淺震中的新技術和新方法第一節縱、橫波速測試技術

及其應用一、動彈參數測試原理

根據彈性理論可得出縱波速度VP與橫波速度VS

與各彈性參數之間有如下的關系式：參見P15，式（1.3.7）~（1.3.9）)這里Em稱為動彈性模量(或動楊氏模量);

Gm稱為動切變模量(或剛度系數)。

二、波速測試方法

1.橫波的激發縱、橫波速度測試的意義：測定巖土介質的動彈參數，評價巖體的穩定性。用剛度系數或剪切模量G的分布來研究動力基底結構的振動特性。

根據橫波的傳播特性，接收橫波時，必須使檢波器的最大靈敏度方向和波的傳播方向垂直（也就是和振動方向保持一致）。橫波是在縱波之后到達的續至波，容易受到干擾因此，在工作中應使震源的振動具有明顯的方向性，以突出橫波信號。擊板法觀測橫波示意圖螺旋彈簧式震源實驗裝置（1）擊板法（2）彈簧激振法（3）爆炸式的橫波震源

V型裝藥室的沖擊力方向圖（4）鉆孔橫波錘和電火花震源

另外，在跨孔測量中，還使用電火花震源。2.橫波的接收和識別野外橫波的測量即可在地面也可在井中進行。在地面的表土或露頭上進行激發和接收時，如前所述，采用不同的激發方向和接收方向，可以獲得橫波的記錄。但由于地表和地下深處巖石所處條件往往差異很大，在地表所測得的波速參數不能完全反映深處巖石的實際情況而產生較大偏差。故目前多采用鉆孔中測量的方法。鉆孔中測量可分為單孔法和跨孔法兩類。（1）單孔法又稱地震波測井或PS測井。（2）跨孔法跨孔法可以用來測量鉆孔之間巖體縱、橫波的傳播速度、彈性模量及衰減系數等?？缈追y量示意圖（3）縱橫波信號的識別首先分析機械震源和爆炸震源所產生的地震波的特征。它們主要有兩個方面的差異。第一，機械震源產生的地震波，橫波的信噪比較大（一般可大于10），而縱波的信噪比往往小于1。爆炸震源則正好相反，其縱波的信噪比較大（一般可大于10），橫波的信噪比則只有1~2左右。因此，機械震源對識別橫波有利，而爆炸震源對識別縱波有利。第二，是兩者信號在頻率特征上的差異。對于縱波，機械震源和爆炸震源所產生的彈性波頻率相差不大；對于橫波，一般爆炸震源的信號頻率要比機械震源的信號頻率高一些。另外，對于爆炸震源，橫波的質量往往隨距離的增加有所改進，這可能與速度較大的縱波衰減較快有關。右上圖是在鉆孔中用爆炸震源得到的縱橫波記錄，隨著接收距離的增大，各道縱橫波時差亦隨之增大，這有利于橫波的識別。在鉆孔中用爆炸方式得到的縱波與橫波記錄

正反敲擊橫波相位倒轉示意圖在木板兩端進行正反兩次敲擊，利用記錄上縱、橫波呈現相位倒轉的特點來識別縱、橫波，確定橫波的到達時間。跨孔法記錄縱橫波的識別與橫波到達時間的識別斷裂帶上橫波能量的衰減三、動、靜彈性參數之間的關系動、靜彈性參數的差異；如前南斯拉夫貝爾格萊德地質地球物理研究所對灰巖作了大量的試驗對比，得出的關系式為：Em表示動彈模，ES表示靜彈模。并且認為對于破碎灰巖，Em/ES的比值較大（可達到5），而完整致密灰巖Em/ES1。又如前蘇聯較多的采用關系式為：

我國科學院地質研究所采用的經驗公式為：式中a=1.3時適合完整的巖石或巖體;a=1.7時適合裂隙發育和破碎的巖體;a=2.0時適合破碎充水的巖體。四、巖土波速的應用

1、劃分巖土性質和巖體質量分類采用縱、橫波速度比（Vp/VS）來進行建筑場地的巖土分類（1）當Vp/VS約等于3，且縱波速度值VP較高時，說明是未風化的基巖。（2）當Vp/VS約等于3，而VP值低，主要表示是砂或卵石。（3）當VP值低，而Vp/VS高，表示經常處于水位以上的粘性土壤。（4）當VP接近于水的波速（約1500米/秒），而Vp/VS值較高時，可能表示水位以下的軟粘土。橫波速度一般是和物質的剛度有關，對粘質土層由于飽和水的不可壓縮性使其縱波速度升高，而對橫波速度則影響不大。

Vp/VS和VP與土質的關系橫波速度VS對巖石進行分類：

在1989年頒布的建筑抗震設計規范中提出了用VS對建筑場地分類的標準，參見表3.1.2.

