瞬态瑞利波相速度算法研究

瑞利波勘探是近年来发展起来的一种新型的岩土原位测试勘探方法。目前对其计算出的相速度偏差太大，因此本文利用平面瑞利波在层状介质条件下的频散特性，对瞬态瑞利波相速度的算法进行了研究。利用快速傅里叶变换(FFT)方法，提出了对信号进行预先调制，之后再对所求得的相位进行修正的方法；另为还须考虑其仪器采集信号时的时间差影响。根据以上算法求得的相速度更接近瑞利波真速度，从而提高了相速度的分辨率和精确度。通过现场试验总结出了三种类型信号模板。     

瞬态瑞利波法在秦峪滑坡勘查中的应用

秦峪滑坡是国道212线上最严重的滑坡之一,是在断裂带基础上发育的多层次、多期次大型滑坡群组合体.在探测覆盖层的厚度、基岩埋深、滑坡的滑动面等方面,瞬态瑞利波勘探是一种有效的地震勘探手段,为此利用瞬态瑞利波勘探方法对秦峪滑坡进行了勘探,基本查明了滑坡的剖面结构,为国道212线秦峪滑坡的治理以及拟建兰州一海口高速公路的选线和设计提供理论依据.     

基于矢量波数变换法的主动源瑞雷波多模式提取方法在近地表地层结构探测中的应用研究

基于瞬态多道面波分析法(MASW)的数据采集方式, 对矢量波数变换法(VWTM)、相移法和高分辨率拉东变换法3种瑞雷波频散成像方法进行对比分析。首先, 采用合成地震数据对比3种方法的成像效果, 发现VWTM在成像精度和成像质量方面都有很大的优势, 成像分辨率高, 与理论频散曲线拟合准确, 高阶模式成像效果突出, 且抗噪能力也优于另两种方法。然后, 采用实际多道瞬态面波数据进行对比分析, 发现与相移法和拉东变换法相比, VWTM在瑞雷波基阶模式成像精度和高阶模式成像质量方面仍具有优势。采用遗传算法对比基阶与高阶频散曲线反演结果, 发现含有高阶模式的多模式频散曲线联合反演的多解性明显降低, 反演结果精度更高, 也更稳定。在实际瞬态瑞雷波勘探实践中, VWTM能够高质量地提取多模式瑞雷波频散特征, 可为多模式面波频散联合反演提供可靠的基础数据。研究结果表明, 将VWTM法与有效的反演方法相结合, 可以极大地提高瑞雷波浅地层探测能力和探测精度。     

基于多模式分离的S变换瑞雷波频散曲线提取

对多阶模式下的瑞雷波信号进行分离,利用S变换计算2道数据单模式的频散曲线并进行反演得到二维横波速度剖面,以提高瞬态瑞雷波法横向分辨率。对理论模型和实际瑞雷波数据进行处理和分析,研究结果表明:利用S变换计算2道数据的频散曲线时,采用F-K分离后的单模式瑞雷波数据可有效提高计算精度,在此基础上对多条频散曲线进行反演得到的二维横波速度剖面可提高瑞雷波法勘探的横向分辨率;采用该方法还可计算2道数据的高阶模式频散曲线。     

基于Fourier变换的瑞雷面波分离提取及实例分析

应用Fourier变换法分离提取地震记录中不同模态的瑞雷面波,其原理是:利用瑞雷面波各模式传播速度的差异,将时间域中叠加在一起的瑞雷面波信号在频率波数域中分开,以此实现分离提取各阶模态瑞雷面波。研究结果表明:τ-p变换只能提取浅部能量较强的部分瑞雷面波,不能提取瑞雷面波的全部频散成分且不能使不同模态瑞雷面波分离;利用Fourier变换可以准确分离提取不同模态的瑞雷面波,且经分离后计算所得频散曲线的频带宽度扩展,有利于提高瑞雷面波勘探的能力。     

岩石边坡失稳的瑞利面波频散响应特征

根据边坡失稳的地球物理模型,系统研究了岩石边坡失稳的瑞利面波基阶模的相速度、波数响应特征,总结了边坡从稳定→失稳演化过程的瑞利面波基阶模频散特征变化规律,从中提取边坡失稳的瑞利面波基阶模相速度、波数、频散曲线等特征标志,使瑞利面波法不仅能用于探测边坡失稳的滑动面或结构面,而且还能评价边坡的稳定性,对边坡失稳进行综合预测预报.     

