工程物探方法技術(shù)研究

工程物探方法技術(shù)研究第1頁/共47頁主要研究內(nèi)容面波勘探工程CT、聲波解釋地震成像、雷達成像地震折射、電法解釋虛擬儀器和人工智能技術(shù)隧道超前預(yù)報、橋梁檢測第2頁/共47頁工程物探發(fā)展概況地球物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)方法研究地球環(huán)境的科學(xué)。地球物理勘探（簡稱物探）是地球物理學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。應(yīng)用地球物理手段來解決工程與環(huán)境中的地質(zhì)及其相關(guān)問題，是近幾年來地球物理學(xué)發(fā)展的一個新的前沿領(lǐng)域，稱之為工程物探。80年代以來，隨著我國的大規(guī)模經(jīng)濟建設(shè)和國土整治的迫切需要，工程物探得到了迅速發(fā)展。工程物探作為一種重要的測試和監(jiān)測手段，同時也得到了工程界的普遍關(guān)注。物探方法具有設(shè)備輕便、勘察速度快，投入費用少等優(yōu)點。并且能對場地進行連續(xù)勘探，所生成剖面圖像非常直觀，能更好的了解和掌握地質(zhì)構(gòu)造分布情況。第3頁/共47頁瞬態(tài)面波勘探瞬態(tài)面波法廣泛應(yīng)用在軟土地基加固效果評價、加固地基承載力的檢測，以及碎石樁、粉噴樁質(zhì)量檢測等方面。其基本原理是在地面上產(chǎn)生一瞬時沖擊力，由此產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞雷波面波。利用面波分析處理軟件，可以計算出不同頻率信號在介質(zhì)中的傳播速度，得出面波頻散曲線。頻散曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系。通過對頻散曲線進行解釋，可獲得地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的面波速度，據(jù)此可以很容易計算出橫波速度，進而對地基質(zhì)量進行評價。第4頁/共47頁面波性質(zhì)、特點與體波相比面波能量衰減很慢，在傳播時具有較大能量第5頁/共47頁面波性質(zhì)、特點不同波長的面波具有不同的穿透深度。因此在地表所測得的面波速度被認(rèn)為是某一深度內(nèi)的平均速度。SourceShortwavelengthLongwavelength第6頁/共47頁測試方法原理第7頁/共47頁頻散曲線計算方法相位差法：利用FFT算法計算兩個測點信號的相位差（Φ=2nπ+△φ；0≤△φ≤2π），然后用公式VR(f)=2πf·△x/Φ求解頻散曲線。F-K法：利用二維FFT算法對多通道地震信號變換分析，得到一條f-k曲線，然而根據(jù)公式(k=f/VR)，可得到頻散曲線。F-V法：計算面波信號“F-V”速度譜,然后據(jù)此求取頻散曲線。具有精度高和適用性強等優(yōu)點，可使用兩通道或者多通道儀器采集信號。

第8頁/共47頁“F-V”法基本原理用FFT求某一頻率fk相關(guān)曲線t-Rk。根據(jù)檢波距由t-Rk變換求得v-Rk不同檢波距Rk曲線相加得V-Rk曲線。根據(jù)V-Rk曲線最大值，求面波速度VR。根據(jù)不同頻率VR即可求得頻散曲線f-VR。第9頁/共47頁“F-V”法應(yīng)用實例面波法對地基進行分層及強度劃分第10頁/共47頁“F-V”法應(yīng)用實例2地基夯實效果評價地質(zhì)剖面分層及強度評價第11頁/共47頁聲波透射法檢測原理測試方法簡單用平均波速進行分析有時會漏測嚴(yán)重缺陷不能有效檢測較小缺陷無法確定缺陷具體位置第12頁/共47頁超聲資料解釋成果圖主要應(yīng)用：砼、巖石彈模測試及其強度評價測試方式：孔中及孔間測量第13頁/共47頁彈性波CT起源于醫(yī)學(xué)CT(ComputerizedTomography)。應(yīng)用于工程檢測與地球物理勘探并取得成功，由于具有很高的成像精度，因此CT技術(shù)受到越來越多專家和用戶的青睞。發(fā)展有彈性波CT、電磁波CT和電阻率CT等。其中彈性波CT應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)激發(fā)方式和信號頻率，彈性波CT又可分為地震波CT和超聲波CT。根據(jù)輸入?yún)?shù)和剖面成果，彈性波CT又可分為走時波速CT和頻譜吸收系數(shù)CT。第14頁/共47頁彈性波CT成像原理用扇形接收方式需解算大型方程組對軟件設(shè)計要求高圖像顯示直觀明了有效檢測各種缺陷第15頁/共47頁防滲墻、砼質(zhì)量檢測第16頁/共47頁某隧道工程需要通過二疊系灰?guī)r地區(qū)，為了查明其裂隙發(fā)育分布情況，采用地震波CT技術(shù)對下部介質(zhì)進行波速成像，成像剖面為86m×280m。從成果圖中可以明顯看出，巖體裂隙呈條帶狀分布與地層產(chǎn)狀一致，同時局部有小溶洞發(fā)育，與地質(zhì)鉆探驗證資料十分吻合。

