基于能量变化率法自动拾取场地剪切波速

提出了一种提高单孔法剪切波速测量精度的新方法--能量变化率的自回归曲线法。首先把剪切波的时程曲线变换为能量变化率时程曲线;然后对能量变化率时程曲线进行长短平均处理,拾取各测点P波和S波的大致初至;最后提出采用一种二次方自回归模型对初至附近的能量变化率曲线进行二次方自回归处理,精确拾取出各测点P波和S波的精确到时。采用此方法、互相关函数法和人工拾取法对某场地的剪切波速进行了对比分析。分析结果表明：此方法相比互相关函数法,具有更好的噪声抑制能力,不仅能精确地自动拾取出各测点的S波的到时差,也能更准确地自动拾取出各测点的P波的到时差。以人工拾取结果为参考,此方法在实际测试中具有很高的准确率和稳定性。此方法丰富了场地剪切波速分析方法。基于此方法、互相关函数法和人工拾取法,设计了一套剪切波波速的测试系统,此系统能自动分析出各测点的剪切波速和形成完整的报告。     

侧装式弯曲元测量软黏土剪切波速的试验研究

判断剪切波到达时间并计算相应的剪切波速是弯曲元试验的关键问题之一。受到试验仪器差异和研究者波速判断主观性的影响,很难客观地、准确地获得土体的剪切波速。针对该问题,提出采用侧装式弯曲元测试系统测量剪切波传播时间和土体的剪切波速,利用上海典型的淤泥质黏土进行试验,分别采用初达波法、特征值法和互相关法计算土体的剪切波速。试验结果表明,（1）初达波法在信号判定过程主观性较大,土体剪切波速受发射信号频率的影响明显;（2）采用第二峰值点（特征点法）得到的试验结果波动性较小;（3）在满足相似性的前提下,互相关法在一定频率范围内（20～30 kHz）提高了确定剪切波速的客观性,降低了因试验者或激发频率的不同对试验结果产生较大影响的可能性。     

基于偏振特性的下孔法剪切波到时判别问题探讨

基于偏振特征的剪切波到时判别在下孔法波速测试中被广泛应用，然而实际测试中时有发现压缩波初动出现反相的现象，因此针对压缩波不偏振而剪切波偏振的理论基础进行论证很有必要。通过三维有限元分析模型模拟了地表敲击下孔法波速测试，并基于时域逐步积分动力有限元方法求解了地表正反向水平敲击下不同深度观测点振动响应。结果表明：地表水平正反向激励下，各深度观测点中与激励方向平行的水平分量中压缩波也出现反相。为进一步探讨这与实际工程的认知相悖的现象，数值模拟了荷载倾斜、探头旋转、探头倾斜等实际测试可能出现的情形。结果显示：荷载倾斜与探头倾斜的综合影响会导致正反向敲击激励下压缩波的初动相位不反相。进一步，提出了一种剪切波旅时计算新方法以减少每次敲击之间敲击角度、探头偏转和倾斜变化带来的影响，数值计算得到基于新方法求解的剪切波速接近模型介质剪切波速值，其优于利用峰－峰法和互相关法确定旅时而得到的波速结果。     

基于互相关函数的单孔法波速测试优化算法

土的剪切波速是岩土工程领域的一个重要参数。建筑场地类别划分、地基饱和砂土液化判别、地震反应分析等都依赖于剪切波速,由于其重要性,对它的测定技术和精确程度应重点研究。针对工程中广泛采用的单孔法剪切波速测试,提出了一种基于互相关函数计算土层剪切波速的优化算法。克服了传统数据处理方法中经常遇到的负波速、波速数值明显过大或过小和同一土层各测点波速差别较大等4种不合理因素,提高了数据分析的精度和效率。     

不同含水率下黏土弹性参数的弯曲-伸展元试验研究

用GDS弯曲-伸展元系统对不同含水率的低液限黏土进行波速试验,根据波动理论测得黏土的剪切模量、侧限模量和泊松比,研究不同含水率、不同试验有效围压、不同信号输入频率对试验结果的影响,并对S波(剪切波)与P波(压缩波)的输出波型信号特征进行分析,将不同信号分析方法所测得结果与共振柱结果进行对比。试验结果表明,(1)在低液限黏土中的剪切波速V_s、压缩波速V_p均随输入频率增大而增大,且增幅随频率增加而减小;在黏土材料中S波的近场效应随含水率和激发频率的提高而减弱;(2)剪切模量G_0和侧限模量M_0均随试验围压的增大而提高,G_0随试样含水率的提高而降低;(3)泊松比随含水率的提高而增大,且随着含水率的增大试验围压对泊松比的影响减弱。     

