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S波在工程地球物理中的应用
发布时间:2019-06-17
 
 
 

工程地球物理的目的

 

地下结构是三维的,一维钻孔或标准贯入实验(SPT)虽然探测效果较为直观,但其探测范围较小,成本较高,只能提供单点区域信息,无法做到大面积探测,而工程地球物理则以其探测范围广,技术手段丰富和价格相对低廉的优点,被广泛应用。

 


一张A4纸即可覆盖5个5英寸钻孔或20个SPT实验区域

 

工程地球物理方法主要应用于

 
 

 

  • 探索构造薄弱区,避免地陷或沉降;

  • 确定土壤动参数,从而计算地基强度;

  • 圈划地质结构,避免不良地质、空洞等;

  • 施工监测,如避免隧道掘进机被卡死等;

 
 
 
 

 

工程地球物理可应用的领域

 

 
 

S波在工程地球物理中的优点

 

 

地震方法的优点

地震探测对岩石机械性能较为敏感,可通过测量获得岩土工程师所需的岩石和土壤力学参数;

 

 

S波(剪切波)地震方法的优点

  • 与剪切模量直接相关;

  • 相比P波探测分辨率更高;

  • 不受地下水位影响;

  • 与应力引起的各向异性直接相关;

剪切模量与S波地震探测的关系:

G=ρ·Vs2,其中G为剪切模量,ρ为介质密度,Vs为S波波速。

不同探测方法的剪切模量与剪切应变比例关系

相比P波探测分辨率更高:

与P波探测相比,在同样的介质中,S波往往振幅较大,而波速较低波长较短,振幅较大则信号质量好,波长较短则分辨率高。

同介质条件下S波与P波的波长对比

不受地下水水位影响:

S波一般无法在流体中传播,水作为孔隙流体对S波传播没有贡献。

地下水会到导致P波探测分辨率降低,而S波不受影响

与应力引起的各向异性直接相关:

S波在传播过程中具有水平极化(SH)和垂直极化(SV)两个极化方向,可获取更多的地质构造与岩石物理参数信息。

S波的水平极化与垂直极化

 

S波在工程地球物理中的应用

 
 

 

 

主要应用方法

  • 孔中波速测试(DHT);

  • 跨孔波速测试(CHT);

  • 跨孔层析成像;

 

孔中波速测试(DHT)

可沿某单孔获得地质地层的剪切波速度(VS)和压缩波速度(VP)。如此可以获得剪切模量、泊松比、杨氏模量等土壤动参数,从而预测土壤对动力载荷的响应。相比跨孔波速测试,DHT法的垂向分辨率较低。

孔中波速测试原理与波形

孔中波速测试设备-锤击震源与孔中检波器

跨孔波速测试(CHT)

可获得两孔间剪切波速度(VS) 和压缩波速度(VP)沿深度变化的曲线,并且垂向分辨率高。该方法被用于获取土壤动参数,例如剪切模量、泊松比和杨氏模量等。有了这些参数,工程人员就可以预测土壤对动力载荷的响应。

跨孔波速测试原理与成果(注意震源方向的扭转)

跨孔波速测试设备-能量供应系统、震源及孔中检波器

跨孔层析成像

可获得两孔间高分辨率的2D或3D地震速度图像。该方法被用于刻画地质构造,描绘空洞和软弱区,研究土壤和岩石的力学性质等。此方法可以帮助工程人员调查建筑物和桥梁的基岩层,从而在基础设施建设的前后描绘地下特征,并且在短长期内加以监控。

S波跨孔层析成像原理与成果


跨孔层析成像设备-能量供应系统、SH震源、SV震源及孔中检波器链
 

总结


 
  • 钻孔取样覆盖范围较小,可通过地震勘探等地球物理方法来填补空白;

  • S波地震方法在判定剪切强度时较为有效;

  • S波地震方法可测量水平和垂直极化的各向异性;

  • 主要应用方法包括孔中波速测试(DHT),跨孔波速测试(CHT),跨孔层析成像等


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