2.判別砂土基底的“液化”所謂“液化”是指砂土在一定條件下由原來的狀態轉變為液態的物理作用過程。如飽和水狀態下的砂層受到振動力的作用之后，它的結構會發生變化，固體顆粒間接觸點上的應力要降低，而其中孔隙水的壓力會上升，也就是固體顆粒間的應力轉移到孔隙水的壓力中去了。當孔隙水壓力上升到與觀測點上方覆蓋層的應力相等時，其固體顆粒將處于懸浮狀態，此時，砂土層的抗剪強度為零，一般稱之為“液化”?！耙夯弊饔檬股巴磷兂闪苏硿黧w，造成建筑物的下沉或傾斜，橋臺偏移，岸坡滑動等災害。因此，研究地基的液化問題，判斷和評價飽和砂土的液化是一個非常重要的實際問題。

“剪切波速度法”（又稱循環應變法）判斷液化現象：基本原理：是將地基在地層力作用下產生的剪應變rc和抗液化的臨界剪應變rt作對比。若：rc<rt可認為地基不會液化；

rc>rt

則地基可能液化。其中：rt是一個力學參數指標，一般為：

而rc和橫波速度密切相關，一般可表示為如下關系式：第二節瑞利面波法一、瑞利波勘探的基本原理在自由界面以下均勻各向同性的彈性介質中，瑞利面波振動的水平位移分量Dx與垂直位移分量Dz可分別由下列表達式表示：

式中

KR、KP、和KS分別為瑞利波、縱波和橫波的圓波數；

x和z分別為傳播距離和深度;衰減系數a和b則分別和波數有關，，；B是和能量有關的常數。1.瑞利面波的質點位移特征瑞利面波的質點位移不僅與其頻率、傳播距離、深度有關，而且與介質的性質密切相關。下面討論一種理想情況，當介質為理想的泊松固體時（=0.25）且在z=0的情況下，則有：式中C是一與能量及波數有關的常數。上式可化為：2.瑞利面波的傳播速度和穿透深度瑞利面波的傳播速度VR和橫波的傳播速度VS及縱波速度VP之間的關系為：V/VS瑞利波質點位移的軌跡

瑞利面波質點振動位移DX、DY與深度的關系3、瑞利面波的衰減及頻散特征隨著穿透深度Z的增加，瑞利波引起質點振動的水平位移DX和垂直位移DZ呈指數規律迅速衰減。在水平方向上瑞利波的波前呈圓筒狀向四周擴散，其能流密度隨傳播距離R按1/R的規律衰減。因此，與體波相比面波的擴散衰減要慢得多，它可以傳播更遠的距離。在均勻各向同性介質的自由表面，瑞利波無頻散；在非均勻的松散覆蓋層表面，瑞利波的傳播存在“頻散效應”。“頻散效應”是指波的傳播速度及衰減系數與頻率有關的特征。二、工作方法根據野外數據采集方式的不同可分為：（1）瞬態法（2）穩態法兩類1.瞬態法（1）數據采集瞬態瑞利面波法工作排列示意圖（2）資料處理及解釋

（1）、面波的識別和提?。唬?）、作頻譜分析，對各道分別作功率譜和相位譜；（3）、作相關分析，計算相位差，求出各頻段的面波 速度和波長；（4）、繪制離散分布曲線，對其進行反演解釋。從平均速度計算各層面波速度的公式：式中Dn:第n號測點的深度；

Dn-1:第n-1號測點的深度；

:到深度Dn

為止的地層平均速度；

:到深度Dn-1為止的地層平均速度；

:Dn

至Dn-1之間的瑞利波波速。反演各層面波速度2.穩態法穩態法的工作原理是使用一套具有穩定振動頻率的系列振源，用改變震源的頻率來調節探測深度。三、應用實例波速與波長分布曲線及解釋成果圖（實例一）實例二2、軟基處理調查（實例三）用面波勘探法（彈性波頻率測深法）測定地基的S波速度，可以檢查鑒定地基的夯實程度；評價一些濱海、濱湖填筑地隨時間變化的情況；及檢查灌漿前后土質地基的改良效果。A圖B圖3、探測地下空洞

（實例四）：當空洞位于彈性波頻率測深的可能探測的深度內，并且直徑大于埋深的十分之一時，用彈性波頻率測深可以探測出空洞的位置。這種方法可用于檢查堤防護岸及探測防空洞、礦山采空區以及溶洞等。

第三節地震波層析技術

（computertomography)

地震異常體在扇形波射線中投影示意圖

一、透射波層析

1.方法原理鉆孔CT測量布置示意圖m.

設xj為第j個小方格的波速度的倒數(稱為波的慢度)，對于每條波射線，都可以寫出一個射線方程：或寫成:

這里，ti是第i條射線的波到達時間，aj

是該射線在第j號方格中的長度。CT成像的數學原理AX=t或簡寫成上式有可能為超定(m<n)、正定(m=n)或欠定(m>n)方程。這取決于未知數x的個數m及射線n的多少。求解上述方程組就可以得到每個小方格內的波慢度值，求其倒數即可得出孔間地震波速度值的分布圖。如果分別在兩鉆孔的不同深度激發（發射）、接收次，便可得到個射線方程，寫成矩陣形式則為：應用實例介紹一、某電站壩基勘測中CT技術的應用；二、CT在某工程混凝土質量檢測中的應用。