基于粒子群优化算法的未知波速声发射定位数值模拟

针对岩石力学试验中基于时差定位算法中声发射定位精度受岩石波速等诸多因素的影响问题,提出基于粒子群优化的未知波速声发射定位算法。该算法将岩石波速作为未知值,根据拾取到的时差建立基于最小二乘法原理的目标函数,利用粒子群优化算法,求解目标函数,寻得目标位置和波速。权重系数是影响该算法精度及其稳定性的重要因素,首先通过数值试验模型确定最优权重系数为0.729 8,可以满足算法精度及其稳定性。数值仿真结果表明,由选取的权重系数最后计算精度高于传统已知波速算法。为验证该算法的实际应用效果,进行断铅试验,结果表明该算法优于传统已知波速算法。     

芦山地震前后次声波及重力波信号分析

2013年4月20日芦山地震（MS 7.0）发生前后,位于三峡库区的次声监测阵列记录下了一系列的次声波与重力波信号。文中首先对不同类型的地震次声波以及重力波做出概念上的区分,然后处理、分析采集到的信号,一一判定信号的类型,厘清次声信号、重力波信号与地震事件间的联系。文中讨论了次声压和大地垂直起伏运动之间的线性耦合,使用简正波叠加的方式生成了仿真地震波,并与次声波进行比较,判定4月20日接收到的地震次声波为本地次声波,次声波形与大地垂直运动速率的波形具有极高的相关度。文中还使用基于S变换的时频分析、基于互相关系数的时差计算以及三角阵定向等方法,对4月18日及22日接收到的重力波做了来波定向。经计算,4月22日来波方向约为254.3°,波速约为9 m/s,关联度最强的地震事件为21日凌晨发生的芦山地震余震（MS 4.9）,三角阵对芦山地震震中的反方位角为267.7°,方位角误差为13.4°;18日来波方向约为220.2°,波速约为28 m/s,关联度最强的地震事件为4月17日发生的云南大理地震（MS 5.1）及其余震,三角阵对此震中的反方位角为244.7°,方位角误差为24.5°。     

瞬态面波预测单桩承载力模型研究

总结了现有单桩竖向承载力检测技术存在的一些问题,结合实例提出了一种预测单桩承载力的间接方法———瞬态面波法。剪切波速与标贯击数之间也存在着相关关系,通过标贯击数建立起剪切波速与桩侧摩阻力及桩端阻力的相关模型,应用瞬态面波测试技术可快速检测桩周土剪切波速,确定单桩承载力。     

干砂弹性参数测定的弯曲-伸展元试验

利用安装在共振柱测试系统中的弯曲-伸展元,开展了干砂中P波（压缩波）和S波（剪切波）的室内试验,详细地分析了干砂中P波和S波的信号特征,研究了输入频率、土体密实度和有效围压对输出信号的影响。对比各种信号分析方法,并参考共振柱试验结果确定了S波的传播时间。根据实测波速和波动理论,确定了土体的弹性参数,包括剪切模量,侧限模量和泊松比。研究结果表明,P波和S波的输出信号频率在一定程度上随输入信号频率、土体密实度和有效围压的增加而增加,且P波信号比S波信号更容易确定波的传播时间;土体的弹性模量随土体密实度和有效围压的增加而增加,但剪切模量增长比侧限模量快;土体的泊松比并非一个常数,随着土体密实度和有效围压的增加而下降。初步探讨了利用剪切模量估算泊松比,以方便实际工程应用。     

横波测井技术在海洋工程中的应用

单孔波速测试的传统做法是在地面激振,在孔中接收,但该方法测试深度受限,测试精度较低,且对于海上钻孔来说,根本无法实现激振,故对于海洋工程钻孔的波速测试,则需要新技术来实现横波波速的获取。笔者介绍的悬挂式波速测井法将震源和检波器同时放入井孔中,摆脱了笨重的地面敲击震源,实现了波速测井设备的轻便化,由相距1 m的两个检波器接收S波的传播信号,为一发双收装置,利用传感器接收到震源传来的S波信号到达时间(初至)差,来确定钻孔所在处地层波速的一种新技术。该方法在南堡油田平台场址调查中发挥了重要作用,对120 m深的钻孔进行了横波测井,取得了良好的测试成果,为该工程项目提供了准确的剪切波速,为划分该场址的场地土类别发挥了重要作用。     

