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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2009-07-19

表面波法的提出及其优点

在岩土工程中，由于s波速度与地层工程性状间的关系十分密切。人们对它的测定比P波更感兴趣。在第一、二章中已经较详细地介绍了利用跨孔法和下孔法测定地层中S波速度的技术。虽然在原则上它们可以测定地层S波速度，但仍有许多方面不尽人意的地方：

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，以往地质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，而为克服它所采用的仪器设备比较复杂和昂贵，难以普及应用；

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。

可以说，表面波法就是在上述工程背景下提出来并进行深入研究的。

表面波法测量对象是地面上的瑞利波和洛夫波，现以端利波为主，下文所述表面波指的就是瑞利波（R波）。

瑞利波法的主要优点:
无钻孔，测试技术简单易行，试验信号受环境干扰和地下水位等因素的影响较小，可由所测出的R波速度弥散曲线换算成S波速度沿深度的变化曲线。

    表面波法按振源形式的不同可分成：
    稳态振动法和瞬态振动法。前者是美国密西西比州维克斯堡航道站于60年代初期开始研究的，而后者由美国得克萨斯州立大学于80年代初期较系统地予以阐述，根据数据分析所采用的手段，瞬态振动法现又称为表面波谱分析法，简记 SASW（ Spectral Analysis of Surface Wave的缩写）。
   本章拟先介绍由成层地层中R波弥散曲线反算S波速度沿深度变化关系的方法，然后较详细地说明如何在现场用稳态振动法和SASW法测定R波的弥散曲线，并且对这两种方法进行了比较。测试原理

稳态振动法用实测地层的瑞利波弥散曲线，并按反算方法求地层剪切波速度。

设地层表面上有稳态简谐激振，其位移为：


则同一直线上两点i、j的位移可写成


式中φ是相对于振源位移Z0的相位差。由R波几何衰减规律（第一章第一节），


式中r是测点与振源的距离；△φ=φj-φi 是i,j测点位移相位差。

R波速度VR与∆与△φ，r及ƒ的关系为：


     （4－32）

　

式中（rj-ri）=0时，△φ=0，（rj-ri）=λR时，△φ=2π，式（4－32）又可写成VR=λRƒ 。

    进行稳态振动法试验时（如图4－2），先在离简谐激振器一定远处（以保证接收的是瑞利波信号）固定检波器i，检波器j的位置可变动，根据两检波器距离和相位差以及激振频率求出瑞利波速度；改变激振频率，重复上述工作，最后可得R波弥散曲线（即VR ～λR关系曲线,这里λR= VR /ƒ）。

稳态激振器

为了控制激振频率和激振力的大小，稳态振动法中的振源采用激振器。

常用的激振器有机械式和电磁式两种，其中前者主要用来进行低频和深层测试，而后者由于激振力有限，大多被用于高频和浅层测试。

机械式激振器式样较多，但其工作原理是相同的：
由竖向轴对称放置的两相同偏心质块相向旋转产生的离心力在竖向激振，激振力大小与偏心质量、偏心距以及旋转频率平方皆成正比，激振力频率与偏心质块旋转频率相同，如图 4－3所示。由于频率减小会导致激振力降低，要想在低频下有较大激振力，就应选用偏心矩（mr）足够大的激振器，因偏心块旋转速度限制而不能产生很高的激振频率，一般在五六十赫兹以下．

　


图4－3机械式激振器原理示意图

电磁式激振器：
根据载电导体在磁场中会受力作用的原理制成的。该力的大小与磁场强度、电流及导体在磁场中的长度均成正比关系。导体中电流方向改变会使其受力方向相应地发生改变，并且两者的频率相同。
电磁激振器的交变电源信号常用频率发生器输给，但由于这一信号比较微弱，必须经功率放大器适当放大后才能输入激振器，如图4－4所示。由此可以说，电磁式激振器的激振频率由发生器控制，激振力大小由功率放大器来调节。与机械式相比，电磁式激振器的频率范围要宽得多（国产已超过1Hz），但激振力不可能很大（据悉最大激振力达1kN的激振器目前尚处于研究阶段）．
记录仪器
稳态振动法是根据相距一定距离两检波器信号的相位差来测定波速的。采用显示器作为记录监控十分直观和方便。使用时应将两检波器信号输入地震仪的两个通道，绘图时使两条波形曲线零时点及整个时间轴重合（如图4－6），则由ab和ac的长度（时间单位）可求出它们的相位差。

