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《中南大学》 2004年
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瑞利波“之”字形频散与道路结构频散曲线的正演研究

杨天春  
【摘要】:瑞利面波勘探法是近年来才逐渐兴起的一种浅层地球物理勘探新方法。该方法具有操作简便、成本低等优点,它能迅速获得反映地层结构情况的频散曲线,且在浅层勘探方面具有较高的探测精度,因而在工程地质勘察和工程质量无损检测领域得到了越来越广泛的应用。 本文在前人研究的基础上,针对道路结构等典型的浅层地球物理系统进行研究,重点研究瑞利波“之”字形频散曲线产生的原因和道路结构瑞利波频散曲线的快速求取问题。 1、在详细分析国内外对瑞利面波的理论研究和应用现状之后,作者对水平层状介质中瑞利导波的传播理论做了认真地分析,并对二层、三层层状固体介质模型,以及含液体夹层的三层模型的瑞利导波相速度和群速度频散曲线进行了正演模拟。模拟研究发现:当瑞利导波存在多个模式时,各模式的相速度频散曲线是永远不相交的,只是随着频率的增大,相邻两频散曲线可能相交的趋势更强烈,这完善了前人对此问题的认识,为瑞利波研究及在工程中的应用奠定了理论基础;研究还发现了一种新的导波模式——截断模式,即一条导波频散曲线被分为分离的两段。由多导波模式的相速度频散曲线还可知,对于二层固体介质、结构层的横波速度随深度而递增的三层固体介质、含硬夹层(即高速夹层)的三层固体介质而言,若频率f→OHz,其 基阶模式的瑞利波相速度K一K底(K。为最底层介质的瑞利波速度); 若f。。,其基阶模式的K*K上(K上为最上层介质的瑞利波速度); 因此,随着频率f逐渐升高,野外实测的瑞利波相速度K曲线应该主 要为基阶导波模式。当三层固体介质中存在软夹层(即低速夹层)时, 若f 0 OHz,则其基阶模式的相速度K一Vr,(K,为最底层介质的瑞利 波速度);若f*。,其基阶模式瞬。岭2(珠2为中间层介质的横波速 度);若三层介质中存在液体夹层,当f、OHz时,基阶模式K一K,, 而基阶模式在高频段存在一个截止频率,截止频率处的瑞利波速度 K*玲2;由此可判定,野外实测的相速度频散曲线不仅有基阶导波 模式,同时还应有高阶导波模式波的存在,接收信号中存在模式间的 跳跃,因此频散曲线会产生“之”字形现象。 2、模拟计算了二层或三层介质模型存在多导波模式时,各导波 模式在地表的垂直位移大小,并讨论了声源中心频率变化对导波位移 的影响。由模拟结果可知,当介质中存在低速夹层时,导波垂直位移 的幅值曲线是由各阶模式叠加而成,不存在一个位移始终占优势的导 波模式;由此可见,检波器接收到的信号此时是多导波模式的叠加, 在多模式叠加的衔接处,由于能量的非连续性而产生能量的跳跃,由 此出现“之”字形。当介质中没有低速夹层存在时,其位移的幅值曲 线主要以基阶导波模式为主,说明此情况下检波器接收到的主要为基 阶模式。根据与实测资料的对比,说明了从位移最大的角度解释“之” 字形是合理的。此外,导波的位移与声源的参数存在密切关系,如声 源的中心频率发生变化时,各导波模式的激发强度(即位移)会发生 变化。所以在野外勘探中应根据勘探目的的不同,将声源频率控制在 合理的范围内,以便激发起有效的瑞利面波。 3、论文对道路结构地层频散曲线的求解进行了探讨。采用借助 于附加层的办法,即在计算频散曲线时,为计算目的的需要,假定在 路基的底部还存在一材质与面层完全相同的半无限层,由此可将复数 域的求解问题转化到实数域,用传递矩阵理论即可求解。通过与垂直 柔性系数法计算结果的对比来看,该方法是可行的。此外,道路结构 最大位移的频散曲线是由多个模式叠加而成。由此可断定,在考虑瑞 利波泄漏模式的情况下,实际勘探中道路结构的频散曲线也会存在 “之”字形现象。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P631.4

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