瞬态瑞雷波勘探中的数字处理技术

针对瞬态瑞雷波勘探中出现的干扰大、精度低等问题 ,通过对探测数据进行处理并与实际结果对比 ,给出了瞬态瑞雷波勘探的数字处理技术。对原始记录数据进行零漂校正、数字滤波、时空切除和极化分析等处理 ,可以明显改善低频段的畸变 ,增强信号的相关性 ,使相位差谱的可靠性及频散曲线的分辨率得以提高。通过这些处理 ,提高了瞬态瑞雷波勘探的精度和深度     

面波勘探和台阵地脉动观测相结合的地基调查法及其在松江古照壁保护中的应用

通过对高密度面波勘探和台阵地脉动勘探的频散分析算法的理论分析,推导出了2种勘探数据频散分析目标函数的统一表达式.根据该结果,用加权函数将2个目标函数结合起来,联合分析2种数据得到一条由高频到低频的完整的频散曲线;反演该频散曲线就可得到由地表到大深度的地下构造.将该方法应用于松江古照壁文物保护之地基勘查,为建立地震响应分析模型提供了由地表到40 m深处的横波速度构造.该方法是一种简便快速并兼顾浅层精度和勘探深度的工程地质调查方法.     

浅地表面波频散曲线组合勘探方法

面波勘探方法因其分辨率高、能量强,而且成本低、操作便捷等优势,被广泛应用于浅地表S波速度结构探测。为了兼顾面波探测深度及浅层分辨率,通过不同道间距组合,不同主频检波器组合,主、被动源组合,获得宽频带的面波频散曲线,实现在提高探测深度的同时保持浅层分辨率。实测结果表明,面波频散曲线组合勘探有效拓宽了频散曲线的频带宽度,兼顾了横波波速度结构反演深度和浅部速度结构的分辨率。     

瑞利波泄漏模式的模拟研究

瑞利导波相速度频散曲线有时会出现截止或截断现象,此时必须考虑泄漏模式波的存在,如何快速求取泄漏模式波的相速度大小是研究的核心问题．采用添加附加层的方法,使瑞利波实频散方程求根的范围包含所有的层速度区域,从而可用Abo—zena,Menke和Bixing Zhang等学者研究过的传递矩阵理论,利用二分法求解相速度大小,即用导波来模拟计算泄漏模式波相速度大小．从模拟计算结果来看,附加层法不仅能模拟出原模型的实数导波,而且还能计算出泄漏模式波的变化．由此可见,用附加层法来计算瑞利波的泄漏模式是可行的;同时,若将该方法应用于瑞利波勘探的反演,它不会增加未知数的个数。     

小波变换在面波插值中的应用

利用瑞雷面波的频散信息可有效反演浅层横波速度结构.但在大时空采样地震记录中,由于瑞雷面波的速度很低,其记录中的高频成分容易出现严重假频,甚至出现超周期现象,这会降低其频率速度谱的信噪比,影响频散曲线的提取精度,在高频段更加如此.基于小波变换原理,实现对瑞雷面波的时空插值;根据瑞雷面波同相轴线性的特点,将线性动校正引入到插值中,改善高频信息的插值效果;进行理论模型数据和实际记录的试算与频率速度谱的提取以及插值前后频率速度谱的对比分析.研究结果表明:基于小波变换原理的插值方法是正确的;该方法可以有效提高频率速度谱的信噪比和频散曲线的提取精度,为大时空采样地震记录瑞雷面波频散曲线的提取提供理论基础.     

水泥搅拌土防渗墙的瞬态面波无损检测技术

针对水泥搅拌土防渗墙的结构特点，开发了新型有效的瞬态面波法施工质量无损检测技术．引入刚度矩阵法求取理论频散曲线，利用最小阻尼二乘法对实测频散曲线进行拟合求得墙体剪切波速．通过理论分析及现场试验，确定适用于水泥土防渗墙的瞬态面波测试技术参数为：激振采用6．75～9kg的铁锤；传感器自振频率为28Hz；偏移距为8m；道间距为0．5m．从而形成了一种基于瞬态面波法原理的水泥土防渗墙无损检测技术．     

用双曲正切和反正切函数拟合面波频散曲线的适应性分析

双曲正切函数和反正切函数的形态与面波频散曲线较相似,将其用于频散曲线拟合可减少数据噪音对反演稳定性的影响。这两类函数的曲线形态都是单调变化的,无法完全刻画某些特殊地层结构形成的频散曲线的复杂变化情形,如果用这两类曲线来拟合频散曲线则会存在本质上的模型误差。通过一系列正演模拟,分别运用这两类曲线拟合随层厚、P波速度、S波速度和密度变化模型的频散曲线,定量分析每个参数的变化对拟合误差的影响。结果表明,拟合结果随着P波速度、密度和层厚变化的分布很稳定,误差值保持在0.03~0.11。在S波速度随深度单调增加的情况下,拟合误差变化起伏比较大,误差范围为0.00~0.14,表明这两类三角函数模型的适应性会随着地层间S波速度差异的增大而降低。当模型中含有一定厚度的倒转低速层的时候,拟合误差可高达0.30,表明双曲正切函数和反正切函数频散曲线模型均不适用于拟合含强烈反差的低速倒转地层的频散曲线。实验发现,严重影响频散曲线拟合的误差突跳难题,可以通过多个随机种子的组合得到有效解决。     

