大直径桩底岩溶三维探测试验研究

岩溶地区桥梁大直径桩基础受桩底岩溶威胁大,桩基施工过程中,在桩底狭小空间、泥浆沉渣富集等环境下,难以实现桩底三维精细探测。基于此,根据桩底探测环境和岩溶发育特点,提出了基于电磁波的桩底瞬变电磁方法和基于弹性波的桩底超声成像方法。通过建立足尺桩基岩溶模型,与现有地质雷达法和桩底声呐法对比,分别试验了所提方法对溶腔模型的探测效果,并总结出不同探测方法适用的桩基类型与异常解释原则。从适应环境、操作难度、探测深度、盲区、分辨率、解译、三维成像等方面比较不同桩底岩溶探测方法,综合来看,桩底超声成像方法有明显的优势,为大直径桩底岩溶探测提供了简单、有效的探测手段。

大规模三维大地电磁各向异性正演的非均匀网格外推多重网格法

大地电磁正演线性方程组求解的主要加速手段有并行技术和多重网格技术.传统的几何多重网格(GMG)方法依赖于均匀嵌套的正交网格,处理带跃变系数的问题时存在一定缺陷,且对各向异性问题需采用半粗化、线/面磨光等策略特殊处理,限制了GMG方法的应用.本文提出一种基于非均匀网格的外推瀑布式多重网格方法(EXCMG),快速求解三维大地电磁各向异性有限元正演形成的大型复线性方程组.首先,对库仑规范下电磁耦合势满足的向量Helmholtz方程,由Galerkin加权余量法推导有限元离散系统,得到大规模、稀疏、复线性方程组.然后,从最密的非均匀正交网格出发,逐层粗化得到一系列嵌套网格;借助Richardson外推及Lagrange二次插值技术,设计非均匀正交网格下全新的多网格延拓算子;利用前两层网格上的数值解,构造下层密网上有限元解的高精度逼近,作为多网格磨光算子——复数域不完全LU分解预处理稳定双共轭梯度算法(BiCGStab)的迭代初值,加速收敛.最后,通过典型地电模型验证算法的精度和效率.数值实验表明,本文提出的算法适用于较宽频带,加速效果明显,相较于预条件BiCGStab方法,求解效率提升数十倍.本文算法能够求解上亿自由度的超大规模、强各向异性问题,且求解问题的规模越大,算法效率优势越明显.EXCMG算法有望在其他地球物理领域得到应用.

EH-4系统的数据二次处理技术及应用

EH-4电导率成像系统的数据处理仍依赖于DOS界面下的数据采集和处理软件IMAGEM,不仅使用不便,而且有效频点少、频率分布不均匀、抗干扰能力差.本文在剖析EH-4系统数据处理流程的基础上,正确地读取了EH-4系统原始时间序列文件,采用周期图方法重新计算了自功率谱、互功率谱和张量阻抗分量,以及由阻抗定义的视电阻率,编制了专用软件EH4 Data Processing Program.由于重构阻抗文件的频点数约是原始阻抗文件的6倍,极大地增加了纵向数据密度,提高了分辨率和解释可靠性.实例应用表明了方法的正确、有效和可靠,具有推广价值.

隧道工程岩体完整性新的评价参数及方法

研究目的:隧道围岩分级是隧道勘察设计中的重要参数,以往工作中主要通过地质调查法、钻探法、物探方法定性判识隧道岩体完整程度,物探法主要以弹性波速度作为岩体完整性评价的参数,但针对深埋隧道,由于埋深大,难以直接从地表获得隧道洞身岩体的波速值,使得围岩等级的划分缺少依据。本文建立层状岩体模型,通过研究分析岩体几何参数与电性参数的相关关系,拟提出一种新的围岩完整性评价参数及方法。研究结论:(1)基于层状岩体模型电阻率计算公式,推导出岩体几何参数与电性参数的相关关系,提出了一种新的表征岩体完整性的参数——岩体完整性系数Kr;(2)Kr表征完整岩石在单位岩体中所占的比例,Kr值越大,岩体越完整;(3)通过钻孔综合测井试验,论证Kr可以作为评价岩体完整程度的量化指标,初步统计得出Kr与岩体完整程度量化关系表;(4)Kr评价岩体完整性方法可用于铁路隧道勘察设计阶段,也可用于其他地下工程勘察设计阶段。

高频大地电磁噪声压制

高频大地电磁法(HMT)信号在20 k Hz^100 k Hz频率范围内易受人文噪声干扰,电磁信号强度弱,数据误差大。本文提出采用高阶谱分析重构高频大地电磁非最小相位信号,进而有效抑制随机高斯噪声、提高信噪比。通过数值模拟信号和实测数据处理,证明该方法能有效压制噪声,在提取实际地质信息方面优于传统方法。

