CN107092030B - 通过瑞雷波探测软黏土包的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过瑞雷波探测软黏土包的方法，包括：根据各道检波器获得的时域信号，获得合适的道间距；从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差，根据所述频率域的相位差，获得每两道检波器的相速度‑深度频散曲线；根据所有检波器的相速度‑深度频散曲线，获得区域内的相速度热图，根据所述区域内的相速度热图，探测软黏土包。本发明能提高对吹填滨海滩涂软土地基的地层掌握，增加处理方案设计的针对性，减少静力触探，钻探工作量，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及地质探测领域。更具体地说，本发明涉及一种通过瑞雷波探测软黏土包的方法。
背景技术
瑞雷波是地震波中弹性面波的一种，沿自由表面传播，在近地表的浅部其质点的振动轨迹为逆时针的椭圆，椭圆的长短轴之比为3：2。基本特性有：
1、地层瑞雷波相速度与横波速度相近。可以利用瑞雷波的波速来求取横波波速，进而计算岩土层的各种力学参数；
2、振幅随深度按指数衰减，影响深度约为一个波长，其能量主要集中在半个波长范围内，故某个波长相速度基本上等于半个波长内各地层的横波相速度加权平均值；
3、瑞雷波在不均匀的介质中传播时发生频散现象。体波在传播过程中是以极化群的形式出现，不发生频散现象，这一特性是提取瑞雷波信号的先决条件。
在滨海区吹填造地过程中，吹填砂土中不可避免或裹挟高含水率的淤泥团。另外，在吹填砂层流动填筑过程中，会夹带滩涂下卧软土层中的淤泥。这部分淤泥团分布范围广，深度在吹填砂层下半部分，尺度大致在1.0-5.0米左右，厚度一般为1.0-2.0米。勘察过程中，不会对这类小尺度地层做详细分析，软基处理方案设计时也不会有针对性。但在后期施工监测中，若监测设备恰好埋设在此类团块中或其上方，当采用强夯类动力加固时，砂层中淤泥团块中的孔隙水压力不能迅速消散，势必会影响监测点处的局部沉降，致使数据异常。面对此类问题，探测定位吹填砂层中饱和软粘土包势在必行。
现有采用瑞雷波探测地质的方法中，只停留在岩石中空洞、土中夹层分布等的瑞雷波探测技术，还未见对砂层中饱和软粘土包探测技术公开。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种通过瑞雷波探测软黏土包的方法，包括：
S1、根据各道检波器获得的时域信号，获得合适的道间距；
S2、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差，根据所述频率域的相位差，获得每两道检波器的相速度-深度频散曲线；
S3、根据所有检波器的相速度-深度频散曲线，获得区域内的相速度热图，根据所述区域内的相速度热图，探测软黏土包。
优选地，所述步骤S1之前还包括：
布置若干道处于一条直线上的检波器和静力触探点位，对所有检波器和静力触探点位进行编号，同时设置检波器的采样参数。
优选地，所述步骤S1具体包括：
S1.1、获取各道检波器的时域信号，估算瑞雷波的相速度，对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换，获得频域能量谱；
S1.2、从频域能量谱中选取对应振幅相对较大的频率段作为可靠频段；
S1.3、根据所述瑞雷波的相速度以及可靠频段，估算可靠的波长，根据道间距小于最小波长的原则，获得适合的道间距。
优选地，所述步骤S1.1中对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换的步骤，还包括：获得瑞雷波的频率-相位数据。
优选地，所述步骤S2具体包括：
S2.1、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差；
S2.2、根据频率域相位差和对应频率，获得相应的相速度，获得每两道检波器检测的瑞雷波的频率-相速度频散曲线；
S2.3、将所述频率-相速度频散曲线转换为相速度-波长曲线；
S2.4、根据所述相速度-波长曲线以及半波长理论，获得相速度-深度频散曲线。
优选地，所述步骤S3具体包括：
S3.1、按顺序将所有相速度-深度频散曲线数据列成矩阵，获得横坐标为距离，纵坐标为深度的相速度热图；
S3.2、将连续进行的所有测试得到的相速度热图合并为一个图，得到区域内的相速度热图；
S3.3、在所述区域内的相速度热图中，若某个区间的相速度小于其上、下层的相速度，则该区间存在软粘土包。
优选地，所述检波器的采样参数包括：相邻两道检波器的道间距、检波器的采样间隔、采样点极限以及总采样时长。
优选地，本发明通过瑞雷波探测软黏土包的方法，还包括：将下一次检测的测线布置在上一次检测的测线的延长线上。
本发明至少包括以下有益效果：本方法能提高对吹填滨海滩涂软土地基的地层掌握，增加处理方案设计的针对性，减少静力触探，钻探工作量，提高工作效率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明通过瑞雷波探测软黏土包的流程示意图；
图2为本发明实施例的检波器点位及静力触探点位布置的示意图；
图3为本发明实施例的相速度-深度频散曲线示意图；
