地球物理勘探(地震勘探3).pdf

125 圖 1 5 2 追逐時(shí)距曲線(xiàn)系統(tǒng) 5 地震折射波法 在工程地震勘探中 地震折射波法是一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的勘探方法 在精度要求不高的情 況下 它可為工程地質(zhì)提供淺層地層起伏變化和速度橫向變化資料以及潛水面的變化資料 等 還可為反射波法勘探提供用于靜校正的表層速度和低速帶起伏變化資料 有關(guān)折射波 的形成及正演時(shí)距曲線(xiàn)的特征等問(wèn)題已在本篇的第一和第二章中討論過(guò)了 在此 僅就資 料的采集和處理解釋問(wèn)題進(jìn)行論述 5 1 資料采集 5 1 1 折射波法的觀測(cè)系統(tǒng) 折射波的特殊性決定了折射波觀測(cè)系統(tǒng)與反射波觀測(cè)系統(tǒng)截然不同 根據(jù)勘探對(duì)象的 地質(zhì)特征及地表?xiàng)l件 折射波法觀測(cè)系統(tǒng)也是多樣的 1 完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) 沿測(cè)線(xiàn)方向通過(guò)連續(xù)進(jìn)行相遇時(shí)距曲線(xiàn)互換點(diǎn)的連接對(duì)比以獲得連續(xù)剖面的觀測(cè)系 統(tǒng) 稱(chēng)為完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) 根據(jù)所追蹤的界面是單層的還是多層的 完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)綜合平面圖有不同的形式 如圖 1 5 1a b 所示的觀測(cè)系統(tǒng)是追蹤單一界面和為勘探多層折射界面所采用的完整 對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) a b 圖 1 5 1 折射波法完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) a 追蹤單一界面 b 追蹤多層界面 即使是勘探同樣結(jié)構(gòu)的折射界面 觀測(cè)系統(tǒng)的形式亦可以不盡一致 如圖 1 5 2 所示 的觀測(cè)系統(tǒng)與圖 1 5 1a 有所不同 前者追逐時(shí)距曲線(xiàn)的重疊部分為后者 圖 1 5 1a 的一 半 應(yīng)特別指出的是 必須保證相遇時(shí)距曲線(xiàn)互換點(diǎn)及追逐時(shí)距曲線(xiàn)重迭部分在干涉區(qū)以 外 此外應(yīng)盡可能在觀測(cè)系統(tǒng)綜合平面 圖上給出初至區(qū)的范圍 以便設(shè)計(jì)觀察 系統(tǒng) 2 不完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) 在折射波法勘探中 不都完全采用 相遇時(shí)距曲線(xiàn)互換連接對(duì)比觀測(cè) 而且 126 也有部分地或完全用追逐時(shí)距曲線(xiàn)相似性標(biāo)志連接對(duì)比的觀測(cè)形式 我們把這種觀測(cè)系統(tǒng) 稱(chēng)為不完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) 如圖 1 5 3 所示 圖 a 是只用追逐時(shí)距曲線(xiàn)對(duì)比連接的 這種 觀測(cè)系統(tǒng)適用于條件較簡(jiǎn)單 波形穩(wěn)定的情況 圖 b 是每對(duì)相遇時(shí)距曲線(xiàn)在互換點(diǎn)處連接 而每對(duì)相遇時(shí)距曲線(xiàn)之間則利用追逐時(shí)距曲線(xiàn)連接 在利用追逐時(shí)距曲線(xiàn)系統(tǒng)時(shí) 與被追 逐時(shí)距曲線(xiàn)一起追蹤的地段長(zhǎng)度應(yīng)足夠的長(zhǎng) 一般重疊地段長(zhǎng)度為炮點(diǎn)間距的 20 30 以便可靠地確定時(shí)距曲線(xiàn)形狀 3 非縱測(cè)線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng) 根據(jù)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系 可將地震勘探測(cè)線(xiàn)分為縱測(cè)線(xiàn)和非縱測(cè)線(xiàn)兩類(lèi) 炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)在一條直線(xiàn)上 稱(chēng)為縱測(cè)線(xiàn) 前面講的兩種觀測(cè)系統(tǒng)都是縱測(cè)線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng) 炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)不在一條直線(xiàn)上 稱(chēng)為非縱測(cè)線(xiàn) 利用折射法研究鹽丘 陡構(gòu)造及斷層等特殊地質(zhì)體時(shí) 多采用非縱測(cè)線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng) 圖 1 5 4 所示的觀測(cè)系統(tǒng)是扇形排列 它是非縱測(cè)線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)的一種 多用于鹽丘勘探 因?yàn)?鹽丘的波速高于圍巖 凡經(jīng)過(guò)鹽丘的折射波到達(dá)地面觀測(cè)點(diǎn)的正常時(shí)間都比沒(méi)有經(jīng)過(guò)鹽丘 的折射波要早 即超前 根據(jù)重疊的扇形排列觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的超前 可以圈出高速波的地 質(zhì)體 a b 圖 1 5 3 不完整對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng) 圖 1 5 4 扇形觀測(cè)系統(tǒng) 5 1 2 激發(fā)與接收 1 激發(fā) 折射波的激發(fā)方式與反射波法基本一致 對(duì)于工程地震勘探而言 最常用的就是錘擊 和炸藥震源兩種 有關(guān)情況參見(jiàn)前文 2 接收 折射波的接收與反射波法相比 略有不同 主要有 觀測(cè)系統(tǒng) 折射波法不采用多次覆蓋方式進(jìn)行觀測(cè) 并且考慮到折射波的盲區(qū) 炮 點(diǎn)與接收排列之間必須有一定的偏移距 在野外采集前 可采用理論模型計(jì)算或試驗(yàn)的方 127 式求得該偏移距 也可按經(jīng)驗(yàn)公式hxd2 進(jìn)行估算 其中h為主要目的層的深度 實(shí)際觀 測(cè)時(shí) 為獲得多個(gè)界面的折射波 偏移距 d x 是一個(gè)變量 對(duì)于觀測(cè)系統(tǒng)而言 相當(dāng)于一個(gè) 大的相遇觀測(cè)再套上一個(gè)小的相遇觀測(cè)甚至再套上一個(gè)小的多重相遇觀測(cè)系統(tǒng) 道和道距 折射波法勘探中一般采用單個(gè)檢波器作為一道接收 而不搞組合檢波 其主要原因就是它不需要考慮壓制面波干擾問(wèn)題 因?yàn)槟壳八紤]的折射波僅僅只是首 波 即是最先到達(dá)的波 從理論上說(shuō)首波中包含了直達(dá)波和折射波 在采集中 我們只要 注意壓制隨機(jī)干擾并兼顧激發(fā)能量 就可獲得質(zhì)量較高的首波記錄 此外 為了不漏掉淺 層薄層信息 除了采用較高頻率的檢波器接收和注意激發(fā)頻帶寬度以及提高儀器濾波檔的 低截頻外 道距的選擇是十分重要的 一般有等間距和不等間距兩種方式 在不等間距接 收中 一般可把接收排列的道距設(shè)計(jì)成小一大一小方式 也可把它設(shè)計(jì)成小一大方式 道 距的選擇一般為 1 10m 可按勘探目的層深度 地層展布 儀器道數(shù)以及激發(fā)能量等情況 而定 5 2 資料處理解釋 這里所討論的折射波資料處理和解釋是對(duì)初至折射波而言 因此 通常情況下 首先 對(duì)地震記錄作適當(dāng)?shù)奶幚砉ぷ?