工程物探總復(fù)習(xí)(三)

1、工程物探總復(fù)習(xí)（三）主講：王偉主講：王偉郵箱：郵箱：巖土工程教研室?guī)r土工程教研室一、基樁分類及常見(jiàn)的缺陷 樁荷載要通過(guò)樁與樁周土或巖石的接觸向持力層內(nèi)擴(kuò)散，對(duì)于不同的承載方式和地基，樁將受到不同方式的反作用力，按樁的受力機(jī)理分為端承樁和摩擦樁及加固樁三類?；鶚冻Ｒ?jiàn)的缺陷包括基樁常見(jiàn)的缺陷包括: :斷樁:它是指沉人地基中的樁出現(xiàn)斷裂或斷開(kāi)的情況。離析:樁的離析是指混凝土樁外形完整，但成樁材料不合格或配料不當(dāng)，攪拌不均或振搗不密實(shí)，或樁的某些區(qū)段含石砂量過(guò)高，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，或呈松散狀態(tài)?？s徑和擴(kuò)徑樁:縮徑是指灌注樁成樁后在某處的樁徑縮小，截面積不符合要求;擴(kuò)徑是指灌注樁在成樁后，樁的某些局部區(qū)段

2、出現(xiàn)明顯大于設(shè)計(jì)樁徑的現(xiàn)象。 設(shè)A1、1、v1及A2、2、v2分別代表樁身及基樁性質(zhì)突變面處的截面積，彈性體密度及波速，并設(shè)突變面上的 入射波為ua，反射波為ub，透射波為uc，則位移波的反射系數(shù)為 上式中Av的乘積稱為廣義波阻抗。) 1 . 1 . 6(222111222111vAvAvAvAuuRabu 圖圖6.1-1 6.1-1 完整摩擦樁理論波形示意圖完整摩擦樁理論波形示意圖 圖圖6.1-2 6.1-2 摩擦縮徑樁理論波形示意圖摩擦縮徑樁理論波形示意圖 圖圖6.1-4 6.1-4 摩擦離析樁理論波形示意圖摩擦離析樁理論波形示意圖圖圖6.1-5 6.1-5 斷樁理論波形示意圖斷樁理論波形

3、示意圖四、反射波法進(jìn)行基樁質(zhì)量檢測(cè)總結(jié)四、反射波法進(jìn)行基樁質(zhì)量檢測(cè)總結(jié)時(shí)間域時(shí)間域 根據(jù)接收到的波列圖中入射波、反射波、振幅、頻率、相位及波的到達(dá)時(shí)，分別判別樁底反射或樁間反射。對(duì)于完整樁來(lái)說(shuō)樁底反射明顯，并保持樁頂平整，激振時(shí)力錘垂直激振樁的中心; 對(duì)長(zhǎng)樁采用低頻大能量激振，為獲得低頻激振信號(hào)，在激振時(shí)需墊上膠墊，使應(yīng)力波易于傳播并能得到較好的樁底反射。 檢測(cè)時(shí)用黃油或橡皮泥將傳感器緊貼在樁頂上，其位置要與激振點(diǎn)保持一定距離。 圖6.1-6 擴(kuò)徑樁實(shí)測(cè)波形曲線1. 擴(kuò)徑模型樁實(shí)測(cè)波形曲線 圖6.1-6是擴(kuò)徑模型樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁樁長(zhǎng)8m，樁徑0.4m。從實(shí)測(cè)波形分析，入射波t0 =1.77

4、m，擴(kuò)徑位置反射波t1=3.37ms，其相位與入射波相位相反; 二次反射波t2=4.97ms，其相位與入射波相位相同，與擴(kuò)徑位置反射波相位相反，時(shí)間為二倍關(guān)系。樁底反射波時(shí)間t3=5.77ms，波速：)/(400077. 177. 58*22smtLvp 圖圖6.1-7 6.1-7 大型超長(zhǎng)樁實(shí)測(cè)波形曲線大型超長(zhǎng)樁實(shí)測(cè)波形曲線圖6.1-7是大型超長(zhǎng)樁實(shí)測(cè)波形曲線，該樁樁長(zhǎng)52m，樁徑1.0m，檢測(cè)時(shí)齡期在一個(gè)月以上。從實(shí)測(cè)波形分析，入射波t0 =4ms，樁身無(wú)樁間反射，樁底反射時(shí)間為t1=28.48ms，波速值vp =(2x52)/(28.48-4)=4248m/s此樁判定為完整好樁。3.縮擴(kuò)

