CN105676281A - 利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法。该方法充分利用了瑞雷面波勘测带来的信息，根据瑞雷面波波速大小，对地层的岩土工程力学参数进行反演，结合钻探资料、剪切波速及室内土工试验进行对比验证，最终达到采用瑞雷波波速确定地层的各种力学参数，为没有钻探、坑探资料的岩土工程勘测提供地层力学指标参考值和地层划分。本发明高效、经济、实用，减少了大量的钻探、坑探工作，尤其适用于钻机难以到达的地形地质条件，结果合理有效，大大提升了工作效率，降低了成本，为地层的岩土工程力学性质参数的确定提供了一个有效的解决方法。

Description

利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法

技术领域

本发明属于岩土工程勘测领域，具体涉及一种利用瑞雷面波波速反推地层各种岩土工程力学参数的方法。

背景技术

瑞雷面波在研究地球内部结构、近地表各种工程勘查问题中，尤其在近地表地层结构与属性特征获取方面，是一种非常有效的地震勘探方法。由于瑞雷面波与横波速度密切相关，因此，通过提取瑞雷面波的频散曲线来反演横波速度，进而获取地层结构、构造等信息以实现勘探目的。其实，瑞雷面波中隐含的信息是非常丰富的，而目前利用瑞雷面波进行勘探的方法提取的信息有限，体现的地质信息过于单一、不够直观，影响了瑞雷面波在地质勘测领域的应用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种利用瑞雷面波勘探，从而减少钻探、坑探工作量，扩展岩土工程勘测适用性，提高勘测速率，降低勘测成本的地层岩土工程力学参数确定方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法，包括以下步骤：

a、设置检波器：首先，在地面上沿瑞雷面波的传播方向，以一定的道间距Δx设置M个检波器；

b、测量瑞雷面波波速V_R：震源激发后，在相邻检波器之间接收到的瑞雷波的时间差为Δt或瑞雷波的相位差则测量范围MΔx内瑞雷面波波速为：或其中i是自然数,在同一测点测量出一系列频率f_i的V_Ri值，得到一条V_R-f曲线，即频散曲线，频散曲线也可转换为V_R-λ_R曲线，λ_R为瑞雷面波波长，λ_R＝V_R/f；

c、求取瑞雷面波波速V_R与剪切波波速V_S相关性：通过频散曲线进行反演解释，可得到地下不同深度的瑞雷面波波速V_R值；并得出V_R与V_S的相关式：V_R＝V_S·(0.87+1.12μ)/(1+μ)，其中μ为泊松比；

d、根据V_R与V_S相关式求取地基力学参数，并适当进行钻探、剪切波法测试、土工试验，对瑞雷波勘探结果进行验证。

其中地基的各种力学参数如下：

动剪切模量G_d＝ρV_S ²(KPa)，其中ρ是密度，

泊松比μ＝(V_P ²-2V_S ²)/2(V_P ²-V_S ²)，其中V_P是纵波波速

静止土压力系数K₀＝(lgV_S-1.875)/0.398，

先期固结压力P_C＝100(lgV_S-1.998)/0.51，单位KPa，

无侧限抗压强度Q＝100(lgV_S-2.127)/0.443，单位KPa，

内摩擦角单位°，

内摩擦力C＝Q/2，单位KPa，

确定地基承载力f_k＝12·N，N是土层的标准贯入击数，N与地基土剪切波速V_S之间存在着相关关系：A和B为经验系数，不同的地区和地质情况，取值不同。

进一步的，步骤d中适当进行钻探、剪切波法测试、土工试验，对瑞雷波勘探结果进行验证的过程如下：

1)在工区选择3个以上钻孔，进行标准贯入实验获得不同深度标准贯入击数，然后在对应钻孔位置分别进行瑞雷波法勘探，获取该勘探点不同深度瑞雷波速，依据公式计算不同深度标准贯入击数，验证是否吻合。

2)随后，将该钻孔的土样运回土工实验室，进行土工实验，测试土样内摩擦角内摩擦力C，承载力f_k物理力学指标，再依据公式计算对应力学指标，验证是否吻合。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明根据瑞雷面波波速的大小与介质的物理特性之间的相关关系，根据岩土工程勘测实例，找出地层物性和瑞雷面波波速之间的函数关系，结合钻探资料、剪切波速及室内土工试验进行对比验证，能准确的计算出地层的岩土工程力学性质参数，为没有钻探、坑探资料的岩土工程勘测提供地层力学指标参考值和地层划分。本发明高效、经济、实用，减少了大量的钻探、坑探工作，尤其适用于钻机难以到达的地形地质条件，结果合理有效，大大提升了工作效率，降低了成本，为地层的岩土工程力学性质参数的确定提供了一个有效的解决方法。

