第三章淺震中的新技術(shù)新方法

隨著工程勘察任務(wù)的發(fā)展，對(duì)地震勘探的要求不斷提高，為了適應(yīng)工程勘察任務(wù)的需要，在常規(guī)反（折）射波法的基礎(chǔ)上又形成了一些新的方法?？v、橫波測(cè)試技術(shù)瑞利面波探測(cè)地震波CT技術(shù)樁基動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)第一節(jié)縱、橫波速測(cè)試技術(shù)測(cè)定巖土介質(zhì)的波速，計(jì)算出巖土介質(zhì)的彈性參數(shù)，評(píng)價(jià)巖土介質(zhì)的質(zhì)量。一、動(dòng)彈性參數(shù)測(cè)試原理二、波速測(cè)試方法1、震源（1）炸藥類震源----以縱波成分為主；（2）垂向打擊類震源----以縱波成分主；（3）定向打擊類震源----以橫波成分主；擊板法彈簧激震法鉆孔橫波錘和電火花震源2、工作方法（1）地表法----測(cè)地表巖土介質(zhì)的波速；

(2)單孔法和跨孔法----測(cè)深部巖土介質(zhì)的波速；3、縱波、橫波的識(shí)別（1）炸藥類震源有利于縱波的激發(fā)，機(jī)械類震源有利于縱波的激發(fā)；（2）Vp>Vs縱波出現(xiàn)在記錄的前部；(3)改變打擊方向后，縱波不變，橫波發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。三、動(dòng)、靜彈性參數(shù)之間的關(guān)系在評(píng)價(jià)巖體和地基的的穩(wěn)定性時(shí)：動(dòng)彈性參數(shù)—方便，可大量測(cè)試；靜彈性參數(shù)---采集標(biāo)本，室內(nèi)測(cè)試；兩者的性質(zhì)相同，但由于測(cè)試方法不同，其數(shù)值不同。我國南方某壩基動(dòng)、靜彈性參數(shù)的測(cè)試結(jié)果為：經(jīng)驗(yàn)公式南斯拉夫蘇聯(lián)科學(xué)院：

（適合完整的巖體）（適合破碎的巖體）（適合破碎含水的巖體）上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以借鑒，在一個(gè)新區(qū)工作時(shí)，最好做一定試驗(yàn)，建立適合本區(qū)的公式（非線性回歸）。如上表：四、巖土波速的應(yīng)用

不同性質(zhì)的巖土介質(zhì)波速不同，可通過波速評(píng)價(jià)巖體的性質(zhì)。而波速測(cè)定具有經(jīng)濟(jì)快速和無破壞性的優(yōu)點(diǎn)，該方法在工程勘察的各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。１、劃分巖土性質(zhì)和巖體質(zhì)量分類：0----0.5，巖土介質(zhì)越松軟其值越大，越堅(jiān)硬致密其值越小，一般為0.2----0.3。VP/VS與σ的關(guān)系

σ00.10.20.250.30.40.5VP/VS1.411.51.631.731.872.45∞（１）當(dāng)，且Ｖp較大：未風(fēng)化基地（２）當(dāng)，且Vp較?。褐饕獮樯盎蚵咽?。（３）當(dāng)Vp值低，而Vp/Vs值高時(shí)，表示經(jīng)常處于水位以上的粘性土壤。（４）當(dāng)Vp值接近水的速度（1500m/s），而Vp/Vs值高，可能表示水位以下的軟粘土層。完整性系數(shù):2、判斷砂土基地的“液化”—剪切波速度法液化：砂土基地在一定的條件下（飽和水、受到震動(dòng)），由原來的狀態(tài)變?yōu)椤罢硿黧w”的過程。液化后，砂土層的抗剪強(qiáng)度為零，造成地基塌陷、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。判斷基地液化的方法：經(jīng)驗(yàn)法；對(duì)比法。剪切波速度法：通過橫波波速的測(cè)定，監(jiān)測(cè)“液化”的發(fā)生。不發(fā)生“液化”時(shí)：Vs較大；發(fā)生“液化”時(shí)：Vs較小。剪切應(yīng)變和波速密切相關(guān)：

Ｇ：和相應(yīng)最大剪切應(yīng)變等有關(guān)的常數(shù)；Ｚ：砂土層的深度；Vs：在砂土層中測(cè)得的橫波波速；amax：地震時(shí)地面最大加速度；γ：為深度Ｚ以上砂土層的容重。基地不發(fā)生液化基地可能發(fā)生液化第二節(jié)瑞利面波法理論研究表明：當(dāng)有震源存在時(shí)，除產(chǎn)生縱、橫波外，還產(chǎn)生一種沿地表表層傳播的面波（1887年英國學(xué)者瑞利發(fā)現(xiàn)）。傳統(tǒng)地震勘探中是干擾波。近年來，通過對(duì)其傳播特征的研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表層巖土介質(zhì)進(jìn)行分層。--瑞利面波法一、瑞利波的基本特征１、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓；