5、徑樁和擴(kuò)縮徑樁實(shí)測(cè)波形曲線 工程檢測(cè)中，樁身存在縮徑的同時(shí)也伴隨有擴(kuò)徑現(xiàn)象?；驑渡泶嬖跀U(kuò)徑的同時(shí)也伴隨有縮徑現(xiàn)象。實(shí)測(cè)波形圖6.1-8和圖6.1-9是具有代表性的兩種波形曲線。圖 6.1-8是樁身存在縮擴(kuò)徑，而縮徑界面的反射波又出現(xiàn)二次反射。圖圖6.1-8 6.1-8 縮擴(kuò)徑實(shí)測(cè)波形曲線縮擴(kuò)徑實(shí)測(cè)波形曲線入射波t0=3.28ms，縮徑界面的反射波t1=6.8ms，其相位與入射波相位相同，二次反射波t3=10.3ms，其相位與入射波相位相同，時(shí)間與縮徑界面反射波t1成倍數(shù)關(guān)系。擴(kuò)徑位置反射波t2=7.63ms,其相位與入射波相位相反。 圖圖6.1-9 6.1-9 擴(kuò)縮徑實(shí)測(cè)波形曲線擴(kuò)縮徑實(shí)測(cè)波形

6、曲線 樁底反射時(shí)間t4 =19.92ms，樁長(zhǎng)30m，樁徑為1.5m，經(jīng)計(jì)算波速v=3613m/s。 圖6.1-9是樁身存在擴(kuò)縮徑，而入射波t0=1.6ms，擴(kuò)徑位置的反射波t1=3.55ms,其相位與入射波相位相反。 縮徑位置的反射波t2=4.0ms，其相位與入射波相位相同。 樁底反射時(shí)間t3=11.25ms，樁長(zhǎng)為19m，樁徑為1.2m，經(jīng)計(jì)算波速為v=3958m/s 嚴(yán)重缺陷樁實(shí)測(cè)波形曲線嚴(yán)重缺陷樁實(shí)測(cè)波形曲線凡是出現(xiàn)斷樁，其波形均出現(xiàn)不規(guī)則且有明顯樁間反射，缺陷嚴(yán)重的斷樁在斷樁界面可出現(xiàn)多次反射波，一般無(wú)樁底反射，如圖6.1-10所示。 圖圖6.1-10 6.1-10 嚴(yán)重缺陷樁實(shí)測(cè)波

7、形曲線嚴(yán)重缺陷樁實(shí)測(cè)波形曲線 圖6.2.1 常時(shí)微動(dòng)測(cè)量方法示意圖 1.放大器;2.示波器;3.磁帶機(jī);4.短周期拾震器; 5.長(zhǎng)周期拾震器; 6.井中拾震器(二)資料處理 常時(shí)微動(dòng)的資料處理方法主要有兩種，一種是周期頻度分析法，另一種是頻譜分析法。 周期頻度法是通過(guò)計(jì)算各種周期成分的波所出現(xiàn)的次數(shù)，從而得出波形和周期特性。周期頻度法多以手工進(jìn)行，隨著計(jì)算機(jī)的普及使用，頻譜分析法已基本取代周期頻度法。 對(duì)常時(shí)微動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，通常采用功率譜分析法。設(shè)常時(shí)微動(dòng)為時(shí)間的函數(shù)，用x(t)表示，對(duì)其進(jìn)行傅氏積分) 1 . 2 . 6()(21)(dtetxxti利用x()及其共扼復(fù)數(shù)x*()，還可以求

8、得功率譜P()，即 )2 . 2 . 6()()(1)(*XXTp 實(shí)際解釋中，將明顯混入噪聲的時(shí)間段剔除不用，用各時(shí)間段波形功率譜的算術(shù)平均值求平均功率譜P() 3 . 2 . 6()(1)(1NnnpNp一般取10s為一個(gè)時(shí)間段，大約做二十個(gè)時(shí)間段的功率譜，取平均值，就能得到該觀測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定的功率譜值。 根據(jù)相關(guān)函數(shù)與能量譜密度的關(guān)系，對(duì)功率譜進(jìn)行傅氏變換就得到自相關(guān)函數(shù)R()該值越大，相關(guān)程度越好，且相關(guān)函數(shù)相鄰峰值的時(shí)間差，即為該波形的卓越周期。)4 . 2 . 6()()(depRi 常時(shí)微動(dòng)的振動(dòng)特性與地基的構(gòu)造和振動(dòng)特性有關(guān)。試驗(yàn)表明，沖積砂土的優(yōu)勢(shì)頻率較高，沖積粘土的優(yōu)勢(shì)頻率較低

