水平层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化频散特征物理实验模拟研究

Rayleigh波勘探作为地震勘探的主要方法之一,一直受到地球物理勘探学界的广泛关注,而Rayleigh波研究领域的焦点就是对频散特性的研究.本文基于超声虚拟仪器实验平台,从超声波和超声换能器特性出发,对均匀介质、低速覆盖和高速覆盖等模型中的Rayleigh波波场进行观测,运用时域分析、f-v域波场变换和H/V谱比等方法,研究层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化的频散特征.在实验过程中,虚拟仪器技术的运用为Rayleigh波频散特性的多模态展现和识别提供了良好的平台,是本研究有力的技术保障.实验研究发现,在低速覆盖的水平层状介质中,Rayleigh波存在多模式频散,高阶模式对浅层速度变化更敏感,即便基阶模式面波占优,高阶成分仍易对地层信息识别造成误判;然而,当上覆层为高速介质时,此类模型中未观测到明显的Rayleigh波多模式现象.研究还发现Rayleigh波椭圆极化率与介质泊松比是密切相关的,该结论与前期理论研究结果非常吻合,从而进一步验证了Rayleigh波椭圆极化频散用于评价地层速度结构的可行性.

Rayleigh波椭圆极化与地震映像在城市地层扰动探测中的数值模拟和应用

为研究瑞利面波椭圆极化频散方法的探测效果,首先,利用有限元方法对基于工程实例的城市盾构隧道及土层扰动简化二维模型进行数值模拟,分析各隧道模型的点震源波场特征和瑞利面波椭圆极化频散特征;其次,利用传统地震映像方法对比验证结果的可靠性;最后,结合盾构隧道施工前后场地实测主动源地震数据,分析隧道开挖前后的瑞利面波椭圆极化特征。研究结果表明:在盾构隧道模型及隧道土层扰动模型的模拟地震波场中,隧道边界及塌落空洞区域产生了椭圆极化频散现象,在空洞边界处出现了“左高右低”椭圆极化率数值异常分布特征,相应模型的地震映像剖面验证了模拟结果的可靠性;在工程实例中,隧道开挖前后场地的椭圆极化频散特征也与地震映像及现场勘察结果相对应,验证了瑞利面波椭圆极化方法在盾构隧道场地扰动探测的有效性。

瑞利面波椭圆极化在盾构隧道地层扰动探测中的应用

为解决传统物探方法在城市盾构隧道工程中难以对地层扰动达到较好探测和监测目的,提出了主动源瑞利面波椭圆极化方法.采用二维有限元数值模拟对实际盾构隧道施工背景下的地层情况进行全波场正演模拟,并对其波场传播、速度频散和椭圆极化频散等特征进行分析;结合工程实例,进一步将椭圆极化方法和传统速度频散方法进行对比研究.研究结果表明:主动源瑞利面波椭圆极化方法在探测地下介质结构分布及监测地下空洞等异常结构的变化方面具有和传统速度频散方法同样的探测效果,但由于其不需要长大检波器排列,对周围环境震动等噪声抗干扰能力相对较强,因此更适合城市等场地受限和具有一定震动和噪声干扰的环境,从而具有更广阔的应用前景.