CN111622201A - 一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程场地勘探领域，提出一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法。将要分析的场地土层划分成等厚度的多层结构，分析场地上获取的面波数据提取频散特征，计算得第一层土的剪切波速；建立第二层土的剪切波速的计算公式，代入半波长在第二层土深度范围内的面波相速度及第一层土的剪切波速以计算第二层土的剪切波速；重复利用已得的信息结合具有更长波长的面波成分的相速度计算更深一层的土层剪切波速；基于所得的土层剪切波速随着深度的变化计算勘查场地的等效剪切波速。发展的土层等效剪切波速直接计算方法，能避免低效率和陷入局部最优的反演分析，对于提高利用面波法进行工程场地分类的效率和精度具有重要的工程意义。

Description

一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法

技术领域

本发明属于岩土工程场地勘探技术领域，提出了一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法。

背景技术

土层等效剪切波速是工程场地分类的重要参数，而工程场地的分类是确定设计地震作用的必要步骤之一。面波法是获得土层剪切波速的一种重要方法，具有无损、快速、经济的优点。面波法主要包括三个步骤：(1)获取现场面波数据，(2)频散分析提取面波频散特征，及(3)基于面波频散特征计算土层剪切波速随着深度变化的剖面图。利用土层剪切波速的剖面图就可以计算场地等效剪切波速。因此，发展高效且精确的土层等效剪切波速直接计算方法，对于提高利用面波法进行工程场地分类效率和精度具有重要的工程意义。

研究表明，反演分析是传统面波法从面波频散特征计算土层剪切波速随着深度变化剖面图的必要步骤，但是反演分析需要大规模的迭代计算以找到最优解。反演分析的计算效率低，且计算可能陷入局部最优而不是全局最优而导致错误的计算结果。开发基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法，能避免低效率和陷入局部最优的反演分析，成为本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在提出一种全新的基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法。其技术方案是：首先，将要分析的土层划分层等厚度的多层结构，利用面波在高频时的非频散特性，将最高频面波的相速度除以和土层泊松比相关的系数计算得第一层土的剪切波速；其次，利用特定频率的面波相速度和半波长范围内土层的平均剪切波速成正比的特性建立第二层土的剪切波速的计算公式，代入半波长在第二层土深度范围内的面波相速度及第一层土的剪切波速以计算第二层土的剪切波速；接着，重复上一步利用已计算得的信息结合具有更长波长的面波成分的相速度计算更深一层的土层剪切波速；最后，基于所得的土层剪切波速随着深度的变化计算勘查场地的等效剪切波速。

本发明的技术方案：

一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法，步骤如下：

步骤一：获得第一层土的剪切波速

将要分析的土层划分成等厚度的多层结构，利用面波在高频时的非频散特性，将高频面波的相速度除以和土层泊松比相关的系数，得第一层土的剪切波速；

当有多个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，第一层剪切波速采用下式计算：

式中：V_ph(λ)是波长为λ的面波成分的相速度，波长λ＝V_ph/f是频率为f面波成分的波长，β是与泊松比相关的系数：

式中：υ是土层的泊松比，为0.3～0.45之间的一个常数；

当仅有一个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，第一层剪切波速采用下式计算：

V_Si＝V_ph(λ_min)/β,

步骤二：构建第二层及以下土层的剪切波速

半波长覆盖范围内的土层平均剪切波速是各土层剪切波速的加权平均值：

式中：V_sj是第j层土的剪切波速，h_j是第j层土的厚度，λ_i/2是在第i层深度范围内的面波成分的半波长；基于上式推导出第i层土的剪切波速计算公式：

步骤三：计算土层等效剪切波速

基于所得的土层剪切波速信息计算勘查场地的等效剪切波速：

式中：V_si是第i层土的剪切波速，h_i是第i层土的厚度，∑h_i是勘查场地土层的总厚度，取30m。

本发明的有益效果：基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法，对提升场地面波勘查方法的效率和精度具有重要价值。

附图说明

图1是本发明计算方法的流程图。

图2是本发明采集的面波原始数据。

图3是本发明采集的面波原始数据的频散曲线。

图4是本发明计算场地的等效剪切波速求解步骤图。

图5是本发明方法的计算结果、反演分析结果及钻孔勘查结果的对比图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

采用一个实际场地的面波频散数据、反演分析结果及钻孔结果，以验证本方法的有效性。

具体实施方式如下：

(1)对勘查场地开展面波数据采集，现场面波数据采集方法见图1，现场采用62个4.5赫兹检波器记录来自右侧5公斤钢锤与地面的冲击产生的面波信号，钢锤上绑定了触发传感器，当钢锤敲击地面时，触发传感器触发控制采集开始采集数据。获得的面波原始数据见图2，对原始数据进行频散分析从面波原始数据中提取面波频散特征，提取结果见图3频散曲线；

(2)对场地的面波频散数据采用发明的新方法直接计算场地的等效剪切波速 (求解步骤见图4)，将要分析的土层划分成等厚度的多层结构，利用面波在高频时的非频散特性，将高频面波的相速度除以和土层泊松比相关的系数，得第一层土的剪切波速；当有多个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，需取多个频率面波成分的平均相速度值以计算剪切波速；当仅有一个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，取该面波成分相速度值以计算剪切波速；再基于半波长覆盖范围内的土层平均剪切波速是各土层剪切波速的加权平均值，并结合第一层剪切波速以计算第二层及以下土层的剪切波速；最后基于所得的土层剪切波速信息计算勘查场地的等效剪切波速；

(3)对比本发明方法的计算结果、反演分析结果及钻孔勘查结果(见图5)，其中钻孔勘查结果被认为是精确的结果；结果表明，本发明的计算精度(96％) 高于反演分析方法的计算精度(93％)，而且本发明的计算效率是反演分析方法的30倍。

Claims (1)

1.一种基于面波频散特征的土层等效剪切波速直接计算方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：获得第一层土的剪切波速

将要分析的土层划分成等厚度的多层结构，利用面波在高频时的非频散特性，将高频面波的相速度除以和土层泊松比相关的系数，得第一层土的剪切波速；

当有多个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，第一层剪切波速采用下式计算：

式中：V_ph(λ)是波长为λ的面波成分的相速度，波长λ＝V_ph/f是频率为f面波成分的波长，β是与泊松比相关的系数：

式中：υ是土层的泊松比，为0.3～0.45之间的一个常数；

当仅有一个频率面波成分的半波长小于第一层厚度时，第一层剪切波速采用下式计算：

步骤二：构建第二层及以下土层的剪切波速

半波长覆盖范围内的土层平均剪切波速是各土层剪切波速的加权平均值：

式中：V_sj是第j层土的剪切波速，h_j是第j层土的厚度，λ_i/2是在第i层深度范围内的面波成分的半波长；基于上式推导出第i层土的剪切波速计算公式：

步骤三：计算土层等效剪切波速

基于所得的土层剪切波速信息计算勘查场地的等效剪切波速：

式中：V_si是第i层土的剪切波速，h_i是第i层土的厚度，∑h_i是勘查场地土层的总厚度，取30m。

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