如靜校正和濾波等 然后對(duì)地震記錄進(jìn)行波的對(duì)比分析 從中認(rèn)別并提取有效波的初至?xí)r間和繪制相應(yīng)的時(shí)距曲線(xiàn) 這一工作可以由人工來(lái)做 也 可以由微機(jī)自動(dòng)完成 然后根據(jù)時(shí)距曲線(xiàn)特征 選用相應(yīng)的方法進(jìn)行解釋工作 下面我們 分別簡(jiǎn)述其過(guò)程和方法技術(shù) 5 2 1 資料處理 折射波法資料處理及解釋的一般流程如圖 1 5 5 所示 圖中真正與波場(chǎng)處理有關(guān)的項(xiàng) 目是在初至拾取以前的預(yù)處理工作 后續(xù)的大部分處理工作一般稱(chēng)為解釋性處理 在預(yù)處理中 所涉及到的處理方法技術(shù)與反射波法中相應(yīng)的方法技術(shù)基本一致 除了 靜校正方法外 其它方法的目的波場(chǎng)與反射波法中有所不同 在此 主要是為突出初至折 射波 壓制其它波場(chǎng) 包括反射波 為目的的處理 對(duì)于淺層折射波法勘探而言 一次靜 校正工作仍然是十分重要的 為了不丟掉淺層信息 校正基準(zhǔn)面的選擇應(yīng)十分慎重 一般 地表起伏不大時(shí) 基準(zhǔn)面可選為水平的 當(dāng)?shù)乇砥鸱^大時(shí) 可沿著起伏變化 選擇浮動(dòng) 基準(zhǔn)面 最好是直線(xiàn)型 進(jìn)行校正 在初至拾取中 一般采用的方法是手工拾取或人機(jī)交 互式拾取 拾取的時(shí)間位置應(yīng)是初至折射波的起跳前沿 而不是極大峰值 與反射波的同 相軸拾取不同 5 2 2 資料解釋 解釋工作可分為定性解釋和定量解釋兩部分 定性解釋主要是根據(jù)已知的地質(zhì)情況和 時(shí)距曲線(xiàn)特征 判斷地下折射界面的數(shù)量及其大致的產(chǎn)狀 是否有斷層或其它局部性地質(zhì) 體的存在等 為選擇定量解釋方法提供依據(jù) 定量解釋則是根據(jù)定性解釋的結(jié)果選用相應(yīng) 的數(shù)學(xué)方法或作圖方法求取各折射界面的埋深和形態(tài)參數(shù) 有時(shí)為了得到較精確的解釋結(jié) 果 需要反復(fù)多次進(jìn)行定性和定量解釋 然后根據(jù)解釋結(jié)果構(gòu)制推斷地質(zhì)圖等成果圖件 并編寫(xiě)成果報(bào)告 128 圖 1 5 5 折射波法資料處理解釋流程框圖 在解釋方法選擇中 可分為常規(guī)解釋方法和復(fù)雜條件解釋方法兩類(lèi) 各類(lèi)中又分別包 含有各種不同的方法和不同的情況 通常當(dāng)折射界面為正常的水平或傾斜速度界面時(shí) 可 選用常規(guī)的解釋方法 若是其它一些特殊形態(tài)的地質(zhì)體和巖層 則應(yīng)選用相應(yīng)的復(fù)雜方法 進(jìn)行解釋 參見(jiàn)圖 1 5 5 各種不同情況的折射波的解釋方法 都是根據(jù)地震波的射線(xiàn)傳播原理和幾何關(guān)系得出 的 由于篇幅有限 這里不可能逐一進(jìn)行介紹 但為了對(duì)折射波解釋方法有進(jìn)一步的了解 下面將從單支時(shí)距曲線(xiàn)的解釋 相遇時(shí)距曲線(xiàn)的解釋 0 t 法 以及非縱時(shí)距曲線(xiàn)的解釋出 發(fā)進(jìn)行討論 以助對(duì)折射波解釋方法實(shí)質(zhì)的理解 5 2 2 1 常見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象的時(shí)距曲線(xiàn) 1 透鏡體和尖滅層的折射波時(shí)距曲線(xiàn) 在層狀介質(zhì)上進(jìn)行折射波法勘探時(shí) 如果發(fā)現(xiàn)時(shí)距曲線(xiàn)上有不正常的滯后段或突然的 脫節(jié) 現(xiàn)象 很可能就是存在局部性低速體 或不連續(xù)的低速層 的一種標(biāo)志 如圖 1 5 6 為一個(gè)反映低速透鏡體的折射波時(shí)距曲線(xiàn)圖 根據(jù)其相遇時(shí)距曲線(xiàn)上的 滯后 時(shí)間的異 常范圍 可大致確定此透鏡體沿測(cè)線(xiàn)分布的長(zhǎng)度 另外根據(jù) 滯后 時(shí)間 t 還可以近似 估算出透鏡體的中心厚度 H 公式為 21 2 1 2 2 23 2 3 2 2 VV VV VV VV t H 1 5 1 129 式中 t 是 滯后 時(shí)間的最大異常值 1 V 和 2 V 分別為第一層和第二層的速度值 可直 接從時(shí)距曲線(xiàn)上求得 3 V 是低速透鏡體的速度值 在計(jì)算時(shí)往往可先假設(shè)一個(gè)速度值 13 VV 必定會(huì)產(chǎn)生折射波 這時(shí)將在BC 段接收到視速度 2 VV 的折射 波 過(guò)了界面上的 A 點(diǎn)之后 進(jìn)入 3 V 介質(zhì) 由于 23 VV 折射波的出射角將隨著臨界角 的變化而改變 即 2 11 13 sin V V i 在 D 點(diǎn)以后的地段 可接收到視速度 3 VV 的折射波 且在 CD 段將產(chǎn)生交叉重疊的現(xiàn)象 在界面 A 點(diǎn)之后速度變大 則時(shí)距曲線(xiàn)的陡度較小 但其轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置不在 A 點(diǎn)的正上方 而是偏向 3 V 介質(zhì)一側(cè) 如圖 1 5 8 a 所示 此種 情況容易誤作為三層介質(zhì)進(jìn)行解釋而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果 130 圖 1 5 9 起立階梯構(gòu)造的正反向折射波時(shí)距曲線(xiàn) a b 圖 1 5 8 垂直分界面上正 反向折射波時(shí)距曲線(xiàn) 如果由于斷層等構(gòu)造形成一個(gè)階梯 式的界面 如圖 1 5 9 所示 這種時(shí)距曲 線(xiàn)的變化將更為復(fù)雜 為簡(jiǎn)便起見(jiàn) 這里 只討論在階梯界面以下介質(zhì)速度為 2 V 的 情況 這時(shí) 在角點(diǎn) A 的上方 兩側(cè)時(shí)距 曲線(xiàn)有較大的脫節(jié) 并且在 A 點(diǎn)將產(chǎn)生繞 射波 當(dāng)兩側(cè)時(shí)距曲線(xiàn)的 脫節(jié) 時(shí)間 t 清晰時(shí) 可求出階梯的高 h 當(dāng)直立階梯構(gòu)造兩側(cè)的波速不同時(shí) 則其兩側(cè)的時(shí)距曲線(xiàn)除脫節(jié)之處 還有視 速度的變化 5 2 2 2 單支時(shí)距曲線(xiàn)的解釋 我們以水平三層構(gòu)造的時(shí)距曲線(xiàn)為 主 介紹其速度和深度的求取方法 如圖 1 5 10 所示 根據(jù)直達(dá)波和折射波時(shí)距曲線(xiàn)方程 即 2 232 1 131 3 3 1 2 211 2112122 11 cos2cos2 12 cos2 V iz V iz V x T v VVz VxVizVxT VxT 2 2 322 1 2 311 3 12 12 V VVz V