２、頻率低、速度低，是一種直達(dá)波；

３、沿自由界面分布，穿透深度約為半波長(zhǎng)；４、在均勻介質(zhì)中波速無頻散；在非均勻介質(zhì)中有頻散。

以上特點(diǎn)，構(gòu)成了瑞利波法的基礎(chǔ)。穩(wěn)態(tài)瑞利波法：用專門儀器（GR-810面儀），用可控頻率的連續(xù)波震源。瞬態(tài)瑞利波法：用傳統(tǒng)的地震儀，脈沖震源。二、穩(wěn)態(tài)瑞利波法原理：

還可以用反演軟件計(jì)算各層的層速度。三、瞬態(tài)瑞利波法原理：

這個(gè)脈沖波包含各種各種頻率，由不同頻率的間諧波疊加而成，可用傅氏變分離出這些間諧波，求出不同頻率的間諧波的波速即可。設(shè)已分離出來頻率為f的瑞利波諧波瞬態(tài)法不需專門儀器，應(yīng)用面廣，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，原理復(fù)雜。穩(wěn)態(tài)法需專門儀器，應(yīng)用受限制，但數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，原理好理解。實(shí)際上，瞬態(tài)法是用數(shù)據(jù)處理過程，替代了瞬態(tài)法中的可控頻率連續(xù)震源。四、應(yīng)用實(shí)例第三節(jié)地震波的層析技術(shù)

是近年來發(fā)展起來的一種方法，借鑒醫(yī)學(xué)上Ｘ射線斷面掃描診斷的基本原理，利用大量的地震波信息進(jìn)行專門的演計(jì)算，得到被測(cè)區(qū)內(nèi)巖體的波速分布規(guī)律。是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。透射波的層析技術(shù)反射波的層析技術(shù)折射波的層析技術(shù)

透射波的層析技術(shù)(第七次)

地震ＣＴ技術(shù)在大風(fēng)埡隧道地質(zhì)病害診治中的應(yīng)用

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和推進(jìn),我國中、西部在鐵路、油氣、水利水電等領(lǐng)域的建設(shè)項(xiàng)目不斷增長(zhǎng),特別是高速公路的建設(shè)速度和投資規(guī)模增長(zhǎng)迅速.由于西部地區(qū)地形條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,工程地質(zhì)條件較差,在工程建設(shè)施工過程中,地質(zhì)病害頻繁發(fā)生,這不僅給工程物探提出了不少難題,同時(shí)也為工程物探技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供了廣闊的空間.

昆曼公路是中國通往東南亞的重要通道,其中的元江至磨黑段是穿越哀牢山山脈的復(fù)雜地質(zhì)路段,也是213國道的組成部分.大風(fēng)埡隧道位于元江至磨黑高速公路253+885～Ｋ257+238段,處于哀牢山山脈當(dāng)中,隧道最大埋深240ｍ,設(shè)計(jì)為分離式、雙洞、單向雙車行車隧道,上下行隧道相距離約50ｍ.隧道區(qū)位于布固江與元江一級(jí)分水嶺,屬元江水系,元江一級(jí)支流南溪河上游從區(qū)域內(nèi)流過。多次地質(zhì)病害的發(fā)生,嚴(yán)重影響了隧道的施工質(zhì)量和安全,特別是2003年9月20日,下行線Ｋ255+276～+300段坍塌冒頂,發(fā)生特大泥石流,隨后導(dǎo)致南溪河及其支流斷流.據(jù)地表和洞內(nèi)的水文地質(zhì)調(diào)查和觀測(cè),進(jìn)行病害勘查時(shí),Ｋ255+000～+700段地表南溪河及其支流下滲水量為30.22Ｌ/ｓ,洞內(nèi)排水量為22.89Ｌ/ｓ,地表水下滲量的75%從隧道排出.