高频大地电磁系统数据处理方法研究

EH-4系统的数据处理仍依赖于DOS界面下的数据采集和处理软件IMAGEM,不仅使用不便,而且有效频点少、频率分布不均匀、抗干扰能力差。本文在剖析EH-4系统数据处理流程的基础上,正确地读取了EH-4系统原始时间序列文件,引入Hilbert-huang变换分析时间序列,压制噪音,然后采用周期图方法重新计算了自功率谱、互功率谱和张量阻抗分量,以及由阻抗定义的视电阻率,重构阻抗文件的频点数约是原始阻抗文件的6倍,极大地增加了纵向数据密度,提高了分辨率和解释可靠性。实例应用表明了方法的正确、有效和可靠,具有推广价值。

复杂地形条件下高频大地电磁法响应特性初探

基于电磁场正演理论编制高频大地电磁法正演程序,采用自适应有限元方法模拟起伏地形对高频大地电磁数据的影响,在10~105 Hz频率范围内,通过地堑、地垒、任意起伏地形3种模型,分析总结起伏地形对高频大地电磁法TM和TE两种极化模式的视电阻率和阻抗相位曲线的影响规律,所揭示的规律可为山区高频大地电磁勘探外业布置与数据分析解释提供参考。

基于岩体电性参数的深埋隧道围岩完整性判识方法

隧道围岩分级是隧道勘察设计中必不可少的参数,以往工作中主要靠浅层地震折射法取得岩体纵波速度,依据纵波速度评价围岩质量,但针对深埋隧道,目前无法直接获取隧道洞身附近岩体纵波速度,使得围岩等级的划分缺少依据。由于探测深度大,电磁测深法在隧道地质勘察中已成为主要方法,通过研究分析岩体电阻率与岩体完整性相关关系,提出了一种新的表征岩体完整性的参数—岩体完整性系数Kr,通过钻孔综合测井数据,对比分析该参数岩体完整性评价效果,最后采用该方法对地坪隧道进行围岩分级,与实际开挖情况较吻合,研究结果表明:基于电阻率计算而得的岩体完整性系数Kr可以作为评价深埋隧道岩体完整程度量化指标。

基于阻尼相关系数的锚杆瞬态响应的数学模型

研究锚杆体-锚固介质系统共同作用时弹性波的传播规律,采用与应变相关的阻尼器和与速度相关的阻尼器并行耦合来模拟锚固介质与锚杆体间相互作用,建立锚杆瞬态动测响应的数学模型,讨论其反射特性,通过该模型得出的理论瞬态响应曲线,与实测结果基本吻合,同时发现K1(等效应变阻尼系数)和K2(等效速度阻尼系数)与锚固介质和锚杆体间相互耦合效果相关,K1决定弹性波沿杆体传播能量衰减的速率,K2决定弹性波在杆体某处振动能量的衰减速率。

Hilbert-Huang变换与大地电磁噪声压制

大地电磁信号具有非线性、非平稳、非最小相位特征,不符合以Fourier变换为基础的传统功率谱估计的基本要求.Hilbert-Huang变换是近年发展起来的处理非线性、非平稳信号的完全局部时频分析方法.本文在简要介绍Hilbert-Huang变换基本原理与算法基础上,以实际数据分析为例,探讨了它在大地电磁信号处理及噪声压制中的应用.提出利用Hilbert时-频能量谱对大地电磁信号进行时段筛选,以提高信号品质,增强数据处理的质量和资料的可解释性.利用经验模态分解方法及其多尺度滤波特征,可以有效地分析MT信号中的噪声分布特征,并进行干扰压制.

Hilbert-Huang变换与大地电磁信号的时频分析

将Hilbert-Huang变换引入大地电磁信号的时频分析中,介绍HHT(Hilbert-Huang transform)时频分析原理及方法,给出仿真信号的经验模态分解及其时频分布,并对实测大地电磁信号进行HHT时频处理与剖析。研究结果表明:Hilbert能量谱随时频的具体分布具有很强的非稳态动态变换时频刻画能力;时频谱的时间、频率分辨率不受Heisenberg测不准原理的限制,且其时间、频率分辨率都很高,有很好的时频聚集性;HHT方法能用于描述大地电磁信号的非线性时变特征,是大地电磁信号时频分析的有效工具。

地球物理学中的电磁场正演与反演

本文在近年来众多的地球物理研究者的研究基础上,总结了当前地电磁模型正反演已有成果,定量分析了各种主要正反演的性能测试,指出不同正反演法的优点、缺点以及应用范围局限,提出了各种方法的发展趋势以及当前计算地球物理领域的核心内容,指出了计算地球物理领域的数值模拟发展方向.

Coulomb规范下地电磁场的自适应有限元模拟的理论分析

地电磁场的直接求解法存在伪解现象,且电磁场分量在界面上的不连续性与节点型有限元的基本要求矛盾.本文将Coulomb规范下磁矢量势-电标量势与自适应有限元相结合,提出了地球物理电磁场计算的快速、高精度方法.首先从地电磁场一般边值问题出发,给出了Coulomb规范下磁矢量势-电标量势的公式系统,分析了求解域内势的连续性.采用Galerkin加权余值法推导出积分弱解形式和Delaunay非结构化四面体单元时Hierarchal基函数的有限元方程.基于超收敛恢复技术,提出了适用于电磁场的后验误差估计方法,阐述了地电磁场自适应计算的策略及迭代算法,分析了计算时间消耗和误差收敛性质,表明本文方法可以用最优的计算资源得到呈拟指数收敛到准确解的数值结果,从而为后续的数值计算奠定了理论基础.