VVz Vx 1 5 3 上式中 1 V 2 V 和 3 V 可由各自的時(shí)距曲線(xiàn)的斜率求出 當(dāng)0 x時(shí) 有 1 2 211 1 12 V VVz 131 圖 1 5 10 水平三層構(gòu)造 2 2 322 1 2 311 2 12 12 V VVz V VVz 1 5 4 故有 2 21 11 1 1 2 VV V Z 2 32 2 1 2 311 22 1 12 2 1 VV V V VVZ Z 1 5 5 則第二層底界埋深 2 d 為 212 ZZd 1 5 6 由上述分析可見(jiàn) 在解釋時(shí) 首 先繪出時(shí)距曲線(xiàn) 并根據(jù)時(shí)距曲線(xiàn)的 變化分別求出其交叉時(shí)和速度 隨后 按 1 5 5 和 1 5 6 式求出各折射 層的底界埋深 最后按 0 t 法給出折射 界面 5 2 2 3 相遇時(shí)距曲線(xiàn)的 0 t 法 該方法又稱(chēng) 0 t 差數(shù)時(shí)距曲線(xiàn)法 是解釋折射波相遇時(shí)距曲線(xiàn)最常用的 方法之一 當(dāng)折射界面的曲率半徑比 其埋深大得多的情況下 0 t 法通常能 取得較好的效果 且具有簡(jiǎn)便快速的 優(yōu)點(diǎn) 其方法原理如圖 1 5 11 所示 設(shè) 有折射波相遇時(shí)距曲線(xiàn) S1和 S2 兩者的激發(fā)點(diǎn)分別為 O1和 O2 若在剖面上任意取一點(diǎn) D 則在兩條時(shí)距曲線(xiàn)上可分別得到其對(duì)應(yīng)的走時(shí) 1 t 和 2 t 從圖中可看出 ECDO ABDO tt tt 2 1 2 1 1 5 7 且在 O1和 O2點(diǎn) 時(shí)距曲線(xiàn) S2和 S1的走時(shí)相等 稱(chēng)之為互換時(shí) 用 T 表示 則有 21 CEOBCABO tttT 1 5 8 當(dāng)界面的曲率半徑遠(yuǎn)大于其埋深時(shí) 圖中的 BDC 可近似地看作為等腰三角形 若自 D 點(diǎn)作 BC 的垂直平分線(xiàn) DM DM 即為該點(diǎn)的界面深度 h 于是有 cos 1 iVhtt CDBD 2 22Vtgihtt BMBC 1 5 9 132 將公式 1 5 7 中的 1 t 和 2 t 相加 并減去 1 5 8 式 再將 1 5 9 式代入后可得 121 cos2VihTtt 1 5 10 式 1 5 10 便是在任意點(diǎn) D 的 0 t 值公式 由此可得到 D 點(diǎn)的折射界面法線(xiàn)深度h為 cos2 121 iVTtth 1 5 11 令Tttt 210 和 cos2 1 iVK 則式 1 5 11 可寫(xiě)為 0 tKh 1 5 12 因此只要從相遇時(shí)距曲線(xiàn)中分別求出各觀測(cè)點(diǎn)的 0 t 和 K 值 就能得出各點(diǎn)的界面深度 h 從上述公式可看出 只要從時(shí)距曲線(xiàn)上讀取 1 t 2 t 和互換時(shí) T 就可算出各點(diǎn)的 0 t 值 并可在圖上繪制相應(yīng)的 0 xt曲線(xiàn) 圖 1 5 11 b 中所示 a b 圖 1 5 11 0 t法求折射界面示意圖 關(guān)于 K 值的求取 根據(jù)斯奈爾定律可將 K 值表達(dá)式寫(xiě)成下列形式 2 cos2 2 1 2 2211 VVVViVK 1 5 13 由公式 1 5 13 可看出 只要求得波速 1 V 和 2 V 則很容易得出 K 值 其中 1 V 通常可根 據(jù)表層的直達(dá)波速度來(lái)確定 因此關(guān)鍵是 2 V 值的求取 為此引出差數(shù)時(shí)距曲線(xiàn)方程 并以 x 表示 令 Tttx 21 1 5 14 對(duì) 1 5 14 式求導(dǎo) 可得 dx xdt dx xdt dx xd 21 1 5 15 式中 dx xdt 1 和 dx xdt 1 分別為上傾方向時(shí)距曲線(xiàn) S1和下傾方向時(shí)距曲線(xiàn) S2的斜率 即視速 V 的倒數(shù) 根據(jù)傾斜界面時(shí)距曲線(xiàn)方程則有如下形式 1 2 1 1 sin sin V i dx xdt V i dx xdt 1 5 16 133 將式 1 5 16 代入 1 5 15 式 經(jīng)一些變換后可得 2 cos2 Vdx xd 1 5 17 于是可求得波速 2 V 為 cos2 2 xd dx V 1 5 18 當(dāng)折射界面傾角小于 15 時(shí) 可寫(xiě)成近似式 2 2 x x V 1 5 19 因此 只要根據(jù) 1 5 14 式在相遇時(shí)距曲線(xiàn)圖上構(gòu)制 x 曲線(xiàn) 并求取其斜率的倒 數(shù) x x 則可根據(jù) 1 5 19 式得出波速 2 V 進(jìn)而從 1 5 13 式中求得 K 值 知道了 K 值和各觀測(cè)點(diǎn)的 0 t 值之后 則可根據(jù) 1 5 12 式計(jì)算出各點(diǎn)的界面深度h 然后 以各觀測(cè)點(diǎn)為圓心 以其對(duì)應(yīng)的h為半徑畫(huà)弧 可得出如圖 1 5 11 b 中所示的一系 列圓弧 作這些圓弧的包絡(luò)線(xiàn)即為折射界面的位置 對(duì)于多層折射波時(shí)距曲線(xiàn) 三層以上 也可以通過(guò)類(lèi)似的方法 用等效層原理逐層 遞推來(lái)解釋 流程框圖中的其它常規(guī)解釋方法 哈里斯法 時(shí)間場(chǎng)法 射線(xiàn)追蹤法等 可參閱相關(guān) 教材及著述 5 2 2 4 非縱測(cè)線(xiàn)的解釋 要精確的解釋非縱觀測(cè)時(shí)距曲線(xiàn)要比解釋縱測(cè)線(xiàn)的時(shí)距曲線(xiàn)困難得多 因?yàn)樗募ぐl(fā) 點(diǎn)遠(yuǎn)離測(cè)線(xiàn) 涉及到的空間變化更大 影響因素也就更多 因此不可能提出一個(gè)較精確的 解釋方法 這里只介紹一個(gè)近似估算深度的方法 假設(shè) 有一橫測(cè)線(xiàn) AB 激發(fā)點(diǎn) O 在測(cè)線(xiàn)AB 上的投影點(diǎn)為 C OC 兩點(diǎn)的距離為r 如 圖 1 5 12 所示 若下面的界面是水平時(shí) 則在 AB 剖面上折射波時(shí)距方程有如下形式 i V h xr V tcos 21 1 022 2 1 5 20 對(duì)于不是水平的情況 則可寫(xiě)成 i V h i V h xr V t c coscos 1 11 022 2 1 5 21 a b 134 圖 1 5 12 非縱測(cè)線(xiàn)時(shí)距曲線(xiàn)的對(duì)比解釋示意圖 a 平面布設(shè)圖 b 對(duì)比解釋圖 從上述方程可知 非縱測(cè)線(xiàn)的折射波時(shí)距曲線(xiàn)為雙曲線(xiàn)形態(tài) 和反射波的時(shí)距曲線(xiàn)形 態(tài)有些相似 對(duì)于水平界面來(lái)說(shuō) 是一支對(duì)稱(chēng)于 C 點(diǎn)的雙曲線(xiàn) 如圖 1 5 12 b 中的理論曲 線(xiàn) 但是實(shí)際界面可以是任意的形狀 因此所得到的曲線(xiàn)也不可能是對(duì)稱(chēng)和光滑的 相 對(duì)于水平界面對(duì)稱(chēng)雙曲線(xiàn)有 超前 或 滯后 的變化 這種 超前 或 滯后 的時(shí)間 差 可以認(rèn)為由于界面深度的變化所致 因此可根據(jù)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)和理論曲線(xiàn)之間的時(shí)差來(lái)估 