图4－6两同频信号相位差计算简图
　
Δφ = ac/ab * 360°=2 πac/ab (弧度）（4－33）
测试方法
稳态振动法的现场测试工作步骤大致如下：
1）选择比较平整开阔的场地用来进行试验。安置好激振器，并且在附近一定距离处的测线（振源与检波器连线）上安放一只检波器。
2）开动激振器，并将其固定在某个频率上。将第二只检波器（如图4－2中j）安放在第一只附近的测线上，两只检波器输出线仪器相接，则可在屏幕上观察两条谐波曲线。
3）逐渐由近及远沿测线移动第二只检波器位置。为计算波速方便，当两波形曲线相位差为180°时，测量两检波器间距（相当于R波半波长）。由此可测得其相位差为360°、540°、……相应的检波器间距（一般5组即可）。将测试数据记录在预先准备的表中（表4－2）。

4．改变激振器频率，重复上述步骤，而激振频率的上下限可根据地层拟测深度及R波速度作出粗略估算，同时要考虑测试系统的有效频带。
λR= VR /f
测量振源信号与该检波器信号的相位差。在这种情况下，检波器移动的位置可不一定在同一直线上。另外，当采用其它记录器时，试验步骤基本上与前同，只是两波形相位差识读方式不同而已。

资料分析计算
根据表4－2中的实验数据，以频率为参变量、以波数（Δφ /360°）和检波器间距分别为纵、横坐标轴绘图，则同一频率下各实验点基本上可连成一条直线（如图4－7）。该直线对于波数轴的斜率即对应于这一频率的R波平均波长λR 。由VR =fλR 可计算出相应的波速．
　k=d/λR
测试原理
从第四章第三节中的介绍可以看出，用稳态振动法测定一条地层波速与深度关系曲线所占时间和工作量相当大，这对大面积测试工程任务往往是一个不利因素。为了克服这一缺陷，80年代以来国内外一些科技人员着手瞬态振动法的技术开发。这种新方法利用一次地面冲击检波器接收多频信号进行频谱分析来确定相位差与频率的关系，由此得到R波弥散曲线。
如图4－8所示，在地表竖向冲击荷载作用下，距它一定远处的两检波器所接收的基本上是R波的竖向分量信
　
号A1(t)和A2(t)，如图4-9（a）。信号的傅立叶变换为

式中，t和f分别为时间和频率；相应的自功率谱（又称自相关谱）定义为：
　
     （4-36）
　式中是的共轭复数。由式（4-22）的曲线可确定A(t)的主频率。
信号1、2的互功率谱为
　
   （4-37）
　
是复数，其相位代表两信号由于在波传播过程中的时间滞后所产生的相位差。因此，波在检波器间传播所需要时间可求出：
　
          （4-38）
　
式中 ——相位差，以度为单位（如图4-9，b）。
设两检波器距离已知为x，于是，与相应的R波速度为
另一方面，R波（4-40）式中（4-39），（4-40）就是SASW法计算R波速度弥散曲线的基本公式。
在SASW法中，为了评价各个频段上的信号质量，还要分析两信号的相干函数谱：
（4-41）相干函数在某频率上接近于1，表示两信号此时具有良好的相干性。噪音存在，测试系统的非线性以及信号多方向输入都会引起相干函数值的降低。典型的相干函数谱如图4-9（b）所示。在应用时，首先要确定相干函数值大于某界限值（如0．85）的频段，在其上识读与频段率相应的相位差Δφ，然后由式（4－39）和（4－40）分别求出瑞利波速度及相应波长，从而得到瑞利被实测弥散曲线。
　