9、，呈現(xiàn)出地基越軟弱，優(yōu)勢(shì)頻率越低的傾向。 三、有關(guān)地基和建筑物振動(dòng)特性 (一)地基的振動(dòng)特性 (二)建筑物的振動(dòng)特性 建筑物的振動(dòng)特性與建筑物的高度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有關(guān)，同時(shí)也與地基的構(gòu)造有關(guān)。低矮建筑物的振動(dòng)特性主要由地基的常時(shí)微動(dòng)所引起。為了解振源特性可同時(shí)測(cè)量地基的常時(shí)微動(dòng)。 一般來(lái)說(shuō)，建筑物越舊，高度越高，材料越柔，地基土越軟，其自振頻率越低。判定建筑物的新舊和質(zhì)量好壞，可通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)特性的變化來(lái)進(jìn)行。 高層建筑物的常時(shí)微動(dòng)一般認(rèn)為是地基的常時(shí)微動(dòng)和風(fēng)造成的，測(cè)量時(shí)需注意風(fēng)的影響。測(cè)量表明，建筑物的剛性增加，固有周期縮短。建筑物的優(yōu)勢(shì)周期長(zhǎng)邊方向和短邊方向是不相同的建筑物的優(yōu)勢(shì)

10、周期長(zhǎng)邊方向和短邊方向是不相同的，低層建筑 (5層以下)長(zhǎng)邊方向的優(yōu)勢(shì)周期比短邊方向短，而高層建筑 7層以上長(zhǎng)邊方向的優(yōu)勢(shì)周期大多比短邊方向長(zhǎng)。 建筑物的高度越高，其優(yōu)勢(shì)周期較長(zhǎng)。有一個(gè)數(shù)值分布范圍。 高度相同的建筑物優(yōu)勢(shì)周期不同，可以用地基條件不同來(lái)解釋。建筑在堅(jiān)硬地基上的建筑物，其優(yōu)勢(shì)周期較短，因地基的S波速高，故優(yōu)勢(shì)周期短。 四、常時(shí)微動(dòng)資料的應(yīng)用 (一)卓越周期劃分地基土類別 由于常時(shí)微動(dòng)與地基的固有振動(dòng)特性密切相關(guān)，因此在土木工程建筑和地震小區(qū)劃中，經(jīng)常利用常時(shí)微動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行地基分類. 即地基從I類到IV類逐漸變軟，常時(shí)微動(dòng)周期變長(zhǎng)。 在日本判定的四種場(chǎng)地類別如下: 第1類:基巖

11、、硬砂礫層和第三紀(jì)前 地層構(gòu)成的地基。 第II類:砂礫層、摻砂硬粘土層和洪 積層構(gòu)成的地基。 第III類:沖積層。 第IV類:腐殖土，特別軟弱的沖積層 和填土層。 在日本 道路橋規(guī)范中規(guī)定，在做抗震設(shè)計(jì)時(shí)，原則上以地基特性值（卓越周期）Tg來(lái)劃分地基種類: 第I類:Tg0.2 第II類:0.2Tg0.4 第III類:0.4Tg0.6 第IV類:0.6Tg 這個(gè)Tg實(shí)際上是基于1/4波長(zhǎng)法則的地基固有周期，與常時(shí)微動(dòng)的卓越周期相當(dāng)。 (二)地震小區(qū)域的劃分 大地震對(duì)房屋的破壞率與場(chǎng)地常時(shí)微動(dòng)卓越周期有相關(guān)關(guān)系例如日本的舊民房基本是木制的，其固有周期在0.4s左右，房屋破壞主要是由于共振作用造成的

12、。1966年河北邢臺(tái)地震時(shí)，在某個(gè)裂度異常區(qū)觀測(cè)地面常時(shí)微動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn):表層黃土較薄、卓越周期小于0.1s的地區(qū)，房屋破壞很輕; 表層黃土較厚、卓越周期稍長(zhǎng) (0.17-0.23s)的地區(qū)，房屋破壞嚴(yán)重。1976年對(duì)唐山地震常時(shí)微動(dòng)的觀測(cè)也表明，震害與常時(shí)微動(dòng)周期頻度譜形狀有一定關(guān)系，頻譜寬的震害一般較重。 震害與卓越周期存在著一定的關(guān)系，地震災(zāi)害在很大程度上取決于地基的振動(dòng)特性，而常時(shí)微動(dòng)反映了場(chǎng)地土的動(dòng)力特性，許多城市小區(qū)劃都把常時(shí)微動(dòng)的觀測(cè)作為場(chǎng)地土動(dòng)力特性調(diào)查的一個(gè)手段。 在進(jìn)行建筑物抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要使建筑物自振周期遠(yuǎn)離場(chǎng)地土卓越周期，以免地震時(shí)發(fā)生共振。 依據(jù)振動(dòng)特性對(duì)地基的小區(qū)劃分，對(duì)于