算界面深度的變化 從而繪出界面的起伏形態(tài) 具體作法是 讀出實(shí)測(cè)時(shí)距曲線(xiàn)和理論時(shí) 距曲線(xiàn)在各測(cè)點(diǎn)上的時(shí)差 i t 以時(shí)差0 i t的點(diǎn)作為 基準(zhǔn)點(diǎn) 0 i t者 實(shí)測(cè)時(shí)距曲 線(xiàn)的 理實(shí) tt 表示該點(diǎn)界面深度大于 基準(zhǔn)點(diǎn) 0500 ds 0 中硬 500 VS 250 0 dS9 中 等 中軟 250 VS 140 0 dS 3 380 軟弱場(chǎng)地 VS 140 0 dS 3 3 dS 9 980 147 還有用剪切模量和其它參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)的 目前還沒(méi)有全國(guó)性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 需要進(jìn)一步 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來(lái)逐步完善 另外 為了合理地設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)和選擇施工方案 在地質(zhì)工程中必須對(duì)圍巖的工程力 學(xué)性質(zhì)進(jìn)行正確的分類(lèi) 除了按傳統(tǒng)的地質(zhì)方法分類(lèi)外 見(jiàn)表 1 6 3 還可用地震波 或 聲波 的波速來(lái)分類(lèi) 這種方法簡(jiǎn)單易行 但是各系統(tǒng) 部門(mén)的劃分標(biāo)準(zhǔn)很不統(tǒng)一 有待 于進(jìn)一步的工作并作出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)給出工程兵某部和鐵道部門(mén)某些單位的分類(lèi)法 見(jiàn) 表 1 6 4 和表 1 6 5 以供參考 表 1 6 3 巖土地質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn) 開(kāi) 挖 面 上 巖 石 的 特 性 分類(lèi) 礫 巖 凝灰質(zhì)礫巖 砂 巖 泥 巖 1 明顯風(fēng)化 礫石與填充 物分離 呈褐色的松散 砂礫和砂土狀 裂隙在 5 厘米以下 縫 中充有砂土 懸崖和沉 積層的交界附近呈砂 礫狀 界面大多不新 鮮 巖片呈淡黃色到灰 色 比較硬 裂隙間隔在 5 厘米以 下 呈開(kāi)口狀 充有砂 土 顏色為淡褐灰色到 灰色 比較硬 裂隙間隔在 1 至 3 厘米 以下 脆弱 斷層附近 有壓碎的鱗片狀淡赤 褐色粘土 2 受到風(fēng)化呈淡褐色 用 手能取出礫石 偏率裂 隙發(fā)達(dá)的壓碎部分 裂隙間隔為 5 厘米左 右 呈開(kāi)口狀 夾有一 部分粘土和砂土 巖片 全部風(fēng)化 呈淡黃灰 色 比較堅(jiān)硬 無(wú)層理 跟泥巖成互層 狀 裂隙間隔為 5 厘米 左右 呈開(kāi)口狀 全部 風(fēng)化呈淡灰到淡褐灰 色 互層部分的泥巖脆 弱 砂巖的巖片比較硬 裂隙的間隙約為 3 至 5 厘米與砂層互層 同砂 巖層 層理發(fā)達(dá)的泥巖 沿著層理面容易剝離 一般較脆弱 1 裂隙間隔 10 至 20 厘 米 沿裂隙的廣闊范圍 與礫巖周?chē)呛稚珟?用錘敲擊 1 到 2 次就可 分離 裂隙間隔 5 至 10 厘米 左右 呈開(kāi)口狀 巖塊 全風(fēng)化呈淡黃灰色到 淡灰色 硬 裂隙間隔約 5 至 10 厘 米 呈開(kāi)口狀 沿著裂 隙有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)化 巖塊 呈淡灰色 硬 層理面和裂隙間隔約 5 至 10 厘米 沿裂隙面 風(fēng)化呈褐色帶 沿層理 面易剝離 2 裂隙間隔約 15 至 30 厘 米 沿裂隙和礫巖的周 圍部分呈淡褐色 用錘 敲擊數(shù)次礫巖可分離 裂隙間隔約 10 至 20 厘 米 裂隙部分開(kāi)口 沿 裂隙風(fēng)化有粘土存在 呈灰色 淺灰色無(wú)層理 的砂巖 裂隙間隔約 10 至 20 厘米 裂隙有部 分空隙 巖塊堅(jiān)硬 無(wú)層理的泥巖 裂隙間 隔約 10 至 20 厘米 沿 裂隙呈淡褐色 巖塊新 鮮時(shí)呈灰色 淡綠色 1 新鮮礫石呈灰色 淡 綠色 裂隙間隔約 30 至 50 厘米 裂隙間隔約 20 至 30 厘 米 在裂隙處能看到空 隙 沿裂隙稍有風(fēng)化 新鮮巖塊堅(jiān)硬 呈淡綠 色 灰色無(wú)層理的砂巖 裂 隙間隔為 20 至 30 厘 米 裂隙有一部分空 隙 新鮮巖塊堅(jiān)硬 巖相同上 為無(wú)層理狀 態(tài) 裂隙間隔約 15 至 30 厘米 新鮮巖塊堅(jiān) 硬 呈暗灰 淡灰色 2 同上幾乎一樣 裂隙間 隔約 30 厘米左右 不適用 巖質(zhì)的風(fēng)化程度與上 述大致相同 裂隙間隔 在 30 厘米以上 裂隙 較密 巖相與風(fēng)化程度同上 裂隙間隔在 30 厘米以 上 148 表 1 6 4 工程兵某部利用 P V和 K 對(duì)巖體分類(lèi)表 好的 比較好的 差 的 完整性 巖 性 性 K 質(zhì) 類(lèi) 別 VP km s 0 75 0 75 0 45 5 5 堅(jiān)硬完整巖體 1 堅(jiān)硬而比較完整的巖體 1 堅(jiān)硬而完整性差的巖體 比較堅(jiān)硬巖石 3 5 5 5 2 比較堅(jiān)硬完整 2 比較堅(jiān)硬 完整性較好的巖體 1 比較堅(jiān)硬 完整性差的巖體 軟 巖 石 1 5 3 5 3 軟巖石 完整性好的巖體 1 軟巖石 完整性 較好的巖體 軟巖石 完整性差的巖體 表 1 6 5 鐵道部門(mén)某些單位對(duì)圍巖的 VP分類(lèi)原則 圍巖類(lèi)別 VP km s 4 0 3 5 3 0 2 0 1 5 0 8 0 8 0 6 0 6 0 4 0 40 巖性及其結(jié)構(gòu) 塊狀或厚層結(jié) 構(gòu) 無(wú)夾層 節(jié) 理不發(fā)育 中厚層 少量夾 層 節(jié)理發(fā)育 薄層 多量夾 層 節(jié)理發(fā)育呈 碎裂狀 卵石土 老黃土 有斷層等影響 呈松散狀 粘土 強(qiáng)裂斷層 帶 呈松散狀 細(xì)砂斷層泥等 松散狀 6 4 3 判別地基砂土的 液化 所謂 液化 是指砂土在一定條件下由原來(lái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的物理作用過(guò)程 如飽 和水狀態(tài)下的砂層受到振動(dòng)力的作用之后 它的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化 固體顆粒間接觸點(diǎn)的應(yīng) 力要降低 而其中孔隙水的壓力會(huì)上升 也就是說(shuō)固體顆粒間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到孔隙水的壓力 中去了 當(dāng)孔隙水壓力上升到與觀測(cè)點(diǎn)上方覆蓋層的應(yīng)力相等時(shí) 其固體顆粒將處于懸浮 狀態(tài) 此時(shí) 砂土層的抗剪強(qiáng)度為零 一般稱(chēng)它為 液化 液化 作用使砂土變成了粘 滯流體 造成建筑物的下沉或傾斜 橋臺(tái)偏移 岸坡滑動(dòng)等災(zāi)害 因此 研究地基的液化 問(wèn)題 判斷和評(píng)價(jià)飽和砂土的液化是一個(gè)非常重要的實(shí)際問(wèn)題 目前判斷液化的方法大致可分為 經(jīng)驗(yàn)法 和 對(duì)比法 兩類(lèi) 剪切波速度法 又 稱(chēng)循環(huán)應(yīng)變法 