勘查目的是查明隧道上覆圍巖坍塌松動(dòng)區(qū)和空區(qū)的位置、范圍和空間分布形態(tài);查清隧道匯水范圍、補(bǔ)給通道和補(bǔ)給地段,了解隧道上覆圍巖富水區(qū)的分布、南溪河及其支流地表水體與地下水的聯(lián)系;探明該段隧道區(qū)域內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造、斷層的位置、寬度、走向、傾角等產(chǎn)狀要素;分析病害發(fā)生的原因,并提供科學(xué)、合理的治理建議及措施.結(jié)合隧洞的工程水文地質(zhì)情況綜合分析,該段隧道上、下行線圍巖的波速較低,速度變化范圍較大.地表松散層的波速小于1.0ｋｍ/ｓ,厚度為2～6ｍ;塌方松動(dòng)區(qū)圍巖的波速較低,僅為0.8～1.8ｋｍ/ｓ,塌方形成裂隙最發(fā)育的松散區(qū)的波速小于0.8ｋｍ/ｓ;斷裂破碎帶巖體的波速較低,為0.8～2.0ｋｍ/ｓ;強(qiáng)-中風(fēng)化巖體的波速為1.8～2.5ｋｍ/ｓ;較完整的微風(fēng)化巖體的波速大于3.0ｋｍ/ｓ;上行線探測(cè)區(qū)內(nèi)巖體的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占40%左右,下行線探測(cè)區(qū)內(nèi)巖體的波速小于2.0ｋｍ/ｓ占60%左右,沿隧道縱向速度變化較大,說明該段隧道斷層、裂隙等構(gòu)造比較發(fā)育。

上行線塌方松動(dòng)區(qū)在Ｋ255+260～+330段附近,呈上下連通、寬約70ｍ的直立條帶狀。下行線塌方松動(dòng)區(qū)沿交叉斷裂面發(fā)育,在Ｋ255+060～+360段呈上大下小的不規(guī)則倒喇叭狀;塌方、突泥、涌水在地表形成塌陷坑和裂縫,但在隧道上方150ｍ范圍內(nèi)的圍巖中沒有空區(qū)形成;下行線Ｋ255+150～+200段隧道上部圍巖為兩條斷層面之間飽水破碎巖體和地下水運(yùn)移下滲的集中區(qū),該段圍巖由于受構(gòu)造影響變得軟弱破碎,自穩(wěn)性能變差,并飽含地下水,過高的巖體壓力和水頭壓力使已完成的隧道支護(hù)發(fā)生變形開裂和突泥、涌水,這是病害發(fā)生的主要原因.第四節(jié)垂直地震剖面法

井口激發(fā)，井中觀測(cè)，得到地震波沿垂直方向的變化，研究地下界面分布的一種地震勘探方法。特點(diǎn)：１、井中觀測(cè)，減少了表層的干擾和吸收，信噪比、分辨率高。２、可和鉆孔資料對(duì)比，解譯精度高。３、和波速測(cè)定中的“單孔法”相似。４、資料處理和解釋和“反射波法”相似。第五節(jié)樁基動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)

隨著高層、大型建筑的出現(xiàn)樁基礎(chǔ)得到了廣泛應(yīng)用。樁基的類型：鉆孔灌注樁；預(yù)制件樁；挖孔樁等。是地下隱蔽工程，都有一個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)的問題。樁基動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)：快速檢測(cè)樁基質(zhì)量的物探方法。穩(wěn)態(tài)振動(dòng)法；瞬態(tài)振動(dòng)法。一、穩(wěn)態(tài)振動(dòng)法（機(jī)械阻抗法）１、工作裝置（測(cè)樁儀）和工作方法

觀測(cè)速度導(dǎo)納，作出速度導(dǎo)納隨頻率的變化曲線：(Vc=Vc0(3600—4500m/s))２、基本原理將樁土體系看成質(zhì)量、彈簧、阻尼振動(dòng)體系，由彈性理論可導(dǎo)出速度導(dǎo)納的表達(dá)式。這里給出形式推導(dǎo)：速度的振幅值：

所以，速度導(dǎo)納曲線是周期函數(shù)，其周期為：３、應(yīng)用（１）設(shè)樁的長(zhǎng)度合格，計(jì)算ＶcVc=Vc0(3600—4500m/s)樁的強(qiáng)度合格。（２）設(shè)樁的強(qiáng)度合格，計(jì)算樁的長(zhǎng)度L。二、瞬態(tài)動(dòng)測(cè)法

１、反射波法樁的底面是一個(gè)良好的反射界面，產(chǎn)生反射波：

２、頻率法－－計(jì)算摩擦樁的承載力三、應(yīng)用實(shí)例第四章聲波探測(cè)

通過探測(cè)聲波在巖體內(nèi)的傳播特征來研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探方法。原理同波速測(cè)試技術(shù)。不同點(diǎn)波速測(cè)試聲波探測(cè)１、震源打擊類聲波發(fā)生器２、頻率低高（103—106HZ）３、探測(cè)范圍深淺４、分辨率低高第一節(jié)原理及工作方法一、原理二、工作方法