附图说明

图1标准贯入击数N等值线剖面图，图中●为标准贯入试验击数；N为瑞雷横波换算贯入击数；

图2是本发明瑞雷面波频散曲线图，图中H为等波速层层厚，Vs为瑞雷波波速；

图3是本发明实验工区钻孔内剪切波波速数据表；

图4是本发明中心测点面波频散曲线；

图5是本发明瑞雷波法计算剪切波波速成果表；

图6是本发明瑞雷面波深度—速度剖面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种利用瑞雷面波勘探地层岩土工程力学参数的方法，具体实现包括如下步骤：

a、首先，在地面上沿瑞雷面波的传播方向，以一定的道间距Δx设置M个检波器；

b、震源激发后，在相邻检波器之间接收到的瑞雷波的时间差为Δt或相位差则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度为：

V_Ri＝Δx/Δt_i或

在满足空间采样定理的条件下，则测量范围MΔx内瑞雷面波波速为：或在同一测点测量出一系列频率f_i的V_Ri值，就可以得到一条V_R-f曲线，即所谓的频散曲线,当然，频散曲线还可以转换为V_R-λ_R曲线，其中λ_R为波长，λ_R＝V_R/f；

c、通过对频散曲线(V_R-f曲线或V_R-λ_R曲线)进行反演解释，即可得到地下不同深度的瑞雷面波波速V_R值；

d、V_R值的大小与介质的物理特性有关，这是其作为岩土的物理性质评价指标的根本原因；

e、V_R与V_S(剪切波、横波)具有很好的相关性，其相关式为：

V_R＝V_S·(0.87+1.12μ)/(1+μ)，

式中μ为泊松比，在场地随机选取几个位置，进行钻探，可测得不同深度的剪切波波速数值，与使用本式计算得到的剪切波速进行对比，若存在误差则须进行校正；

f、国内外的大量试验研究成果表明，地基土剪切波速V_S、土层的标准贯入击数N之间存在着相关关系：

式中A和B为经验系数，不同的地区和地质情况，取值不同，根据e步骤中的钻探实测的标准贯入击数，对式中经验参数进行确定，以便通过瑞雷面波波速计算整个工区的标准贯入击数；

g、确定地基的各种力学参数：

动剪切模量G_d＝ρV_S ²(KPa)，其中ρ是密度，

泊松比μ＝(V_P ²-2V_S ²)/2(V_P ²-V_S ²)，其中V_P是纵波波速，

静止土压力系数K₀＝(lgV_S-1.875)/0.398，

先期固结压力P_C＝100(lgV_S-1.998)/0.51，单位KPa，

无侧限抗压强度Q＝100(lgV_S-2.127)/0.443，单位KPa，

内摩擦角单位°，

内摩擦力C＝Q/2，单位KPa，

h、利用以上公式，即可根据瑞雷面波波速计算得到各种参数，进而得到各参数的剖面等值线图；

i、确定地基承载力f_k，其与剪切波速V_S之间服从指数相关关系：f_k＝12·N；

j、由于各地区地质情况的不同，经验参数选取则不尽相同，在工区适当进行钻探、剪切波法测试、土工试验，以确定新工区经验参数，保证瑞雷波勘探结果的正确性，同时也能辅证勘探效果。过程如下：

1)在工区选择3个以上钻孔，进行标准贯入实验获得不同深度标准贯入击数，然后在对应钻孔位置分别进行瑞雷波法勘探，获取该勘探点不同深度瑞雷波速，依据公式计算不同深度标准贯入击数，验证是否吻合。

2)随后，将该钻孔的土样运回土工实验室，进行土工实验，测试土样内摩擦角内摩擦力C，承载力f_k等物理力学指标，再依据公式计算对应力学指标，验证是否吻合。

实施例1

以下是国电吴起周湾一期49.5MW风电场工程风机位F17的测试过程。陕北黄土地区，地质情况较为简单，但地形起伏高差较大，很多地点钻机难以达到。

首先按照勘探目的布设瑞雷面波勘探测线，完全包含探测区，这样能采集到足够的信息。然后激发震源，一般采用锤击震源激发瑞雷面波，多激发几次以确保检波器采集到的信息具备高信噪比。分析检波器采集到的信息，可以得到瑞雷面波的频散曲线(即V_R-f曲线)。