是屬于對(duì)比法中的一種 其基本原理是將地基在地層力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng) 變 c r 和抗液化的臨界剪應(yīng)變 t r 作對(duì)比 若 tc rr 則地基可能液化 其中 t r 是一個(gè)力學(xué)參數(shù)指標(biāo) 一般為 102 10 22 t r 而 c r 和橫波速度密切相關(guān) 一般可表示為 149 2 max S c V za Gr 1 6 13 式中 c r 為地層力作用下砂土層中某點(diǎn)的剪應(yīng)變 G 為和相應(yīng)最大切應(yīng)變等有關(guān)常數(shù) z 為層中計(jì)算點(diǎn)的深度 VS為層中橫波速度 amax為地震時(shí)地面最大加速度 為深度 z 以上砂土層容重 其中容重可通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法求得 而常數(shù) G 也可通過(guò)試驗(yàn)取得 地面加速度值 amax對(duì)于人工地震可以通過(guò)試驗(yàn)確定 對(duì)于天然地震可以參照烈度表查出 因此只要測(cè)得 橫波速度值 VS就可算出相應(yīng)的 c r 值 從而可判斷地基液化的可能性 預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā) 生 此外 還可參照下述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)利用 VS實(shí)測(cè)值進(jìn)行飽和砂土液化的判別 1 天津 TB71 88 規(guī)范中 VS判別式 2 1 2 0133 0 ssVscri ddKV 1 6 14 式中 scri V為臨界值 s d 為飽和砂土中 S V 測(cè)點(diǎn)的深度 V K 為系數(shù) 當(dāng)烈度為 7 8 度時(shí) 分別取 42 和 60 當(dāng)實(shí)測(cè)值 scrisi VV 時(shí) 判別為液化 反之非液化 B 國(guó)家地震局工程力學(xué)所推薦的判別式 2 0 25 0 3 2 05 0 3 125 0 1 cwssVscri PdddKV 1 6 15 式中 scri V為臨界值 s d 為測(cè)點(diǎn)深度 w d 為地下水深度 c P 為砂土的粘粒含量 小于 3 時(shí)取 3 v K 為系列 烈度為 7 8 9 時(shí) 分別取 145 160 和 175 當(dāng)實(shí)測(cè) scrisi VV 時(shí) 判別為液化 反之為非液化 6 4 4 其它巖土特性參數(shù) 1 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù) 5 63 N 實(shí)測(cè) 5 63 N值的主要原理是利用鉆具鉆至試驗(yàn)土層標(biāo)高以上15cm處 放入標(biāo)準(zhǔn)貫入器 用重量為 63 5kg 的穿心錘 提升高度 76cm 自由下落將貫入器豎直打入土層中 15cm 以 后再打入 30cm 的錘擊數(shù)即是實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù) 5 63 N的值 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù) 5 63 N值的大小 主要用來(lái)判定土層的軟硬程度 工程上用 5 63 N值可確定各種土層的承載力 尤其是砂土層 不易取出原狀土樣 幾乎都是用 5 63 N值來(lái)確定承載能力 國(guó)內(nèi)外的大量試驗(yàn)研究成果表明 橫波波速 S V 與 5 63 N值的大小均反映著土層的軟硬 速度 所以?xún)烧唛g存在著良好的相關(guān)關(guān)系 根據(jù)實(shí)測(cè)的同一土層的 5 63 N和 S V 數(shù)據(jù) 經(jīng)統(tǒng) 計(jì)分析已得出的部分關(guān)系式如下 1 日本土質(zhì)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)的關(guān)系式 150 337 0 959 1 lg 10 5 63 S V N 980 n 無(wú)地質(zhì)資料估算 292 0 001 2 lg 10 5 63 S V N 183 n 沖積粘土 331 0 906 1 lg 10 5 63 S V N 151 n 沖積砂土 1 6 16 294 0 057 2 lg 10 5 63 S V N 122 n 洪積粘土 323 0 988 1 lg 10 5 63 S V N 198 n 洪積砂土 式中 n為 5 63 N和 S V 的數(shù)組數(shù)量 2 日本公路橋梁抗震設(shè)計(jì)新規(guī)程 砂土層 粘土層 50 25 333 0 9031 1 lg 10 333 0 000 2 lg 10 5 63 5 63 5 63 5 63 N N V N V N S S 1 6 17 C 國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)的部分關(guān)系式 413 0 8808 1 lg 10 5 63 S V N 武漢地區(qū)粘性土 292 0 0086 2 lg 10 5 63 S V N 下遼河平原粘土 299 0 959 1 lg 10 5 63 S V N 武漢地區(qū)砂類(lèi)土 1 6 18 40 0 8395 1 lg 10 5 63 S V N 下遼河平原砂類(lèi)土 349 0 934 1 lg 10 5 63 S V N 北京市砂類(lèi)土 3 中科院工程力學(xué)所推薦的 S V 與 5 63 N 以及與地層深度的關(guān)系式 S V 與標(biāo)準(zhǔn)貫入 5 63 N值的關(guān)系 348 0 5 63 34 85NVS 1 6 19 S V 與 5 63 N 地層深度 H 和土質(zhì)類(lèi)別的關(guān)系 礫石 礫砂 粗砂 中砂 細(xì)砂 粘土 485 1 151 1 073 1 029 1 091 1 000 1 14 62 230 0219 0 5 63 HNVS 1 6 20 151 從以上國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)的 S V 與 5 63 N的關(guān)系式中可以看出 二者服從指數(shù)相關(guān)關(guān)系 即 B ANV 5 63 不同地區(qū)或同一地區(qū)不同性質(zhì)的土層 系數(shù) A B 不同 所以 S V 與 5 63 N的相 關(guān)關(guān)系具有地區(qū)性和地層類(lèi)別的屬性 4 5 63 N的應(yīng)用 判定砂土液化 根據(jù) 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ11 89 中提出的判別式如下 cwscr PddN 3 1 09 0 10 1 6 21 式中 cr N 臨界值 s d 標(biāo)貫點(diǎn)深度 w d 地下水位深度 c P 粘粒的百分含量 當(dāng)實(shí)測(cè) 5 63 N值大于 cr N時(shí) 判為非液化 反之 液化 計(jì)算場(chǎng)地土的內(nèi)摩擦角 內(nèi)摩擦角 是反映土層抵抗剪切破壞的極限能力的指標(biāo) 當(dāng) 45 時(shí) 與 5 63 N存 在如下關(guān)系 1515 N 1 6 22 2 卓越周期 T 和地震裂度增量 I 利用地震縱橫波速度可計(jì)算地基土層的卓越周期和地震裂度增量等參數(shù) 有關(guān)詳情見(jiàn) 本篇第 9 