物探方法-瞬态瑞雷波法

平均波速为
v Ri 2f i N x / ij
j 1 N
(6.3.8)
在同一测点对一系列频率fi求取相应 的vRi 值，就可以得到一条vR-f典线， 即频散曲线。
• 根据 (6.3.6)式，可将vR-f曲线转换 为vR-R曲线，vR-R曲线反映出该测 点介质深上的变化规律。沿测线不 同点的vR-R曲线则反映了介质沿剖 面方向上的变化特征
瞬态面波法的震源可以采用锤击、落重、爆 炸等方式。激振力较小时脉冲面波的主频率 较高。 检波器安臵在地面作为拾取介质振动的 传感器。面波勘探所用检波器频率范围很宽， 可以从数赫兹到数千赫兹。。
• 目前国内外生产的检波器类型较多， 面波测试时，可从固有频率为4.5、8、 10、15、28等检波器中选择使用，瞬 态面波一般使用固有频率较低的检波 器
(三)在工程、环境检测 与监测中的应用 深圳市中兴花园的场地为山沟填土 整平形成，测试区填埋土深大约15m。 为检测夯实效果，深圳市地质局先后 做了瑞雷波法、钻探标贯试验和33m2 大压板静载试验。
瑞雷波测试采用道间距2m，偏移距4m,32kg 重锤，1.5m高自由下落激发，记录波形经 计算机处理后获得如图 6.3-4所示频散曲 线。
* 1
(6.3.10)
其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和 F2(f)的复共扼谱。f1(t)和f2(t)的 互功率谱为
S 21 ( f ) F2 ( f ) F ( f ) F1 ( f ) F2 F1 ( f ) F2 ( f ) e
* i ( f ) * 1
(6.3.11)
n层的平均速度及相应的界面深度为vR,n 和Hn, 并且平均速度是随深度递增的，则n-1层至n层 之间的面波层速度vRi,n 的计算公式为
v Ri,n
v R ,n H n v R ,n 1 H n 1 H n H n 1
(6.3.13)
• 如果平均速度随深度增加而降低时， 则用公式
F2 ( )

f
2
(t )e
it
dt
(6.3.2)
若波从A点传播到B点，它们之间的变化
完全是频散引起的，则应有下列的关系 式
F2 ( ) F1 ( )e
i v
x R ( )
(6.3.3)
vR()是圆频率为ω的瑞雷波的相速度。
上式也可写成
F2 () F1 ()e
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假设离震 源一定距离处有一观测点A，记录到的 瑞雷波是f1(t)，根据傅里叶变换，其 频谱为
F1 ( )

f (t )e
1
it
dt
(6.3.1)
在波的前进方向上与A点相距为x 的观测
点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱 是
1 f0 2
4r0 M (1 )
(6.3.9)
其中为切变模量，为泊松比。 瞬态面波法也可以利用仪器的信 号增强功能，进行垂直叠加，以达到 增强有效信号压制干扰的目的。
瞬态法由于采用一次激发多道接收， 可将不同间距的相速度波长数据组合， 得到波速与波长关系的瑞雷波频散曲 线。与稳态法相比可大大提高工作效 率。
该曲线拐点清晰， 02m深度范围波速为260m/s, 36m波速为220m/s， 69m波速为 220m/s， 916m波速为190205m/s，
• 解释加固深度9m，影响深度16m。该场地 也进行了钻探标贯试验，013m范围内修 正后的标贯击数为14.826.8m，室内土工 试验压缩模量58MPa，内摩擦角150左右， 凝聚力36kPa左右。 • 静载试验按设计承载力1.5倍加荷，实 测承载力fK =250 kPa，变形模量34.02MPa， 换算压缩模量8.5MPa。 •
能量衰减也是一种数据处理手段，它 可以对一定时窗内的地震波进行能量 衰减控制。由于地震记录中面波能量 最强，因此增益处理以后，可以使相 对较弱的反射波、直达波等幅值减小， 使其在计算频散曲线时相关系数变小， 从而达到减少干扰的目的。
• 一般而言，增益处理后计算的频散 曲线更加平滑，且对深层目标反映 的更清楚，不利之处是这种平滑可 能会便面波勘探的分辨率降低，并 产生低频段的低速假象。
v Ri,n H n H n 1 H n H n 1 v R ,n v R ,n 1 (6.3.1`4)
• 而横波速度的测定较为复杂，鉴于 面波与横波速度近似相等，因此， 各岩、土层的面波速度换算为横波 速度 ，即可获得地层的各种动力参 数
同理，利用面波与横波速度近似相等， 还可将面波速度代入(5.2.6)式计算出 地基的固有周期以评价地基的振动特 性。 图6.3-2是在山西安太堡露天煤矿 的开挖平台上，
• VR-f或vR-曲线，即频散曲线。图 6.3-1是瑞雷波速度vR-和vR-H分布 曲线。图中 vR曲线是应用半波长转 换法绘出的，即波长为的面波速度 代表半个波长深度以上的介质中的 平均值。
四、瞬态瑞雷波资料的解释与应用
瑞雷波速度资料包含着地下介质 的结构与特性信息，在对岩、土体地 质特性的研究和工程与环境的检测与 监测中得到广泛应用。
频点很密 (频率值的变化步长很小)的速 度曲线，其含义虽然与层速度不同，但比 较各频点速度值的展布规律，可以看到速 度曲线突变处的深度往往对应于介质的界 面深度。理论和实践都表明，曲线上"之" 字型 (锯齿状)异常反映地下介质的分界 面，如图6.3-1所示。
如果把面波的平均速度曲线转换 成层速度与深度H的关系，解释结果 将更为直观。 如果速度曲线上读取的n-1层面 波平均速度及相应的界面深度分别为 vR ,n-1和Hn-1 ,
• 根据以上讨论，同一波长的瑞雷波 Nhomakorabea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x设臵 N+l个检波器,
• 我们就可以检测到Nx长度范围内瑞
雷波的传播特征。 • 对于频率为fi 的频率分量，进行 互谱分析时，计算相邻检波器记录的 相移i，则相邻道x长度内瑞雷波的 传播速度，在满足空间采样定理的条 件下，测量范围Nx内的
•
资料处理工作主要包括:对原始记录 的整理和评价，提高信号质量的处理， 面波速度的计算和结果的输出。 • 频率滤波是数据处理中最常见的处 理手段，它可以消除各种干扰。
对于浅层勘探，保留高频成分，对于较 深目的层保留低频成分。对于中等深度 勘探，要合理选择通频带，以降低干扰， 使资料质量得到改善，并最终减小对频 散曲线的影响。 切除处理可以把直达波和折射波等 部分地消除，从而保留下来较纯的面波， 切除以后可以大大改善频散曲线的计算 结果。
• 经以上对原始记录的整理和处理后， 需要确定面波速度vR。由式 (6.3.5)， 首先确定两接收点间的相位差.因此 就要对两观测点的记录作互功率谱的 分析。
如果两观测点的时域记录为f1(t)和 f2(t)，其频谱分别为F1()和F2()的 自功率谱可分别表示为：
S11 ( f ) F1 ( f ) F ( f ) * S 22 ( f ) F2 ( f ) F2 ( f )
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。
i
(6.3.4)
式中是F1()和F2 ()之间的相位差,比 较式 (6.3.3)和 (6.4.4)可知
x / vR ()
vR () 2f x / (6.3.5)
根据上式，只要知道A、B两点间的距离x和 每一频率的相位差，就可以求出每一频率的 相速度vR () . 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。

