浅地表面波频散曲线响应特征研究及其应用

发布时间：2020-04-26 14:21

【摘要】：浅地表的横波速度是地震安全性评价、工程地质勘察、地基处理效果评价等的重要参数,了解地下介质的横波速度结构对工程建设与地质灾害预测和防御都有着重要的意义。要获得浅地表横波速度直接的方法可通过地球物理测井,但该方法耗时耗力,而面波勘探操作简单、工作效率高效高且是无损探测,因而面波勘探被广泛运用于工程地质勘察与工程质量检测等领域。面波勘探的核心就在于对频散曲线的研究分析,因此,加深对面波的频散曲线的研究能更加准确的获得地下的横波速度结构,对实际的工程实践起着指导性的作用。本文从面波频散曲线数值模拟和面波波场模拟两个方面研究浅地表瑞雷面波的频散曲线特征,频散曲线数值模拟可以研究层状介质模型的频散曲线特征,也可以综合分析研究不同阶数各个导波模式的频散曲线特征;波动方程的高阶有限差分数值模拟,可以模拟非层状介质模型以及地形起伏时的面波波场特征,从而可以提取其频散曲线进行研究。将二者结合可以更好的分析浅地表面波频散曲线的响应特征。本文首先介绍了瑞雷波频散曲线的正演算法,对横波速度增大的层状介质模型与含软硬夹层的层状介质模型进行了频散曲线正演。研究得出:对于不同的层状介质模型,基阶导波模式的相速度都存在零频极限与高频极限;不同阶数的高阶导波模式的频散曲线存在各自的截止频率,阶数越高,截止频率越大,在截止频率处,各高阶导波模式的相速度存在极限值。然后基于一阶应力-速度方程组进行波场正演,分别得到了地形变化模型、软弱地层模型、复杂地表条件下软弱夹层模型的波场记录,通过处理得到频散谱图,进而分析其频散曲线特征。研究得出:面波勘探中,要得到真实的相速度,在资料处理时,道间距应取检波器之间的真实距离而非它们之间的水平距离;在起伏地形下获得的频散曲线反映的是地下介质的法向厚度,而非它的垂向厚度;含有夹层的层状地层与含洞穴的非层状地层的频散曲线都可能产生“之”字型拐点,二者在频散曲线上难以进行区分时,可以通过波场记录进行区分;复杂地表条件下,瑞雷波的传播较为复杂,在利用瑞雷面波进行勘探时,要考虑地形变化对瑞雷波场以及频散曲线的影响。最后讨论了面波勘探的实际应用,先介绍了面波勘探在黄土地区的应用。然后立足于当前面波勘探的发展现状与实际的应用需求,介绍了主被动源面波联合勘探的优势,并结合工程实例证明了面波联合勘探可以同时保证面波勘探的精度与深度。
【图文】：

技术路线图

图 2-1 瑞雷波中质点的运动轨迹示意图在均匀半空间中，从式（2-27）可得，瑞雷面波的速度与振动频率无关，所以在均匀介质中，瑞雷面波没有频散。在实际生产过程中理想均匀半空间地质模型是不存在的，对于二层或多层的分层介质，瑞雷面波是高度频散的，且它的传播速度是频率的函数， ( )R RV = V f，即速度随频率而改变。面波也是一个脉冲波，是由许多单频波组成，这也就意味着构成面波脉冲的每一个单频率波都有着自己的传播速度，我们称之为相速度。由于相速度随频率变化而变化，随着时间的变化，不同频率的单频波向前传播就会产生相位差，若考虑一段时间间隔 Δ t内面波的传播，前时刻面波脉冲包络线的极大值与现时刻存在有相位差的各单频波合成后的面波包络线的极大值之间的距离用Δpx表示，，各单频波在 Δ t时间内传播的距离为Δgx，在时间间隔 Δ t内，群速度U、相速度V 以及两者的关系为：pxVΔ=(2-28)
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4;P642.22

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本文编号：2641591