章 152 7 瑞雷波法 瑞雷波法勘探的基本理論問(wèn)題 包括波的產(chǎn)生以及波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在本篇的 第一章中已討論 本章將從勘探方法技術(shù)角度介紹瑞雷波法勘探的有關(guān)問(wèn)題 包括應(yīng)用問(wèn) 題 瑞雷波法勘探實(shí)質(zhì)上是根據(jù)瑞雷面波傳播的頻散特性 利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生多種頻 率成分的瑞雷面波 尋找出波速隨頻率的變化關(guān)系 從而最終確定出地表巖土的瑞雷波速 度隨場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo) zx的變化關(guān)系 以解決淺層工程地質(zhì)和地基巖土的地震工程等問(wèn)題 有 關(guān)淺層層狀介質(zhì)的瑞雷波傳播的理論問(wèn)題在此從略 在討論中我們只引用其結(jié)論 詳情參 見(jiàn)有關(guān)著作 瑞雷波法根據(jù)其激發(fā)震源的不同 可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種 在本章中我們將分別 介紹 根據(jù)前人的分析和總結(jié) 認(rèn)為利用人工激發(fā)的瑞雷波可以解決如下幾方面的具體淺 層地質(zhì)問(wèn)題 1 地層劃分 通過(guò)對(duì)瑞雷波頻散曲線(xiàn)進(jìn)行定性及定理解釋 得到各地層的厚度及 彈性波的傳播速度 2 地基加固處理效果評(píng)價(jià) 通過(guò)實(shí)測(cè)地基加固前后的波速差異得到處理后的地基 較處理前的物理力學(xué)性質(zhì)的改善程度 3 巖土的物理力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試 通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演解釋 可以得到巖 土 層的 S 波速度 P 波速度及密度等參數(shù) 4 公路 機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量無(wú)損檢測(cè) 利用人工激發(fā)的高頻瑞雷波 可以確定路面的 抗折 抗壓強(qiáng)度及路基的載荷能力 以及各結(jié)構(gòu)層厚度 該方法用于機(jī)場(chǎng)跑道及高等公路 的另一項(xiàng)意義是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量隨年代變化的連續(xù)監(jiān)控 5 地下空洞及掩埋物的探測(cè) 當(dāng)瑞雷波的勘探深度與地下空洞及掩埋物的深度相 當(dāng)時(shí) 頻散曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)異常跳躍 據(jù)此可以確定其埋深及范圍 這是瑞雷波勘探的獨(dú)特優(yōu) 點(diǎn)之一 6 飽和砂土層的液化判別 根據(jù)一定場(chǎng)地內(nèi)的飽和砂土層的埋深 地下水位的深 淺等地質(zhì)條件 可以計(jì)算出飽和砂土層的液化臨界波速值 7 場(chǎng)地類(lèi)型劃分 通過(guò)面積性的瑞雷波探測(cè) 再結(jié)合微動(dòng)觀測(cè) 可以更可靠地劃 分場(chǎng)地類(lèi)型 或更大范圍的地震區(qū)劃 8 其它方面的應(yīng)用 滑坡調(diào)查 堤壩危險(xiǎn)性預(yù)測(cè) 基巖的完整性評(píng)價(jià)和樁基入土 深度探測(cè)等 和已有的淺層折射波法和反射波法相比 瑞雷波的獨(dú)特之處是它不受地層速度差異的 影響 折射波法和反射波法對(duì)于波阻抗差異較小的地質(zhì)體界面反映較弱 不易分辨 尤其 是折射波法要求下覆層速度大于上覆層速度 否則為其勘探中的盲層 瑞雷波法則不存在 這類(lèi)問(wèn)題 但瑞雷波法的勘探深度受方法本身的限制 明顯不如前兩者 而縱橫向分辨率 又高于前兩者 153 7 1 勘探原理 瑞雷波沿地面表層傳播 表層的厚度約為一個(gè)波長(zhǎng) 因此 同一波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播 特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況 不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映著不同深 度的地質(zhì)情況 在地面上沿波的傳播方向 以一定的道間距 x 設(shè)置1 N個(gè)檢波器 就可 以檢測(cè)到瑞雷波在xN 長(zhǎng)度范圍內(nèi)的波場(chǎng) 設(shè)瑞雷波的頻率為 i f 相鄰檢波器記錄的瑞雷 波的時(shí)間差為 t 或相位差為 則相鄰道 x 長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為 iiRi iRi xfV txV 2 1 7 1 在滿(mǎn)足空間采樣定理的條件下 測(cè)量范圍xN 內(nèi)平均波速為 或 i N i iR i N i R xNfV t xN V 1 1 2 1 7 2 在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)量出一系列頻率 i f 的 Ri V值 就可以得到一條fVR 曲線(xiàn) 即所謂的頻散曲 線(xiàn)或轉(zhuǎn)換為 RR V 曲線(xiàn) R 為波長(zhǎng) fVR R 1 7 3 fVR 曲線(xiàn)或 RR V 曲線(xiàn)的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系 通過(guò)對(duì)頻散 曲線(xiàn)進(jìn)行反演解釋 可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播 速度 R V 值 另一方面 R V 值的大小與介質(zhì)的物理特性有關(guān) 據(jù)此可以對(duì)巖土的物理性質(zhì) 做出評(píng)價(jià) 7 2 資料采集 7 2 1 穩(wěn)態(tài)法 資料采集中使用一套幅值和頻率可控的非炸藥震源進(jìn)行激發(fā) 通過(guò)改變震源的頻率來(lái) 調(diào)節(jié)探測(cè)深度 記錄儀器仍為數(shù)字地震儀 在陸地上仍采用垂直速度檢波器接收 下面就 采集中的激發(fā)與接收的方式及要求等進(jìn)行介紹 1 激發(fā) 激發(fā)震源主要有兩類(lèi) 一是電磁式激振器 另一是機(jī)械偏心式激振器 目前國(guó)內(nèi)常以 第一類(lèi)激振器為震源 參見(jiàn)本篇第三章 以第一類(lèi)激振器為代表的震源主要有兩種 第一 種為 RL 激振系統(tǒng) 其主要技術(shù)指標(biāo)為 工作頻率 1Hz 10KHz 輸出電流及最大功率為 20A 400W 輸出波形為 等幅正弦波和變幅正弦波 或 154 第二種為日本產(chǎn) GR 810 或 GR 820 儀器系統(tǒng)中的激振系統(tǒng) 其主要技術(shù)指標(biāo)為 工作頻率 0 001 999Hz 輸出功率為 1 2KW 輸出波形為等幅或變幅正弦信號(hào) 采用 RL I 激振系統(tǒng)的野外觀測(cè)方法參見(jiàn)圖 1 7 1 激發(fā)方式可以是單邊 雙邊或中點(diǎn)激發(fā) 并保持一定的偏移距 激發(fā)頻率一般采用降 頻掃描方式 其頻率范圍和間隔的選擇應(yīng)根據(jù)勘探深度 精度和分辨率的要求確定 一般 