图4为本发明实施例的锥头阻力曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种通过瑞雷波探测软黏土包的方法，包括：
S1、根据各道检波器获得的时域信号，获得合适的道间距；
S2、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差，根据所述频率域的相位差，获得每两道检波器的相速度-深度频散曲线；
S3、根据所有检波器的相速度-深度频散曲线，获得区域内的相速度热图，根据所述区域内的相速度热图，探测软黏土包。
本方法能提高对吹填滨海滩涂软土地基的地层掌握，增加处理方案设计的针对性，减少静力触探，钻探工作量，提高工作效率。
在一个可选实施例中，所述步骤S1之前还包括：
布置若干道处于一条直线上的检波器和静力触探点位，对所有检波器和静力触探点位进行编号，同时设置检波器的采样参数。
在一个可选实施例中，所述步骤S1具体包括：
S1.1、获取各道检波器的时域信号，估算瑞雷波的相速度，对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换，获得频域能量谱；
需要说明的是，时域信号即时间-振幅数据，频率-振幅数据即频域能量谱。
S1.2、从频域能量谱中选取对应振幅相对较大的频率段作为可靠频段；
S1.3、根据所述瑞雷波的相速度以及可靠频段，估算可靠的波长，根据道间距小于最小波长的原则，获得适合的道间距。
在一个可选实施例中，所述步骤S1.1中对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换的步骤，还包括：获得瑞雷波的频率-相位数据。即每一频率的瑞雷波在检波器所在位置对应的相位，例如频率f的波在检波器1处的相位为p1，在检波器3处的相位为p2，则可计算检波器1、3之间频率f的波的相位差dp。
在一个可选实施例中，所述步骤S2具体包括：
S2.1、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差；
S2.2、根据频率域相位差和对应频率，获得相应的相速度，获得每两道检波器检测的瑞雷波的频率-相速度频散曲线；
具体地，根据两道检波器得到的数据计算每个频率f下瑞雷波的相位差dp，由于dp随着f的变化而变化，因此实际得到了f-dp数据。设两道间的距离为x，则频率f的波对应的波长λ＝2πx/dp，由此，频率f下的相速度可由v＝fλ＝2πfx/dp。
S2.3、将所述频率-相速度频散曲线转换为相速度-波长曲线；
需要说明的是，当频率固定后，相速度v与波长λ之间有关系λ＝v/f，因此f-v数据可转换为v-λ数据。
S2.4、根据所述相速度-波长曲线以及半波长理论(瑞雷波的穿透深度H为其波长λ的一半)，获得相速度-深度频散曲线。
在一个可选实施例中，所述步骤S3具体包括：
S3.1、按顺序将所有相速度-深度频散曲线数据列成矩阵，获得横坐标为距离，纵坐标为深度的相速度热图；
S3.2、将连续进行的所有测试得到的相速度热图合并为一个图，得到区域内的相速度热图；
S3.3、在所述区域内的相速度热图中，若某个区间的相速度小于其上、下层的相速度，则该区间存在软粘土包。
在一个可选实施例中，所述检波器的采样参数包括：相邻两道检波器的道间距、检波器的采样间隔、采样点极限以及总采样时长。
在一个可选实施例中，还包括：将下一次检测的测线布置在上一次检测的测线的延长线上。
需要说明的是，在测试后期，出于测试更长断面地层信号的目的，本发明实施例将第二次检测的测线布置在第一次检测的测线的延长线上，即第二次检测的1号检波器设置在第一次检测的末号检波器点上。连续进行3、4次面波试验，将测试范围扩大到100米左右，通过数据处理可形成大范围的地层相速度剖面热图。
图2示出了本发明实施例的检波器点位及静力触探点位布置的示意图，如图可知，本发明实施例一共布置24道保持在一条直线上的检波器，道间距设置为0.5m，同时布置4个静力触探点位。
需要说明的是，检波器的采样间隔设置为0.03ms，采样点极限为30000个，总时长为0.9s，并确保每次采样参数设置准确。
各检波器及锤击点(即瑞雷波震源激发位置，与静力触探点不同，静力触探点一般选取为两个相邻检波器的中间位置)均保持在一条直线上，偏移距(锤击点与第一个检波器的距离)分别设置为1m和8m进行激发，采用两道法提取瑞雷波频散曲线时采用1m偏移距得到的数据。在1号检波器点侧激发后，增加在24号点侧偏移距1m和8m激发试验各一次。
2.1、通过检波器获得的时域信号估算瑞雷波的相速度。
2.2、对近端和远端的检波器(所有的检波器)获得的时域信号分别进行傅里叶变换，获得频域能量谱和频率-相位数据，从频域能量谱中找到检测的可靠频段。
2.3、通过步骤2.2估算的相速度和步骤2.2获得的可靠频段，估算可靠的波长范围，根据道间距小于最小波长的原则获得适合的道间距。
2.4、根据步骤2.3获得的适合的道间距，从第一道开始每次选取两道计算频率域的相位差；例如步骤2.3中估算得到适合的道间距为1m，则需要采用每两个间隔为1m的检波器得到的数据计算频散曲线。由于实际布置检波器的道间距为0.5m，因此由1/0.5＝2，需要检波器编号差为2的数据进行计算，如1、3道得到一条频散曲线，2、4道得到一条频散曲线。
