波速測試技術是地震勘探方法之一,也是地球物理勘探技術的一個重要分支,目前已廣泛應用于水利水電工程、石油工程、鐵路工程、冶金工程、工業與民用建筑等眾多巖土工程地質勘察領域,取得了良好的應用效果。一般來說,波速測試可原位測定壓縮波(P波)、剪切波(S波)和瑞雷面波(R波)在巖土體中的傳播速度,從而避免了室內測試所帶來的誤差,它能有效地解決許多地質問題,諸如確定場地土類型、建筑場地類別;提供斷層破碎帶、地層厚度、固結特性和軟硬程度、評價巖(土)體質量等;并可計算工程動力學參數,如動剪切模量、動彈性模量等。
當固體介質受到外力沖擊時,介質受到應力作用而產生應變,在作用于介質的應力消失后,應變和應力失去平衡,應變就在介質中以彈性波的形式由介質中的質點依次向周圍傳播,這種彈性波成分比較復雜,既有面波又有體波,體波又分為壓縮波(P波)和剪切波(S波),剪切波的垂直分量叫SV波,其水平分量稱Sh波。在地層表面傳播的面波可分為瑞雷波(Ray lcigh)和拉夫波(Love),各種波在介質中傳播的特征和速度各不相同。
彈性波速測試方法有:面波勘探法檢測地層的瑞雷波速度后,推算出地層的剪切波速度;單孔法或跨孔法可測定地層的壓縮波的速度Vp和剪切波的速度Vs。在巖土工程勘察中,通常只需測試地層的剪切波速度Vs,采用的測試方法以單孔檢層法最為簡單方便。
二、幾種波速測試方法
1、面波勘探,也稱彈性波頻率測深,是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波在自由表面附近傳播時,質點在波傳播方向的垂直平面內振動,振幅隨深度呈指數函數急劇衰減,質點的振動軌跡以波傳播的方向或反方向的橢圓軌道運動。
面波分為瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低,容易識別也易于測量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據激振震源的不同,又把面波勘探分為:穩態法、瞬態法、無源法。它們的測試原理是相同的,只是產生面波的震源不同罷了。目前常使用瞬態面波法進行勘探。
面波與地震勘探中常用的P波和S波不同,它是一種地滾波。彈性波理論分析表明,在層狀介質中,拉夫波是由SH波(水平方向S波)與P波干涉而形成,而瑞利波是由SV波(垂直方向S波)與P波干涉而形成,且R波的能量主要集中在介質自由表面附近,其能量的衰減與r-1/2成正比,因此比體波(P、S波∝r-1)的衰減要慢得多。在傳播過程中,介質的質點運動軌跡呈現一橢圓極化,長軸垂直于地面,旋轉方向為逆時針方向,傳播時以波前面約為一個高度為λR(R波長)的圓柱體向外擴散。
在各向均勻半無限空間彈性介質表面上,當一個圓形基礎上下運動時,由它產生的彈性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)計算出來,即P波占7%、S波占26%、R波占67%,亦就是說,R波的能量占全部激振能量的2/3,因此利用R波作為勘探方法,其信噪比會大大提高。
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單孔檢層法,也稱彈性波速度測井,是在一個垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。按照震源和檢波器在鉆孔中所處的位置,可分為:地表激發孔中接收法、孔中激發地表接收法、孔中激發孔中接收法、孔底法等四種測試方法,常用地表激發孔中接收法。
以巖(土)體的彈性特征為基礎,通過測定不同巖(土)層的S波、P波的傳播速度,計算巖(土)體的動彈性參數,據此判定巖(土)體的工程性質,為工程設計提供可靠的科學依據。實測一般采用單孔檢層的地表激發孔中接收法,即地面激發以產生彈性波,孔內由檢波器接收彈性波。當地面震源采用叩板時可正反向激發,并產生S波,利用剪切波震相差1800的特性來識別S波的初至時間。
實測通常由震源和記錄儀器組成,叩板震源設置一般距孔口2~7m,平放一塊壓重物的木板,測試孔應位于木板長軸的中垂線上,使木板與地面緊密接觸。木板長2.5~3.0m,寬0.3~0.4m,厚0.06~0.10m,上壓約500~1000kg的重物。當分別水平敲擊木板兩端時,產生彈性波(此時以S波為主)。記錄儀器由井中三分量檢波器和工程地震儀構成,三分量檢波器放置井中某一深度,接收由震源產生的彈性波信號,并通過連接電纜輸送給地震儀,再由地震儀記錄并存儲以備后期數據處理之用。