而言 勘探深度越大 掃描頻率越低 精度要求越高 頻點(diǎn)間隔越密 2 接收 接收排列的布置見(jiàn)圖 1 7 1 每次激發(fā)時(shí) 接收點(diǎn)不能少于兩個(gè) 每個(gè)接收點(diǎn)一般為單 個(gè)檢波器接收 從觀測(cè)的角度考慮 又可分為定點(diǎn)測(cè)量和剖面觀測(cè)兩種 對(duì)于剖面測(cè)量一 般采用縱測(cè)線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng) 接收時(shí) 道間距 x 一般為等間隔 按采接率的要求 f V x RR 22 1 7 4 或至少應(yīng)滿(mǎn)足 R x 圖 1 7 1 野外工作布置圖 有關(guān)檢波器埋置方法和要求與反射波法基本一致 需要指出的是由于瑞雷波勘探的特 殊性 接收時(shí)應(yīng)采用不同自然頻率的檢波器 一般為幾赫芝 100 赫芝 視激發(fā)頻率和分辨 率的要求而定 7 2 2 瞬態(tài)法 該方法采用錘擊或炸藥震源激發(fā)瑞雷波 在地面按一定方式用垂直速度檢波器接收 并根據(jù)波場(chǎng)的頻散特性 求取 R V 速度分布場(chǎng) 瞬態(tài)法現(xiàn)場(chǎng)工作布置如圖 1 7 2 所示 圖中 M 點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn) 兩檢波器距離為 x 為了 155 圖 1 7 2 瞬態(tài)法排列布置 圖 1 7 3 瑞雷波勘探原始記錄 使得兩檢波器接收的信號(hào)有足夠的相位差 除滿(mǎn)足采樣定理外 x 還應(yīng)滿(mǎn)足下式 R R x 3 1 7 5 則兩信號(hào)的相位差 滿(mǎn)足 2 3 2 1 7 6 可見(jiàn) 隨著勘探深度的增大 即 R 增大 x 的距離也相應(yīng)增大 1 激發(fā) 瞬態(tài)法激發(fā)震源 以及方式和要求與反 射波法中的縱波勘探 基本一致 需要注意的 是激發(fā)能量的大小應(yīng) 滿(mǎn)足勘探深度的需要 此外 在圖 1 7 2 所示 的觀測(cè)方法中 采用的 是雙邊激發(fā)的方式 炮點(diǎn)至第一個(gè)接收點(diǎn)間的距離一般為1 個(gè)道間距 2 接收 接收排列的布置見(jiàn)圖 1 7 2 有關(guān)方式方法以及要求等與穩(wěn)態(tài)法基本一致 需要注意的 是當(dāng)面波被干擾時(shí) 應(yīng)在同 一激發(fā)點(diǎn)重復(fù)接收 3 5 次 把重復(fù)接收的信號(hào)疊加 取 其平均值 以加強(qiáng)有效信號(hào) 壓制干擾信號(hào) 對(duì)于可能出 現(xiàn)的反射波 折射波和直達(dá) 波等規(guī)則干擾波可采用濾波 等方式壓制 在測(cè)點(diǎn)的一側(cè) 激振和接收完成后 可把震 源移至測(cè)點(diǎn)的另一側(cè) 再重 復(fù)激振接收 3 5 次 把兩側(cè) 的測(cè)量結(jié)果平均 做為該點(diǎn) 的最終結(jié)果 與穩(wěn)態(tài)法同樣 也可采用單邊激發(fā)多道接收 的方式進(jìn)行觀測(cè) 實(shí)際記錄 見(jiàn)圖 1 7 3 156 圖 1 7 4 穩(wěn)態(tài)法野外原始記錄 7 3 資料的處理與解釋 7 3 1 穩(wěn)態(tài)法 1 前期處理 穩(wěn)態(tài)法勘探中 由于面波記錄時(shí)常被隨機(jī)噪聲干擾 從而影響波至?xí)r間的拾取 因此 對(duì)原始記錄一般要作適當(dāng)?shù)臑V波或園滑處理 處理方法參見(jiàn)反射波法勘探 2 速度的計(jì)算 1 時(shí)差法 設(shè)地面上兩檢波器間的距離為x 且 R x 兩檢波器接收的瑞雷波的同相位時(shí)間差 為 t 則瑞雷波的傳播速度為 txVR 1 7 7 圖 1 7 4 是一張瑞雷波勘探的原始記錄 圖上 記錄了 4 個(gè)頻率 分別為 35 30 27 23Hz 接 收道排列為 1 3 4 6 7 9 10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 道 圖中標(biāo)出的小圓圈 為各道的同相位 利用該圖計(jì)算的瑞雷波傳播速 度如表 1 7 1 所示 從以上計(jì)算過(guò)程可以看出 利用同相位的目 視對(duì)比 在有干擾振動(dòng)時(shí) 某一相位 零相位或 峰谷相位 可能產(chǎn)生誤差 使得 t 讀數(shù)不準(zhǔn)確 進(jìn)而影響到 R V 值的精度 為了減小誤差 可對(duì)同 一頻率讀取多個(gè)同相位的時(shí)間差 取其平均值 即使這樣 也只是利用了振動(dòng)波形上的幾個(gè)點(diǎn) 為消除干擾 提高精度 一般采用互相關(guān)分析法 表 1 7 1 VR計(jì)算表 f Hz 35 30 27 23 道 1 3 4 6 7 9 10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 x m 2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m t ms 10 7 10 7 10 1 11 4 10 1 11 4 10 7 11 4 VR m s 187 187 198 175 198 175 187 175 R m 5 34 5 34 6 60 5 83 7 33 6 48 8 13 7 61 2 互相關(guān)分析法 當(dāng)在地面上進(jìn)行豎向正弦激振時(shí) 沿地面表層就有瑞雷波的傳播 設(shè)地面上有與震源 在同一條直線(xiàn)上的兩點(diǎn) RR xxxx 1221 為波長(zhǎng) 則 21 x x兩點(diǎn)處瑞雷波的垂直位移 方程可分別簡(jiǎn)寫(xiě)為 157 開(kāi) 始 輸入波形曲線(xiàn) 計(jì)算相關(guān)函數(shù) 第一極大值 計(jì)算時(shí)間差 計(jì)算速度 結(jié) 束 極大值 N 圖 1 7 6 計(jì)算流程圖 cos 1 11 R V x tAtu 1 7 8 cos 2 22 R V x tAtu 1 7 9 由于 21 x x處的振動(dòng)是由同一震源引起的 所以 1 7 9 式是 1 7 8 式延遲某一時(shí) 間后的重復(fù) 延遲時(shí)間為 R Vxxt 12 1 7 10 為了衡量?jī)蓚€(gè)記錄在何時(shí)最相似 可采用互相關(guān)方法 確定出在一定時(shí)移 后兩個(gè) 記錄的相關(guān)程度 當(dāng)最相似時(shí) 相關(guān)系數(shù)必有極大值 認(rèn)為第一個(gè)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)移 0 即為所要求取的兩記錄同相位的時(shí)差 t 如圖 1 7 5 所示 相關(guān)系數(shù)的計(jì)算如下式 1 21 1 nunu N R N n 1 7 11 此時(shí)速度計(jì)算公式為 012 xxVR 1 7 12 a b 圖 1 7 5 相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn) a 無(wú)干擾時(shí)瑞雷波形 b 相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn) 整個(gè)計(jì)算流程如圖 1 7 6 所示 3 速度的綜合 通過(guò)對(duì)不同頻率成分的瑞雷波速度 R V 的計(jì)算 可得到 某測(cè)點(diǎn)的一條fVR 曲線(xiàn) 曲線(xiàn)中某一頻點(diǎn)的速度表示該 