解释结果

第4章结论及建议

4．1结论

4.2建议

致谢

参考文献

第1章序言

1.1论文研究的目的和意义

1.1.1论文研究的目的

随着社会的大发展，交通枢纽压力越来越重，国家大力发展铁道建设铁道部决定第三次提速，将客运线和货运线分开。在铁道建设中路基至关重要，但路基的修建一般都在地形较为平坦，地下含有大量的软土影响路基的承载力所以工程中必须找出软土并解决软土对承载力的影响。在一般的工程勘探中大量引用钻探技术和静力触探技术，但是它们的经济昂贵以及速度慢，所以本次在武广线引用瑞雷面波（GDS表面波测试系统）中的稳态面波法寻找软土。

1.1.2瑞雷面波在工程方面研究意义

近十几年来，面波勘探引起工程地质界广泛的兴趣。其原因在于工程地质中传统的原位测试法需要对场地钻孔，其成本较高，也很耗时；而面波勘探能较为快速、经济地对场地进行分层，并给出每层的剪切波速度；后者对于计算地基的模量，并进而计算地基承载力、评价地基加固效果、计算地基层动液化以及地震小区划等方面是必不可少的。另一方面，面波勘探也能应用于诸如机场跑道、高速公路质量的无损检测。

1.2研究与应用现状

1.2.1国外发展现状

瑞雷面波从理论上被发现以后，人们首先从天然地震的记录证实了面波的存在。二十世纪五十年代初，人们又发现了瑞雷面波在层状介质中具有频散特性，当时Haskell首先用矩阵方法计算了层状介质中瑞雷面波的频散曲线，这是后来人们利用瑞雷面波了解地层结构的基础。于是，人们最初主要根据频散特性广泛地利用天然地震记录的瑞雷面波来研究地球内部构造，如日本的吉田满、川崎一朗就曾利用瑞雷面波频散测定了西太平洋上地幔的密度结构。2000年，Wolfgang Friedrich、Stefanie Hunzinger 等人利用多模式波场，探讨是否可用Helmholtz方程来提高地震面波对大地结构解释的精度。

二十世纪六十年代后，随着高速数字计算机广泛地应用于地球物理学的各个领域，对瑞雷面波的研究也有很大的发展，其主要标志是出现了瑞雷面波频散曲线的快速计算。大量外国学者对层状介质中瑞雷面波频散函数的计算进行了研究，提出了各种方法，其中主要有Thomson-Haskell法、Schwab-Knopoff法、 矩阵法、Abo-Zena法、RT矩阵法等。

1979年，Anas Abo-Zena对传递矩阵法进行修改，很好地解决了高频精度丢失的问题。Harvey(1981)进一步对Abo-Zena算法进行了改进，明显提高了计算

的速度。

1972年，Takeuchi和Saito还提出了数值积分的方法，他们的方法对于计算一般的层状地层模型的频散曲线比较方便，但在处理高频数值问题时具有不稳定性。

Kennett和Kerry等人提出的RT矩阵法是一种计算频散曲线的有效方法[15\22\23],该方法是建立在反射系数和透射系数基础上的,它不仅有效地解决了面波的频散曲线问题,而且还明确地解释了面波的形成机理,即相长干涉。1993年，Xiao Chen又对该方法进行了改进和提高。

这些对面波频散曲线正演计算方法的研究，对面波的实际应用起了很大的促进作用。

二十世纪六十年代，美国人提出面波的半波长解释方法，并将稳态法首先用于地基勘察。

二十世纪八十年代初，面波工程勘探有了突破性进展。

1983年，Stokoe II和Nazarian等提出所谓的面波频谱分析方法（SASW），通过分析面波的频散曲线建立近地表的S波速度剖面。随后，SASW方法得到不断的改进，并在许多工程中得到应用。

2000年，Damien M.Leslie和Brians研究了低速夹层存在时的能量传播。以往在地震勘探中，一般将地震反射记录中的导波能量看成噪声并把它丢弃，但他们研究后发现导波的主波长与低速层的物理性质存在相关关系，由此可估计低速层的厚度等特性。

总体上而言，国外在瑞雷面波正、反演理论方面的研究比较深入，比国内研究的时间要早，有很多成果值得我们去继承和发展。

1.2.2国内研究及应用现状

我国学者对瑞雷面波勘探法的研究开始于二十世纪八十年代，经过20多年的艰苦努力，国内学者在瑞雷面波的理论、工程应用、仪器研制等多方面做出了大量卓有成效的工作。

二十世纪八十年代后期，我国铁道部第四设计院（1987）和西安煤研院（1988）花巨额外汇从日本引进GR810探测系统，这对推动瑞雷面波探查技术在我国的应用起了积极作用。同时，我国也开始自行研制仪器设备并开展瑞雷面波法勘探的试验研究。

1988年，吴世明、夏唐代等人采用瑞雷面波法测试土层波速。

1989年，杨成林等人将Terralog浅震仪改装成稳态瑞雷面波勘探系统

1990年，时福荣提出用互相关法计算稳态瑞雷面波的传播速度。同年，陈云敏等用瞬态法测量机场跑道地基的剪切波速，提出用相干函数法判别信号有效