横向非均匀介质瑞利面波波场物理模拟研究

发布时间：2020-11-19 18:28

　　 近年来,关于均匀介质模型、层状非均匀介质模型的瑞利面波的理论研究取得了较大的进展,然而岩土工程实际中最为常见的横向非均匀介质模型的理论研究却鲜有成果。这类模型由于建模复杂,不存在理论解析解,实际研究中遇到的困难较多,因此针对横向非均匀介质模型的研究较少,更缺少系统的物理模拟研究。论文采用物理模拟研究手段,针对横向非均匀介质模型,展开了系统的研究,主要有以下几方面的研究内容。(1)瑞利面波基础理论的分析和研究。主要分析了均匀介质和层状非均匀介质条件下瑞利面波速度频散和椭圆极化率频散的解析计算方法。研究和分析了多道瑞利面波速度频散分析方法中的傅里叶变换、τ-p域变换等常用方法和单道矢量面波椭圆极化率频散分析的H/V谱比法。(2)超声和声电地震物理模拟实验技术研究。依据超声地震物理实验理论和声电效应理论,利用超声换能器、声发射仪等仪器开展了瑞利面波的物理模拟实验,基于超声和声电地震物理模拟的基本原理、和虚拟仪器技术,研究和搭建了瑞利面波物理模拟实验平台。(3)瑞利面波速度频散物理模拟研究。基于多种不同的介质材料(花岗岩材料、人造冻砂材料)均匀介质模型和横向非均匀介质模型,分别采用声声测量和声电测量方式对点源瑞利面波速度频散特性进行了物理模拟研究。(4)瑞利面波椭圆极化频散物理模拟研究。基于人造冻砂的均匀介质模型和横向非均匀介质模型,采用声声测量方式对点源瑞利面波椭圆极化率频散特性进行了物理模拟研究,并对速度频散与椭圆极化率频散的横向分辨率进行了比较研究。通过以上研究,取得了以下的主要研究成果:(1)瑞利面波的接收换能器研制。在分析瑞利面波超声地震物理模拟实验系统中采用的现有超声换能器的弊端基础上,研制了共点的三分量超声接收换能器和基于声电效应的抗干扰能力强的可视为点状的接收电极。奠定了本文瑞利面波物理模拟的实验技术基础。(2)接收换能器的频带和尺度在瑞利面波速度频散物理模拟中的影响研究。基于不同带宽和不同直径的超声接收换能器和基于声电效应的可视为点状的宽带的接收电极的物理模拟研究表明,在瑞利面波频散模拟中,宽带接收换能器的使用是非常重要的。此外,接收换能器的尺度(换能器接收点的准确定位)是影响实验室瑞利面波的速度频散的纵横向分辨率的重要因素。由电极接收的伴随声电信号可以有效代替宽带超声换能器接收的超声波信号。该研究为发展点状宽带的接收装置提供了一种潜在的可能。(3)瑞利面波椭圆极化频散特征研究。物理模拟实验研究表明,在进行物理实验或野外测量瑞利面波椭圆极化时应在远场区,或面波占优区中进行。点源瑞利面波椭圆极化物理模拟不仅能够正确的识别出横向非均匀半空间介质模型,而且瑞利面波椭圆极化率频散比速度频散具有更高的横向分辨率。单道的面波椭圆极化率频散探测具有更高的工作效率和场地适应性。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P631.4
【部分图文】：

后解释了面波的形成过程，并分别对均匀介质和水平层状介质中瑞利面波传播的频散方程和质点位移公式等基础理论进行了简介和推导，对面波传播过程中速度、度频散、能量分布等特性作了简单介绍，为瑞利面波的物理模拟研究奠定理论基２．１弹性波基本理论??２．１．１弹性波传播特征??在固体介质中存在着两种不同类型的体波。就质点偏振特征而言，它们都是极化波，纵波质点的运动方向与传播方向相同，通常采用Ｐ波表示；横波质点运向与传播方向垂直，通常采用Ｓ波表示，为了方便，常将Ｓ波又分解成偏振方向垂直的ＳＨ波和５￥波［１２８］。??（１）纵波。纵波是由于介质的体积变化即介质发生挤压变形和拉伸变形而传播常称为Ｐ波。纵波在传播过程中存在着压缩区和拉伸区，压缩区与拉伸区交替变纵波在此过程中向前传播，故常称为压缩波。如图２－１－１。??

２．１．２弹性波波动方程??对于弹性介质内部一个足够小的体积单元，单元尺寸分别为ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ，当介质??受力时，单元六个面上的应力，都可以按作用面分解成法向应力和剪切应力，如图２－１－３??中所示［１２５，１２６］。脚标相同的表示的是法向应力，脚标不同的表示剪切应力。介质微元的??表面ＯＡＢＣ受到的外力为：??＾ＸＩ?＇?＾ｙｘ＇?＾ＺＸ??其中表示沿ｘ方向的法向应力，表示沿ｙ方向的剪切应力，＜７＾表示沿２方??向作用剪切应力。??Ｚ个??Ａ??

１／?Ｎｉｌ?Ｔｉｌ／（ａ）ＳＨ波传播示意图?（ｂ）ＳＶ波传播示意图??图２－１－２横波传播过程示意图??性波波动方程??弹性介质内部一个足够小的体积单元，单元尺寸分别为ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ，当介单元六个面上的应力，都可以按作用面分解成法向应力和剪切应力，如图２－１５，１２６］。脚标相同的表示的是法向应力，脚标不同的表示剪切应力。介质微元ＢＣ受到的外力为：??＾ＸＩ?＇?＾ｙｘ＇?＾ＺＸ??表示沿ｘ方向的法向应力，表示沿ｙ方向的剪切应力，＜７＾表示沿２切应力。??Ｚ
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本文编号：2890320