某電站壩基CT測量速度等值線圖等值線間隔為200米/秒，該圖表示了橫穿河床底部斷面的基巖速度分布情況?；炷翝茶T質量超聲CT檢測結果第四節垂直地震剖面法VSP觀測系統及偏移VSP理論模型記錄示意圖AB一、VSP觀測方式及原理VSP實測記錄二、實測VSP剖面資料介紹第五節樁基動態無損檢測法一、樁的類型介紹；樁基質量檢測包括兩方面的內容：質量評價與承載力的確定。二、樁基無損檢測方法

樁基無損檢測的方法：可分為穩態振動法和瞬態動測法。穩態振動法又稱機械阻抗法（1）原理（2）穩態激振測試系統

2、瞬態動測法（1）反射波法A.原理當波遇到波阻抗界面時，將產生反射波，其反射系數為：R表示反射波與入射波的振幅比。這里是以廣義的波阻抗AV替代波阻抗V，它取決于波阻抗的差異與截面積的變化。反射波旅行時與平均速度及波阻抗界面的深度l有關。波沿樁身傳播產生反射波的示意圖B.樁身完整性的分析與判斷1）平均速度VC的利用若樁長L為已知，樁底反射清晰可辨認，反射波旅行時為t，則平均速度為VC是評價樁基完整性的一個重要指標。2）反射波至的利用若記錄上有樁間、樁底反射，利用反射波旅行時可確定反射界面的深度還可以利用反射波的振幅和相位，通過綜合分析，可對樁基的質量進行評價。第六節地微動觀測

地基每時每刻都在作微小的振動，簡稱地微動，微動的幅度通常只有幾微米，一般不為人體所察覺。地微動的發生源可分為自然因素和人為因素兩大類，自然因素包括風、雨、海浪、火山活動等，人為因素是指工廠生產、交通運輸、建筑施工等。通常將有特定振源的地微動稱作振動，而將無特定振源且周期較大（大于5秒）的地微動稱作脈動，脈動的分布范圍廣，有時在整個大陸地震觀測臺的記錄都表現出非常相似的特點，是地質學家們感興趣的一類微動。對于無特定振源且周期又比較短（小于5秒）的地微動稱作常時微動。無特定振源不等于沒有振源，遠方的振源總是存在的。因為各種遠方的振源的波動在傳播過程中必然要攜帶中途介質（地基）特性的某些信息，所以觀測研究地基（地表或地下）的常時微動，可以推斷地基的振動特性和介質結構。說明常時微動基本性質的理論，目前有面波理論和體波理論。這兩種理論都能對常時微動的地基振動特性作出理論解釋。一、常時微動的測量方法

常時微動測量一般在地下、地表和建筑物中進行，下圖為測量系統示意圖。在地表或建筑物中測量時，應選擇在沒有工業及交通振源時進行，測點應平坦，以便于安置和調整（調平和對準方向）檢波器。地下測量多在鉆孔中進行，測量深度根據具體目的而定，檢波器放在基巖面上或建筑物的持力層上。測量儀器由檢波器和帶有放大器、濾波器、磁帶機和波形顯示器的測量裝置組成。檢波器（用于天然地震觀測時稱作“拾震器”或“擺”）的選擇取決于測量對象的周期范圍，以及測量位置。用于常時微動觀測的檢波器的體積較通常地震勘探用的檢波器體積大，有的為長方體，有的為圓柱體，重量從幾公斤到十幾公斤不等。一臺檢波器只

常時微動測量系統示意圖1—放大器；2—示波器；3—磁帶機；4—短周期檢波器；5—長周期檢波器；6—井中檢波器圍，以及測量位置。用于常時微動觀測的檢波器的體積較通常地震勘探用的檢波器體積大，有的為長方體，有的為圓柱體，重量從幾公斤到十幾公斤不等。一臺檢波器只能測一個方向的分量，如果要在一個測點測量水平二分量（南北向、東西向）和垂直分量時需要三臺檢波器。用于地下測量的檢波器一般采用井中三分量檢波器。對常時微動的觀測研究表明，在白天觀測時，由于工業交通等振動的干擾，其振動形態變化復雜，且振幅較大，夜間則比較穩定。另外還與氣象因素有關，當風力強氣壓低時，地表微動的振幅和周期會增大。因此，為了得到地基微動的可靠信息，一般應選擇在夜深寧靜時進行觀測，同時應避開天氣的影響。二、數據的處理與分析常時微動數據處理分析方法主要有兩種，一是周期頻度法，另一種是頻譜分析法。周期頻度法著眼于研究振動出現的頻度，該方法是通過人工作圖的方法，確定不同周期的振動在一定的時間范圍內出現的次數（頻度），找出頻度最高（出現次數最多）的周期作為卓越周期，其對應的頻率為優勢頻率。但隨著計算機技術的迅速發展與普及，目前已很少采用周期頻度法來處理微動資料，而是利用快速付氏變換求出微動信號的功率譜，根據功率譜出現的最大值，可求出微動的優勢頻率和相應的卓越周期。三、常時微動法的應用實踐表明，常時