任意地球物理模型的三角形和四面体有限单元剖分

系统介绍了适用于复杂地球物理模型的三角形和四面体单元剖分算法,讨论了单元优良性,优良的网格剖分判定规则,建立了C++执行类库与地球物理模型单元剖分库.利用C++剖分类库与模型单元库,可以进行任意地形条件下的地球物理场的正演与反演计算,剖分类的高效性为实际模型的并行有限元法计算提供了基础.

高铁路涵过渡段不均匀沉降及注胶效果检测

研究目的:高铁无砟轨道路涵过渡段是不均匀沉降的高发地段,通常使用注胶手段进行化学抬升,而无砟轨道脱空沉降以及抬升后的注胶效果无法直接评价,需要对其进行无损检测。本文研究拟找到准确、高效的无砟轨道脱空沉降以及注胶效果评价手段。研究结论:(1)基床表层的不均匀沉降状况与轨面沉降曲线高度吻合,轨道沉降主要由基床表层沉降引起;(2)使用400 MHz地质雷达天线可以有效检测轨道的不均匀沉降情况,支承层底脱空部位雷达波形频率降低(波形变胖),子波旁瓣减小;(3)地质雷达可以有效检测轨道注胶效果,表现为明显的强反射同相轴,可对注胶范围以及注胶饱满程度进行评价;(4)本文研究对大部分轨道脱空以及沉降检测具有借鉴意义,对轨道沉降抬升治理效果评价具有指导意义。

基于钢筋锚杆接地电阻评价锚固质量研究

本文采用接地电阻作为评价钢筋锚杆锚固质量的标准.当锚杆、砂浆、围岩三者接触不密实、不均匀时必然会引起锚杆接地电阻的变化.因此将锚杆接地电阻的理论计算值作为评价锚固状态的参照,利用实际测量值与之作比较,从而对锚杆质量进行分级评价.在利用此方法评价锚杆质量时,准确测量锚杆的接地电阻则尤为重要,采用6极法可以消弱由于大地的各相异性对于接地电阻测量带来的误差,提高测量精度.

EH-4系统在西藏芒康县盐矿探测中应用研究

西藏自治区昌都地区芒康县盐井乡全年产盐约1 500t,除供应当地外,还远销左贡、察雅、贡觉等县及滇西地区,由于开采年代久远,大部分卤水井已枯竭,急需进一步勘探。鉴于盐井地下水具有中温、高矿化的特点,采用EH-4系统高频大地电磁测深探明深部储层的信息及含盐地下水上升的通道信息,进一步预测该区域盐矿层赋存状态,通过实例证明该方法可行的。

巨型深层岩质滑坡综合物探勘察模式探讨

研究目的:巨型深层岩质滑坡具有成因复杂、规模大、勘察与处治难度大的特点,受地形地质条件和物探方法适用性的限制,单一物探方法往往不能完全有效揭示滑坡的范围、滑面的空间形态。本文以下个寮巨型深层凝灰岩滑坡勘察为例,从地质条件、勘探目的、探查方法等因素出发,研究适用于巨型复杂岩质滑坡综合物探的勘探模式。研究结论:(1)复杂深层岩质滑坡采用在地质调查基础上“综合物探先行”勘察程序是十分有益的,物探测线应沿主轴和垂直坡向呈网布设;(2)高频大地电磁法、高密度电法、浅层地震反射波法结合钻孔电视综合物探勘探模式具有多物性、多尺度探测优势,可有效探测滑坡空间分布形态、周界和滑带特征;(3)物探解译成果较为可靠地反映了滑面(带)的空间展布形态和规律,可作为指导钻探布置和滑坡稳定性分析的重要依据;(4)本研究结论可为巨型深层滑坡勘察提供借鉴。

基于磁天线的电磁波CT系统研制及应用

由于城市城区勘察环境复杂、受限因素众多,传统的地质钻探、挖探、触探等手段不能做到全覆盖、连续性勘察。如昆明地铁5号线圆通山–翠湖公园站、深圳地铁15号穿西乡房屋密集区段,由于地表建筑物阻挡造成钻探无法实施,形成勘探盲区。针对城市地下勘探盲区和城市空间存在的抗干扰能力弱、探测精度低、分辨率差等问题研制了新型电磁波CT系统,该系统针对现有电天线CT近场强非线性的缺点,采用磁天线和磁场幅度相位联合反演技术,实现地铁沿线勘探、帷幕检测和溶洞探测等领域的有效测量,为各类基建地质勘探提供了新方法。

高频大地电磁测深在深埋隧道中应用实例分析

深大长隧道的地球物理宏观预测是当今工程界亟待解决的重大前沿课题。本文首先系统分析了深埋隧道宏观预测的现状,然后简要介绍高频大地电磁测深的基本理论及应用,通过对深埋隧道实例分析,提出采用EH—4电导率成像系统的高频大地电磁法能够准确快速的探测断裂构造、岩溶等不良地质构造,对施工区的地质构造和不良地质体的赋存状态进行超前的宏观预测。