根据瑞雷波波速与剪切波波速的关系，计算剪切波波速。因为剪切波波速与瑞雷面波波速的对应关系式存在经验系数。因此需要在场地随机选取一些位置进行钻探，以校正经验系数，并辅证瑞雷面波勘探效果。钻探测量得到的剪切波波速如图3所示，其对应的瑞雷面波频散曲线如图4所示，而依据瑞雷面波计算的剪切波波速如图5所示。对比可知，由瑞雷面波波速计算得到的剪切波波速与钻孔实测波速非常接近，验证了本方法的有效性。

图1是整条瑞雷面波测线测得的瑞雷面波波速和深度直接的关系图。可以根据各个测点的频散曲线，将地下介质分层，如图2所示。根据各层剪切波速度的不同，可以计算不同深度的标准贯入值，即这里的经验系数的求取则是根据钻探已知钻孔的标准贯入值与剪切波波速的数值做相关分析，即可得到。

另外的地层岩土工程力学参数，也都可以由剪切波速度进行求取。我们将瑞雷面波勘探得到的这些参数与实测参数进行列表对比，见表1。

表1瑞雷面波勘探的标准贯入值与实验室实测值对比

由上表对比可知：根据瑞雷面波勘探所得到的地层岩土工程力学参数与实际数值非常接近，因此瑞雷波勘探是一种快速、经济地确定地基各种力学参数的有效方法。

经过实测钻探资料的校正之后，修正后的经验参数可以应用于同一工区未经钻探测量的地点的地层岩土工程力学参数的求取，可得不同深度详细参数如表2所示。

表2风机位H4瑞雷面波资料解释

Claims (3)

1.一种利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法，包括以下步骤：

a、设置检波器：首先，在地面上沿瑞雷面波的传播方向，以一定的道间距Δx设置M个检波器；

b、测量瑞雷面波波速V_R：震源激发后，在相邻检波器之间接收到的瑞雷波的时间差为Δt或瑞雷波的相位差则测量范围MΔx内瑞雷面波波速为：或其中i是自然数,在同一测点测量出一系列频率f_i的V_Ri值，得到一条V_R-f曲线，即频散曲线，频散曲线也可转换为V_R-λ_R曲线，λ_R为瑞雷面波波长，λ_R＝V_R/f；

c、求取瑞雷面波波速V_R与剪切波波速V_S相关性：通过频散曲线进行反演解释，可得到地下不同深度的瑞雷面波波速V_R值；并得出V_R与V_S的相关式：V_R＝V_S·(0.87+1.12μ)/(1+μ)，其中μ为泊松比；

d、根据V_R与V_S相关式求取地基力学参数，并适当进行钻探、剪切波法测试、土工试验，对瑞雷波勘探结果进行验证。

2.根据权利要求1所述的利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法，其特征在于地基的各种力学参数如下：

动剪切模量G_d＝ρV_S ²(KPa)，其中ρ是密度，

泊松比μ＝(V_P ²-2V_S ²)/2(V_P ²-V_S ²)，其中V_P是纵波波速，

静止土压力系数K₀＝(lgV_S-1.875)/0.398，

先期固结压力P_C＝100(lgV_S-1.998)/0.51，单位KPa，

无侧限抗压强度Q＝100(lgV_S-2.127)/0.443，单位KPa，

内摩擦角单位°，

内摩擦力C＝Q/2，单位KPa，

确定地基承载力f_k＝12·N，N是土层的标准贯入击数，N与地基土剪切波速V_S之间存在着相关关系：A和B为经验系数，不同的地区和地质情况，取值不同。

3.根据权利要求1所述的利用瑞雷面波波速确定地层力学参数的方法，其特征在于步骤d中适当进行钻探、剪切波法测试、土工试验，对瑞雷波勘探结果进行验证的过程如下：

1)在工区选择3个以上钻孔，进行标准贯入实验获得不同深度标准贯入击数，然后在对应钻孔位置分别进行瑞雷波法勘探，获取该勘探点不同深度瑞雷波速，依据公式计算不同深度标准贯入击数，验证是否吻合；

2)随后，将该钻孔的土样运回土工实验室，进行土工实验，测试土样内摩擦角内摩擦力C，承载力f_k物理力学指标，再依据公式计算对应力学指标，验证是否吻合。