由(6.3.7)可知，频率越高，波长R越 短，勘探深度越小;反之，频率越低， 波长R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， x要大，才能测到较为正确的相位。 对于勘探较浅的高频来说，x要小。
• 根据实际经验，x 取1/3R -2R 间较为合适，即在一个波长内的采 样点数，要小于在间距x 内的采 样点数的三倍，大于在x内的采 样点数的0.5倍。这个滤波准则要 针对不同的仪器分辨率和场地的实 际情况做适当调整
* 21
(6.3.12)
上式中G(f)的模应恒为1，可通过G(f) 的实部进行相干性评价。如果在传播 过程中系统是理想的，则该频段内 G(f)的实部绝对值应接近1，若由于 干扰和系统的非线性使信号的质量下 降，G(f)实部的绝对值将下降。
• 一般选择其值大于0.8的频段计 算互功率谱。 • 求取面波在二接收点间传播的 相位差，并利用公式计算波速。 选择新的频率值并重复上述步骤 计算，得
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，其相应的波长为R R =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 可以认为是半波长深度处介质的 平均弹性性质，即勘探深度是 H=R/2=vR/2f (6.3.7)
• 检波器接收到的基本是瑞雷波的垂直 分量。瞬态冲击激发的面波可以看作 许多单频谐振的叠加，因而记录到的 波形也是谐波叠加的结果，呈脉冲型 的面波。 • 为了获得对应于不同深度的波速， 要求震源产生的频率范围要宽，
• 测试浅层时用小锤或较轻的铁块锤击 地面获得高频信号，并采用小的道间 距接收。测试深度大时则相反。 • 地震波主频f0与落重法的重块质量M 和重块底面积的半径r0的关系为:
可见互功率谱中的相位谱反映了包 含在面波中的相应单频波的相位差. 在互功率谱函数中，并非对所 有频率成分都有效，衡量某频率成 分是否有效的方法是用相干函数，
即检测面波由测点A向测点B传播时， 是否有良好的相干性。定义相干函 数
S21 ( f )S ( f ) G( f ) S11 ( f )S22 ( f )
瞬态面波法取得的工作成果。左图为随 深度变化的面波速度曲线，右图6.3-2为
面波频散曲线与地层对比图。由于界面
两侧介质的速度参数差异较大，与速 度变化曲线的对应情况很好
• • 图6.3-3是用SWS多功能面波仪，采 用落重震源探查露天煤矿开挖平台 地下老窖的工作成果。图中 • (a)为测点下平均视速度曲线; • (b)为测量排列中第一道检波点与第 二道检波点之间地层的相速度曲线;
• (c)图为测量排列中第二道检波点 与第三道检波点之间的相速度曲 线; • (d)图是测量排列中第三道与第四 道检波点之间的相速度曲线; • (e)图为测量排列中第四道与第五 道检波点之间的相速度曲线。
• 由以上速度曲线特征可以确定， 老窖位于排列中第二道与第三道 检波点之间的下方。矿方据此布 置钻孔验证，在钻孔的 27-29m深 度处探到老窖，与第三条速度曲 线的A点和B点反映的顶底板深度 相近。
• 三种试验结果对比，发现频散曲线 反映强夯复合地基的加固深度、影 响深度与钻探标贯和静载荷试验结 果一致。统计表明，瑞雷波速与标 贯试验有较好的相关性，图6.3.5是 对86个试件的统计结果，图中N63.5 为标贯击数，该相干曲线的相关系 数为 r=0.9