13、預(yù)測(cè)震害是非常有用的基礎(chǔ)資料。 (三)判斷砂土液化 1983年日本的秋田、青森縣受7.7級(jí)地震破壞，地基的砂土液化造成的震害比較突出。 非液化地點(diǎn)與液化地點(diǎn)的土層物理特性有明顯不同。非液化地點(diǎn)常時(shí)微動(dòng)的頻譜比較簡(jiǎn)單，后者則較復(fù)雜；他們歸納了液化地點(diǎn)和非液化地點(diǎn)常時(shí)微動(dòng)譜的形態(tài)特征，將其分成a型譜與b型譜，如圖6.2-2所示。 研究表明，常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)有可能成為地震液化預(yù)測(cè)研究的一個(gè)重要手段。常時(shí)微動(dòng)屬被動(dòng)式地震法的一種，只能從整體上給出地基動(dòng)態(tài)特性。圖圖6.2-2 6.2-2 液化與非液化地點(diǎn)常時(shí)微動(dòng)譜分析結(jié)果液化與非液化地點(diǎn)常時(shí)微動(dòng)譜分析結(jié)果 瑞雷波勘探方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的淺層地震勘探新方法

14、。由于瑞雷波速度同剪切波速度及巖、土力學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系， 因此在巖、土工程和地基處理方面得到廣泛的應(yīng)用。 從方法上講，瑞雷波勘探有頻率域觀測(cè)的穩(wěn)態(tài)法和時(shí)間域觀測(cè)的瞬態(tài)法兩種第三節(jié)第三節(jié) 瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理一、瞬態(tài)瑞雷波勘探原理 瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊使地面產(chǎn)生一個(gè)包含所需頻率范圍的假設(shè)離震源一定距離處有一觀測(cè)點(diǎn)A，記錄到的瑞雷波是f1(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為在波的前進(jìn)方向上與A點(diǎn)相距為x 的觀測(cè)點(diǎn)B同樣也記錄到時(shí)間信號(hào)f2(t)，其頻譜是) 1 . 3 . 6()()(11dtetfFti)2 . 3 . 6()()(22dtetfFti若波從

15、A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)，它們之間的變化完全是頻散引起的，則應(yīng)有下列的關(guān)系式vR()是圓頻率為的瑞雷波的相速度。上式也可寫(xiě)成()21( )( )(6.3.3)xvRiFFe)4 . 3 . 6()()(12ieFF)(/Rvx)5 . 3 . 6(/2)(xfvR式中是F1()和F2 ()之間的相位差,比較式 (6.3.3)和 (6.4.4)可知根據(jù)上式，只要知道A、B兩點(diǎn)間的距離x和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度vR () .為得到勘探點(diǎn)的頻散曲線，需要對(duì)兩觀測(cè)點(diǎn)的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。 作相干函數(shù)的目的是對(duì)記錄信號(hào)的各個(gè)頻率成分的質(zhì)量作出估計(jì)，并判斷噪聲干擾對(duì)有效信號(hào)的影響程

16、度。 作互功率譜的目的是利用互功率譜的相位特性求出這兩個(gè)觀察點(diǎn)在各個(gè)不同頻率時(shí)的相位差，再利用 (6.3.5)式求出相速度，當(dāng)我們已知頻率為f的瑞雷波速度vR 后，其相應(yīng)的波長(zhǎng)為R R =vR/f (6.3.6) 瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度大體在一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)，由半波長(zhǎng)理論，所測(cè)量的瑞雷波的平均波速vR 可以認(rèn)為是半波長(zhǎng)深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度是 H=R/2=vR/2f (6.3.7)由(6.3.7)可知，頻率越高，波長(zhǎng)R越短，勘探深度越小;反之，頻率越低，波長(zhǎng)R越長(zhǎng)，勘探深度越大。 兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的距離也要隨著波長(zhǎng)的改變而改變。對(duì)于勘探較深的低頻而言，x

17、要大，才能測(cè)到較為正確的相位。對(duì)于勘探較淺的高頻來(lái)說(shuō)，x要小。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，x 取1/3R -2R 間較為合適，即 5 . 03xR說(shuō)明：在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，要小于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的三倍，大于在x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的0.5倍。 這個(gè)濾波準(zhǔn)則要針對(duì)不同的儀器分辨率和場(chǎng)地的實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整 根據(jù)以上討論，同一波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特征反映了地質(zhì)體水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特性反映了不同深度地質(zhì)體的變化情況實(shí)際工作中。為了提高效率，瑞雷波勘探時(shí)，在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距x設(shè)置N+l個(gè)檢波器,我們就可以檢測(cè)到Nx長(zhǎng)度范圍內(nèi)瑞雷波的傳播特征。 對(duì)于頻率為fi 的頻率分量，進(jìn)行互