地質(zhì)構(gòu)造巖溶探測第17頁/共47頁電磁波CT主要應(yīng)用：煤田地質(zhì)構(gòu)造和灰?guī)r地區(qū)溶洞探測成像方法：坑透CT、孔間CT第18頁/共47頁淺層地震成像淺層地震反射波法是水、工、環(huán)物探方法中最重要最常用的方法之一。彈性波CT需要鉆孔配合，才能完成數(shù)據(jù)采集工作。地震成像直接在地表進行測試，因此具有更重要的實際意義。然而，長期以來淺層地震基本上都是照搬石油地震中的方法技術(shù)以及理論基礎(chǔ)，應(yīng)用效果受到限制。綜合運用地震勘探、信號分析、概率統(tǒng)計等技術(shù)，對淺層地震反射與散射信號進行聯(lián)合成像研究，實現(xiàn)快速高精度直接成像，具有重要的學(xué)術(shù)價值和實際意義。

第19頁/共47頁信號反射與散射示意圖同光線一樣，地震波遇到彈性分界面時會發(fā)生波的反射和透射。地震反射波法勘探通常所利用的就是界面上的反射信號。

彈性波在傳播過程中，當(dāng)遇到地層尖斷點或者異常體尺寸小于菲涅爾半徑時，就會像光學(xué)中的衍射一樣，這些介質(zhì)性質(zhì)突變點將產(chǎn)生波的散射。第20頁/共47頁地震成像原理首先提取出共反射點和共散射點記錄。然后把記錄上的反射信號和散射信號同時聚焦到它們的空間位置上。第21頁/共47頁外業(yè)工作和實測記錄第22頁/共47頁地震成像應(yīng)用實例目的：查明巖溶的分布范圍和發(fā)育規(guī)模第23頁/共47頁地震成像應(yīng)用實例2地質(zhì)構(gòu)造勘探第24頁/共47頁地質(zhì)雷達成像地質(zhì)雷達是一種高分辨率探測技術(shù)，可以對淺層地質(zhì)問題進行詳細填圖。在工程地質(zhì)勘探、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和公路工程質(zhì)量檢測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對于土質(zhì)場地而言，由于其對電磁波的吸收作用很強，探測深度受到一定的限制。應(yīng)用地質(zhì)雷達成像技術(shù)，可以更準(zhǔn)確的提取雷達成像速度，提高對雷達剖面的時深轉(zhuǎn)換精度。同時可以有效地消除異常體所產(chǎn)生雙曲線現(xiàn)象，恢復(fù)其本來面目。地質(zhì)雷達成像原理與淺層地震成像十分相似，在此不再多述。第25頁/共47頁雷達成像應(yīng)用實例實測信號來源：SIR_Examples第26頁/共47頁雷達成像應(yīng)用實例2a.隧道頂部巖層厚度探測(h=△t·V/2)b.隧道掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報第27頁/共47頁地震折射波法主要應(yīng)用：基巖面深度探測、地層劃分解釋方法：延遲時(t0)法、時間場法和波路擬合法第28頁/共47頁電測深曲線擬合解釋應(yīng)用:地層劃分含水層探測特點:設(shè)備簡單成本底測試方便效率高要求地層界面較平緩第29頁/共47頁高密度目標(biāo)相關(guān)成像原理當(dāng)掃描點位離空洞很遠時，相關(guān)系數(shù)近似為零。隨著掃描點位到空洞距離的縮小，相關(guān)系數(shù)逐漸增大。當(dāng)掃描點位與空洞位置完全重合時，相關(guān)系數(shù)為1。第30頁/共47頁目標(biāo)相關(guān)成像應(yīng)用實例已知測試剖面內(nèi)有一與之相垂直的水平圓柱狀空洞，中心位置埋深3.5m，洞徑0.3m。用目標(biāo)相關(guān)算法對所測資料進行解釋，圖中高阻異常體位置與實際情況相一致。第31頁/共47頁虛擬儀器和人工智能技術(shù)美國NI公司最早提出了“軟件就是儀器”的概念，并在這一領(lǐng)域始終保持著技術(shù)領(lǐng)先?；谟嬎銠C聲卡的虛擬儀器具有成本低、攜帶方便、操作簡單等優(yōu)點，取得了較好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的一種工業(yè)控制技術(shù)。