多分量瑞利波勘探研究

提出多分量瑞利波勘探技术的新思路，分析了噪声对相速度测量精度的影响，建立了用极化滤波提取有效瑞利波信号的方法。处理及分析表明：多分量瑞利波勘探与单分量法比较，勘探的可靠性有所提高。     

瑞利面波频散曲线的理论计算研究

通过定义一种新的位移应力矢量和势矢量,导出了一种新的传递矩阵,其形式简单明了,而且所有的矩阵元素均为实数值且为无量纲量,这种独到的优点使得本文的方法在数值稳定性上得到了很好的改善,在此基础上本文还对表面位移及短波、长波近似进行了研究,数值计算结果验证了本文方法的有效性,且表明了本文的方法完全适用于平面瑞利面波频散曲线的理论计算,扩宽了本文方法的应用范围。     

瞬态瑞利波分析方法在探测地质体结构中的应用

介绍了探测地质体结构的一般方法,重点介绍了爆破地震波的特征及地震波的探测方法.又对最近发展起来的面波勘探技术做了分析,重点论述了瞬态瑞利波频散特性及其应用.在此基础上,实验了一种可以控制的爆破地震波震源,该震源利用水介质的均匀性及各向同性、不可压缩等特点,减少了爆炸冲击波对周围岩体介质的损坏,又保持了爆炸波功率大,能够提供尖锐的脉冲信号,频域范围大的特点,从而改变了爆破地震波震源不能重复和难以总结其规律的状况.利用瑞利波探测技术和可控爆源,对茅坪滑坡体进行了地质体结构探测,并对其地质体的分层特性做了详细分析,与钻孔勘探结果和挖竖井探测结果比较,二者有较好的一致性.说明结合瞬态瑞利波分析方法,该可控震源在地质体结构探测中有实际的应用价值.     

应用瞬态瑞利波技术跟踪探测煤层夹矸的变化

论述了瞬态瑞利波探测技术的工作原理、工作方法和在山西晋城煤业集团矿区的应用情况。结果表明:该方法探测距离远,应用范围广,操作简便,能够为矿井超前勘探提供技术保障,尤其是为高瓦斯矿井和承压水矿井的安全开采提供了一种有效手段,有进一步推广应用价值。     

瑞雷波勘探在地铁车站中的应用分析

为了解决地铁车站洞桩法施工中地下空洞区的存在位置,采用了Fourier变换、滤波、小波分析等方法,研究了地下空洞区瑞雷波频散曲线的变化规律。结果表明:经过瑞雷波的频散曲线分析对整个场地地基土体工程地质性质的评价,选取了地下正常和地下有空洞的不同地层进行频散曲线对比,地下空洞区频散曲线图中拐点相当明显,由此确定频散曲线的不协调处为地下空洞区的位置,该方法证明了在浅层地下空洞区探测中的实用性和有效性,具有较好的应用效果和发展前景。     

计算瑞利波频散曲线的快速矢量传递算法

基于轴对称柱面瑞利面波，得到了一种计算层状介质中瑞利面波频散曲线的快速矢量传递算法，频散方程类似Menke方法的F矢量上传形式，上传矩阵F为3个五阶矩阵的乘积形式，提高了计算速度，而且各矩阵的元素均为无量纲量且为实数值，避免了以往方法中同一矩阵中各元素的数量级相差较大、出现复数运算的缺陷，提高了计算的精度及稳定性。此算法方法也避免了高频数值精度丢失问题和高频数值溢出问题。     

粒子群算法在面波频散曲线反演中的应用

针对目前线性化和非线性化算法在面波频散曲线反演中的局限性问题,分析了一种新的非线性全局优化算法——粒子群算法(PSO)及其基本原理和算法流程,并且采用了细化分层理论与粒子群算法相结合的方法,在求解横波速度结构的基础上,分别对四层速度递增理论模型和野外实测数据进行了反演试算.实验结果表明:频散曲线反演拟合效果较好,粒子群算法表现出了全局寻优特点.研究结论初步验证了粒子群算法在面波频散曲线反演中的可行性与有效性.