2.5、根据频率域相位差和对应频率得到相应的相速度，由此得到频率-相速度频散曲线；在步骤2.4中可以根据两道检波器得到的数据计算处每个频率f下波的相位差dp，由于dp随着f的变化而变化，因此实际得到了f-dp数据。设两道间的距离为x，。则频率f的波对应的波长λ＝2πx/dp，由此，频率f下的相速度可由v＝fλ＝2πfx/dp。
2.6、将步骤2.5获得的频率-相速度曲线转换为相速度-波长曲线(当频率固定后，如2.5，相速度v与波长λ之间有关系λ＝v/f,因此f-v数据可转换为v-λ数据)，然后根据半波长理论获得相速度-深度频散曲线。
2.7、将所有相速度-深度频散曲线数据按距离顺序列成矩阵(即按照检波器编号，如步骤2.4所述，若采用编号差为2的检波器数据计算频散曲线，则依次列出1、3道，2、4道，3、5道等得到的频散曲线数据，形成一个矩阵)，进而得到横坐标为距离，纵坐标为深度的相速度热图；
2.8、将连续进行的所有测试得到的相速度热图合并为一个图，得到整个区域的相速度热图，在整个区域的相速度热图中，若某个区域的相速度小于其上、下层的相速度，则该区域存在软粘土包。
步骤2.6中的相速度-深度频散曲线如图3所示，图中横坐标表示相速度，纵坐标表示深度，图3的数据是由某两道检波器所得时域信号计算的频散曲线，在这两道检波器中间进行静力触探，从图中可以看出，曲线存在多个明显的回折，这些回折表示区域内存在较为明显的分层，即土体强度随深度变化剧烈。尤其是1.5m和4m深度附近的土体强度有明显的降低，而在这之间土体强度略有升高，变化不明显。
在图3对应的两道检波器中间进行静力触探得到的锥头阻力曲线如图4所示，图中横坐标为锥头的阻力，纵坐标为锥头的深度。由图4的锥头的阻力可以发现，土体强度由表面到下层的明显降低，尤其是在4m左右深度，土体强度大大降低，这与图3的瑞雷波频散曲线表现出的特征基本吻合。需要注意的是，由于静力触探对应于一点的数据，而瑞雷波法对应于一个范围内的平均数据，因此二者不可能完全对应。
每次布置24道检波器进行测试，连续进行3次测试，得到的瑞雷波的相速度热图，图中冷色区域表示瑞雷波速度较低，热色区域瑞雷波相速度较高，区域中相速度的最小值不足60m/s(深蓝色)，最大值超过140m/s(深红色)，因此在冷色区域意味着土体强度相对较低的区域，即存在软粘土的区域，尤其是上下热中间的区域，是典型的软粘土包。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，包括：
S1、根据各道检波器获得的时域信号，获得合适的道间距；
S2、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差，根据所述频率域的相位差，获得每两道检波器的相速度-深度频散曲线；
S3、根据所有检波器的相速度-深度频散曲线，获得区域内的相速度热图，根据所述区域内的相速度热图，探测软黏土包；
所述步骤S1具体包括：
S1.1、获取各道检波器的时域信号，估算瑞雷波的相速度，对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换，获得频域能量谱；
S1.2、从频域能量谱中选取对应振幅相对较大的频率段作为可靠频段；
S1.3、根据所述瑞雷波的相速度以及可靠频段，估算可靠的波长，根据道间距小于最小波长的原则，获得适合的道间距。
2.如权利要求1所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：
布置若干道处于一条直线上的检波器和静力触探点位，对所有检波器和静力触探点位进行编号，同时设置检波器的采样参数。
3.如权利要求2所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，所述步骤S1.1中对所述各道检波器的时域信号分别进行傅里叶变换的步骤，还包括：获得瑞雷波的频率-相位数据。
4.如权利要求3所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S2.1、从第一道符合所述适合的道间距的检波器开始，每次选取两道检波器计算频率域的相位差；
S2.2、根据频率域相位差和对应频率，获得相应的相速度，获得每两道检波器检测的瑞雷波的频率-相速度频散曲线；
S2.3、将所述频率-相速度频散曲线转换为相速度-波长曲线；
S2.4、根据所述相速度-波长曲线以及半波长理论，获得相速度-深度频散曲线。
5.如权利要求4所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S3.1、按顺序将所有相速度-深度频散曲线数据列成矩阵，获得横坐标为距离，纵坐标为深度的相速度热图；
S3.2、将连续进行的所有测试得到的相速度热图合并为一个图，得到区域内的相速度热图；
S3.3、在所述区域内的相速度热图中，若某个区间的相速度小于其上、下层的相速度，则该区间存在软粘土包。
6.如权利要求2所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，所述检波器的采样参数包括：相邻两道检波器的道间距、检波器的采样间隔、采样点极限以及总采样时长。
7.如权利要求2所述的通过瑞雷波探测软黏土包的方法，其特征在于，还包括：将下一次检测的测线布置在上一次检测的测线的延长线上。
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