是用于現(xiàn)場儀表設(shè)備與控制主機之間的一種開放的通信系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦結(jié)構(gòu)和功能的一種信息處理系統(tǒng)，它是由大量的，同時也是很簡單的神經(jīng)元有序地互相連接而形成的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，具有逼近任意連續(xù)函數(shù)和非線性映射的能力。第32頁/共47頁計算機虛擬儀器設(shè)計(基于聲卡)Ⅰ.儀器=便攜式工業(yè)計算機+聲卡+軟件(信號→聲卡(MIC/Line→A/D)→應(yīng)用軟件)Ⅱ.儀器=筆計本電腦+軟件Ⅲ.儀器=PDA+軟件輕便、智能第33頁/共47頁LB-6孔中彈模儀探頭部分采用3個千斤頂推動剛性承壓板對鉆孔壁巖體施加應(yīng)力，使用高精度傳感器測量不同載荷條件下的應(yīng)力和徑向變形量。根據(jù)實測應(yīng)力和變形量，應(yīng)用軟件將采集到的數(shù)據(jù)及時直觀的表現(xiàn)出來，同時計算得到巖石彈性模量。第34頁/共47頁外業(yè)工作與測試成果第35頁/共47頁現(xiàn)場總線和無線傳輸CORE模塊38Kbps,1.5km45mA@3.3V110個節(jié)點1Mbps,40m5Kbps,10Km新技術(shù)應(yīng)用研究第36頁/共47頁人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理圖首先對已知的典型樣本進行反復(fù)學(xué)習(xí)然后利用學(xué)習(xí)的結(jié)果去識別未知客體第37頁/共47頁PFWD原理與測試方法導(dǎo)桿質(zhì)量塊荷載傳感器緩沖墊剛性圓盤筆記本電腦位移傳感器利用沿導(dǎo)桿自由下落重塊，通過剛性圓盤對地基或者土石填料施加沖擊荷載。根據(jù)荷載應(yīng)力和基礎(chǔ)變形位移，可求解動彈性模量。第38頁/共47頁PFWD信號人工智能反演信號分析與特征值提取應(yīng)用人工智能技術(shù)，反演地基和堆石壩密度、含水量及壓實度，評價質(zhì)量。第39頁/共47頁樁基錨桿智能檢測信號檢測特征值提取人工智能反演第40頁/共47頁隧道地震超前預(yù)報目前隧道地質(zhì)超前預(yù)報以地震探測方法為主，同時結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)雷達探測和高密度電法等。由于觀測條件的限制以及巖體內(nèi)不同方向的反射及散射，從觀測方式和處理方法等方面進行研究，形成了幾種不同的技術(shù)。反射地震包括負視速度法、HSP、TSP、TRT方法等，各種方法都有其發(fā)展歷程和應(yīng)用條件，需要分析選用，并不斷改進。第41頁/共47頁負視速度法工作原理

該方法的觀測是在隧道側(cè)壁打孔布置檢波器和炮點，檢波器和炮點在一條平行隧道軸的直線上，利用直達波估計巖體波速，利用反射波走時曲線與直達波走時曲線的交點推測前方反射界面的位置。疊前偏移散射波成像研究第42頁/共47頁橋梁檢測與安全評價隨著橋梁高計的新穎和大跨徑的方向發(fā)展，橋梁的檢測試驗技術(shù)也需要更新發(fā)展。目前，確定現(xiàn)有公路橋梁的實際使用狀況和實際承載力顯得更為迫切。借助于現(xiàn)代檢測手段的無損檢測技術(shù)，代表了橋梁檢測技術(shù)的最新發(fā)展方向。第43頁/共47頁研究內(nèi)容和技術(shù)線路

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗、橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗結(jié)構(gòu)損傷整體檢測方法、橋梁安全性評價。開發(fā)低成本的智能檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)有多路傳感器，能夠同時對靜荷載信號和動荷載信號進行檢測。能夠應(yīng)運用無線技