頻率成分的瑞雷波穿透深度以上地層介質(zhì)的平均速度 它不 能直接表示深度 因此 在實(shí)際應(yīng)用中 一般將其轉(zhuǎn)換為具 有深度意義的 RR V 曲線(xiàn) fVR R 其中 為 波長(zhǎng)深度轉(zhuǎn)換系數(shù) 即 R H 有人認(rèn)為 2 1 即所謂半波長(zhǎng)法 但經(jīng)研究認(rèn)為 該法計(jì)算的深度誤 差較大 有關(guān)詳情見(jiàn)后文 為了進(jìn)行定量解釋 即地層劃分和層速度的求取 還可利用 RR V 曲線(xiàn) 經(jīng)計(jì)算求出 R R R V 關(guān)系 曲線(xiàn)等其它曲線(xiàn) 以便于綜合解釋 上述變化曲線(xiàn)參 見(jiàn)圖 1 7 9 158 啟 動(dòng) 輸入數(shù)據(jù)文件 和有關(guān)參數(shù) FFT 求功率譜 和相位譜 相關(guān)分析 求相關(guān) 功率譜和 i 計(jì)算 ii RR V 輸出繪制 fi ii RR V 離散曲線(xiàn) 最優(yōu)化選擇法 反演離散曲線(xiàn) 結(jié)果輸出 結(jié)果輸出 圖 1 7 7 瑞雷面波資料處理流程框圖 7 3 2 瞬態(tài)法 1 前期處理 由于瞬態(tài)法勘探中波場(chǎng)的復(fù)雜性 即 除了有效的不同頻率成分的瑞雷波外 還 包含規(guī)則干擾 如直達(dá)波 折射波和淺層 反射波等 和不規(guī)則干擾 因此 前期波 場(chǎng)分離 濾波處理 是非常必要的 它將 直接影響到解釋的精度 常采用的方法主 要有初至波切除 一維和二維濾波等 此 外為計(jì)算速度f(wàn)VR 關(guān)系曲線(xiàn) 還需對(duì)記 錄進(jìn)行頻譜分析或相關(guān)譜分析等處理 常 見(jiàn)處理流程見(jiàn)圖 1 7 7 有關(guān)處理方法技術(shù) 參見(jiàn)本篇第四章的相關(guān)部分 2 速度計(jì)算 1 基本原理 當(dāng)在地面上施加一瞬間沖擊力后 在 地面表層就有瑞雷波的傳播 這種方法產(chǎn) 生的瑞雷波是由許多簡(jiǎn)諧波疊加而成的 每一簡(jiǎn)諧波都以一定的相速度 R V 傳播 R V 是 f 的函數(shù) 每一簡(jiǎn)諧波波動(dòng)垂直位 移方程可寫(xiě)為 2 cos R z V fx tAu 1 7 13 式中 R V fx 2 為 x處振動(dòng)的相位角 所以在波的傳播方向上 21 x x兩點(diǎn)間的相位差為 R Vxf 2 1 7 14 則 2xfVR 1 7 15 式中 的單位為弧度 2 互相關(guān)法求 和 R V 設(shè)地面上沿波的傳播方向 1 x 2 x 處的信號(hào)分別為 1 tu和 2 tu 則它們的相互關(guān)函數(shù) 為 dttutur 1221 1 7 16 對(duì)求出的互相關(guān)函數(shù)做 Fourier 變換 21 12 12 2 2121 12 fi i fi efR efufu fufuderfR 1 7 17 濾 波 159 式中 2 fu 1 fu是 2 tu和 1 tu的線(xiàn)性譜 1 fu是 1 fu的共軛譜 可見(jiàn)互相關(guān)譜 21 fR的相位就是 1 x 2 x 兩點(diǎn)處的相位差 把不同頻率的 f 代入 1 7 15 式 就可以計(jì)算出不同頻率諧波的瑞雷波傳播速度 R V 與穩(wěn)態(tài)法一樣 我們可利用fVR 曲線(xiàn)制作出 RR V 和 R R R V 等曲線(xiàn) 此外 fVR 等曲線(xiàn)因干擾時(shí)常表現(xiàn)出微小的波動(dòng) 對(duì)此 因作適當(dāng)?shù)膱@滑 7 3 3 綜合解釋 7 3 3 1 各種波速和能量與介質(zhì)特性的關(guān)系 1 波速和介質(zhì)特性 表 1 7 2 瑞雷波速度與泊松比關(guān)系表 VR VS VR VS VR VS VR VS 0 00 0 874032 0 21 0 912707 0 32 0 930502 0 43 0 946303 0 02 0 877924 0 22 0 914404 0 33 0 932022 0 44 0 947640 0 04 0 881780 0 23 0 916085 0 34 0 933526 0 45 0 948959 0 06 0 885598 0 24 0 917751 0 35 0 935018 0 46 0 950262 0 08 0 889374 0 25 0 919402 0 36 0 936433 0 47 0 951549 0 10 0 893106 0 26 0 921036 0 37 0 937936 0 48 0 952820 0 12 0 896789 0 27 0 922654 0 38 0 939372 0 49 0 954074 0 14 0 900422 0 28 0 924256 0 39 0 940792 0 50 0 955313 0 16 0 904003 0 29 0 925842 0 40 0 942195 0 18 0 907528 0 30 0 927413 0 41 0 943581 0 20 0 910995 0 31 0 928965 0 42 0 944951 根據(jù)第一節(jié)介紹的瑞雷波基本原理可知 在均勻各向同性半無(wú)限彈性介質(zhì)中 瑞雷波 速度和橫波速度近似為 VR 0 919Vs 對(duì)于不同的巖土介質(zhì) 經(jīng)理論計(jì)算 可得到不同泊 松比 與 VR Vs的關(guān)系見(jiàn)表 1 7 2 Vp Vs VR與泊松比的關(guān)系如圖 1 7 8 所示 從圖和表 可以看出 隨著泊松比增大 Vp相對(duì) S V 急劇增大 而 S V 與 R V 值則趨于一致 一般巖石泊 松比在 0 25 左右 第四系地層泊松比為 0 4 0 49 可以認(rèn)為對(duì)土體而言 R V 與 S V 基本相 等 其誤差只有 5 左右 即 SR VV95 0 由此 在計(jì)算巖土的力學(xué)參數(shù)時(shí) 可利用 R V 代 替 S V 進(jìn)行近似計(jì)算 2 瑞雷波能量與介質(zhì)特性 由前文可知 瑞雷波的振幅能量隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減 通常定義當(dāng)振幅比 0 uuz衰 減到e 1時(shí)的深度為穿透深度 其中 0 u 為橫向振動(dòng)的振幅 z u 為縱向振動(dòng)的振幅 針對(duì)不 同的巖土介質(zhì) 我們可計(jì)算出穿透深度 波長(zhǎng)表示的 與振幅能量之間的關(guān)系 如表 1 7 3 所示 從而確定出比較合理的深度與波長(zhǎng) R 的比例系數(shù) 值 160 圖 1 7 8 VP VS和 VR的關(guān)系 表 1 7 3 不同介質(zhì)中瑞雷波的穿透深度 泊松比 0 1 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 48 U0 0 665 0 693 0 722 0 753 0 785 0 819 0 857 0 898 0 926 U0 e 0 245 0 255 0 266 0 277 0 289 0 301 0 315 0 330 0 341 穿透深度 H 0 55 0 575 0 625 0 65 0 70 0 75 0 79 0 84 0 875 從表中可以看出 對(duì)于所有的介 質(zhì) 瑞雷波的穿透深度為 0 55 R 0 875 R 對(duì)于一般巖石泊松比 25 0 左右 穿透深度約為 0 65 R 對(duì) 于 土 體 而 言 泊 松 比 45 0 4 0 則 穿 透 深 度 R H 84 079 0 實(shí)際