第二節(jié)聲波探測(cè)在工程環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用一、巖體動(dòng)彈性參數(shù)的測(cè)定：二、巖體的工程地質(zhì)分類在坑道、硐室等地下工程施工時(shí)，必須了解圍巖巖體的穩(wěn)定性，以便合理選擇開挖方案和支襯方案。１、縱波的波速縱波的波速與其抗壓強(qiáng)度成正比。２、完整性系數(shù)３、裂隙系數(shù)4、風(fēng)化系數(shù)：綜合參數(shù)巖體分類：5、衰減系數(shù)：聲波在巖體中傳播時(shí)，除波速發(fā)生變化外，振幅也發(fā)生變化。三、圍巖松弛帶的確定

當(dāng)?shù)叵率┕r(shí)，在隧道壁周圍形成巖石的破碎帶---圍巖松弛帶。形成原因：（１）應(yīng)力平衡的破壞；（２）機(jī)械振動(dòng)。松弛帶的厚度與圍巖性質(zhì)和隧道形狀有關(guān)。確定松弛帶的厚度是施工中常見的問題。可用聲波探測(cè)解決。工作方法：?jiǎn)慰追ā㈦p孔法（孔深１-２倍硐經(jīng)）利用巷道圍巖對(duì)震波的傳播速度確定巷道圍巖松動(dòng)圈地震波在不同狀態(tài)的巖層中傳播的速度不同，根據(jù)這一原理，利用KDzlll4—3型便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀，接收巖層中傳播的震波信息，解析得到震波速度，分析巷道圍巖持征，而后確定巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，進(jìn)而為巷道支護(hù)提供參考依據(jù)。大同煤礦集團(tuán)公司四臺(tái)礦103軌道石門，其斷面形狀為半圓拱形，巷道高度4m，支護(hù)形式為錨噴支護(hù)。103石門2號(hào)孔第一次測(cè)試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形幾乎一樣，每隔0.2M孔深處檢波器所檢到的首波滯后時(shí)間幾乎相等，說明圍巖基本一致，沒有松動(dòng)?？咨?.0～3.0M段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為2．072m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動(dòng)；孔深3．2～4．85m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為3．518m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動(dòng)，應(yīng)力集中。這兩個(gè)區(qū)相比，二區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號(hào)，波峰、波谷明顯，沒有衰減。103石門5號(hào)孔第一次測(cè)試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形不完全一樣，每隔0．2m孔深處檢波器所檢到的首波滯后時(shí)間也不完全相等，說明圍巖松動(dòng)情況不一致?？咨?．0～2．2m段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為1.746m／ms，該區(qū)圍巖松動(dòng)；孔深2．2～5．02m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為4．697m／ms，該區(qū)圍巖沒有松動(dòng)，應(yīng)力集中。這兩個(gè)區(qū)相比，后一個(gè)區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號(hào)，波峰、波谷明顯，沒有衰減。103石門6號(hào)孔第一次測(cè)試波形解析來說，檢波器所接收的首波波形不完全一樣，每隔0．2m孔深處檢波器所檢到的首波滯后時(shí)間也不完全相等，說明圍巖松動(dòng)情況不一致?？咨?．0～0．79m段為第一波速區(qū)，儀器將波速判讀為0．853m／ms，該區(qū)圍巖松動(dòng)，波速很?。豢咨?．79～4．66m段為第二波速區(qū)，儀器將波速判讀為2．153∥ms，該區(qū)圍巖沒有松動(dòng)。這兩個(gè)區(qū)相比，后一個(gè)區(qū)在12～20ms后仍能接收到后續(xù)波的信號(hào)，波峰、波谷明顯，衰減不是很快。

1號(hào)至7號(hào)孔兩次測(cè)試波形對(duì)比及波速解析結(jié)果見分層波速統(tǒng)計(jì)表2和表3。對(duì)整個(gè)斷面來說，孔中巖層平均速度基本在1．9—2．3m／ms之間，為正常值，低于該波速值，說明巖層發(fā)生新的變形或松動(dòng)，高于此值范圍，說明受應(yīng)力集中影響所致。波速發(fā)生變化的位置即為異常點(diǎn)，結(jié)合圍巖松動(dòng)發(fā)育特征，可進(jìn)一步判定出各孔中松動(dòng)區(qū)變化范圍。異常區(qū)域如圖5四、聲波測(cè)井

在鉆孔中進(jìn)行聲波測(cè)量，研究波速在鉆孔剖面上的變化，對(duì)巖性進(jìn)行分層。前面講到的“單孔法”就是這種方法。這種方法觀測(cè)的是折射波。

應(yīng)用跨孔地震ＣＴ技術(shù)檢測(cè)錨基基礎(chǔ)斷裂