18、譜分析時(shí)，計(jì)算得到相鄰檢波器記錄的相移i，得相鄰道x長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度；)7 . 3 . 6(/2iiRixfv在滿足空間采樣定理的條件下，測(cè)量范圍Nx內(nèi)的平均波速為在同一測(cè)點(diǎn)對(duì)一系列頻率fi求取相應(yīng)的vRi值，就可以得到一條vR-f曲線，即頻散曲線。 根據(jù) (6.3.6)式，可將vR-f曲線轉(zhuǎn)換為vR-R曲線，vR-R曲線反映出該測(cè)點(diǎn)介質(zhì)深度上的變化規(guī)律。沿測(cè)線不同點(diǎn)的vR-R曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征)8 . 3 . 6(/21NjijiRixNfv 資料處理工作主要包括:對(duì)原始記錄的整理和評(píng)價(jià)，提高信號(hào)質(zhì)量的處理（切除處理、頻率濾波、能量衰減等），面波速度的計(jì)算和結(jié)果的輸

19、出。 頻率濾波是數(shù)據(jù)處理中最常見(jiàn)的處理手段，它可以消除各種干擾。瞬態(tài)瞬態(tài)瑞雷波法資料處理瑞雷波法資料處理 對(duì)于淺層勘探，保留高頻成分，對(duì)于較深目的層保留低頻成分。對(duì)于中等深度勘探，要合理選擇通頻帶，以降低干擾，使資料質(zhì)量得到改善，并最終減小對(duì)頻散曲線的影響。 切除處理可以把直達(dá)波和折射波等部分地消除，從而保留下來(lái)較純的面波，切除以后可以大大改善頻散曲線的計(jì)算結(jié)果。 能量衰減也是一種數(shù)據(jù)處理手段，它可以對(duì)一定時(shí)窗內(nèi)的地震波進(jìn)行能量衰減控制。由于地震記錄中面波能量最強(qiáng)，因此增益處理以后，可以使相對(duì)較弱的反射波、直達(dá)波等幅值減小，使其在計(jì)算頻散曲線時(shí)相關(guān)系數(shù)變小，從而達(dá)到減少干擾的目的。 一般而言，

20、增益處理后計(jì)算的頻散曲線更加平滑，且對(duì)深層目標(biāo)反映的更清楚，不利之處是這種平滑可能會(huì)便面波勘探的分辨率降低，并產(chǎn)生低頻段的低速假象。 經(jīng)以上對(duì)原始記錄的整理和處理后，需要確定面波速度vR。由式 (6.3.5)，首先確定兩接收點(diǎn)間的相位差.因此就要對(duì)兩觀測(cè)點(diǎn)的記錄作互功率譜的分析。 如果兩觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)域記錄為f1(t)和f2(t)，其頻譜分別為F1(f)和F2(f)的自功率譜可分別表示為：其中的F1*(f)和F2*(f)為F1(f)和F2(f)的復(fù)共扼譜。)10. 3 . 6()()()()()()(*2222*1111fFfFfSfFfFfSf1(t)和f2(t)的互功率譜為 可見(jiàn)互功率譜中的相

21、位譜反映了包含在面波中的相應(yīng)單頻波的相位差. 在互功率譜函數(shù)中，并非對(duì)所有頻率成分都有效，衡量某頻率成分是否有效的方法是用相干函數(shù)相干函數(shù))11. 3 . 6()()()()()()()(21*21*1221fiefFfFFfFfFfFfS 檢測(cè)面波由測(cè)點(diǎn)A向測(cè)點(diǎn)B傳播時(shí)，是否有良好的相干性。定義相干函數(shù) 上式中G(f)的模應(yīng)恒為1，可通過(guò)G(f)的實(shí)部進(jìn)行相干性評(píng)價(jià)。如果在傳播過(guò)程中系統(tǒng)是理想的，則該頻段內(nèi) G(f)的實(shí)部絕對(duì)值應(yīng)接近1，若由于干擾和系統(tǒng)的非線性使信號(hào)的質(zhì)量下降，G(f)實(shí)部的絕對(duì)值將下降。)12. 3 . 6()()()()()(2211*2121fSfSfSfSfG一般選擇其值大于0