基于分段波形互相关的井下随采地震数据成像

随采地震勘探是以采煤机为震源的被动地震探测技术，由于采煤机是不断移动的、且其激发的是一种连续信号，因此常规数据处理方法无法直接应用。提出分段波形互相关方法，通过将采煤机产生的数据分段，采用互相关方法提取有效信号的走时，然后利用速度层析成像方法对工作面内部和切眼前方进行速度成像。利用波动方程对含异常体的工作面模型进行随采地震数值模拟，反演得到的成像结果和速度模型基本吻合；实际随采地震数据测试中，利用该方法对采煤机震源数据反演得到采动过程中地震波传播速度的成像结果，实现了对工作面内应力异常变化区域的实时动态监测。研究结果表明:基于分段互相关成像方法能解决采煤机震源信号处理问题，满足随采地震勘探技术实时性和稳定性的要求。      

Probabilistic modelling of auto-correlation characteristics of heterogeneous slopes

Spatial variability of soil materials has long been recognised as an important factor influencing the reliability of geo-structures. This study stochastically investigates the influence of spatial variability of shear strength on the stability of heterogeneous slopes, focusing on the auto-correlation function, auto-correlation distance and cross-correlation between soil parameters. The finite element method is merged with the random field theory to probabilistically evaluate factor of safety and probability of failure via Monte-Carlo simulations. The simulation procedure is explained in detail with suggestions on improving efficiency of the Monte-Carlo process. A simple procedure to create cross-correlation between random variables, which allows direct comparison of the influence of each strength variable, is discussed. The results show that the auto-correlation distance and cross-correlation can significantly influence slope stability, while the choice of auto-correlation function only has a minor effect. An equation relating the probability of failure with the auto-correlation distance is suggested in light of the analyses performed in this work and other results from the literature.     

井间地震时频域联合速度和衰减系数同步层析反演

井间地震资料中蕴含丰富的地下储层岩性和物性信息,利用井间地震直达波初至信息,通过层析反演可以得到两井之间的速度剖面。通过对井间地震直达波振幅衰减信息的处理,可以实现井间的吸收衰减层析成像。基于井间地震直达波射线路径的一致性,提出了井间地震时域直达波走时层析反演和频域质心频率衰减层析同步反演方法,增加了约束条件,增强了抗干扰能力。对模型和实际资料的处理结果表明,速度和吸收衰减同步反演方法,提高了速度层析反演精度,得到了对油气更为敏感的衰减属性,增强了井间地震在储层描述和油气预测中的应用能力。     

随机介质中的探地雷达叠前逆时偏移成像

为了更好地分析探地雷达(GPR)叠前逆时偏移算法对实际地下随机分布介质的成像效果,采用随机过程的谱分解和混合型自相关函数理论构建了不同自相关长度的GPR随机介质模型。基于时域有限差分法(FDTD)构建了GPR叠前逆时偏移成像算法,其中FDTD用于计算正传和反传电磁波场,归一化互相关成像条件用于获取逆时偏移成像剖面。在此基础上,利用该算法对两个随机介质模型的多偏移距正演数据进行计算,并与相应背景介质为均匀介质的逆时偏移结果进行对比。结果表明:电磁波在随机介质中散射强烈,反射波扭曲变形、不连续,形成了明显的随机扰动,致使逆时偏移成像剖面的空间分辨率更低,低频噪声更强;自相关长度是影响随机介质中异常体成像效果的主要因素,自相关长度越小,异常体的成像越清晰,自相关长度越大,异常体的成像效果越差,且不易被识别。     

基于地震干涉的回采工作面随采地震成像方法

煤矿安全生产迫切需要能够对工作面进行实时探测的方法,随采地震成像方法是一个有效解决途径。基于采煤机地震信号特征的分析,研究对比了3种随采地震信号干涉方法的适用性,利用贝叶斯反演提出了工作面的随采地震槽波层析成像方法。结果表明:采用反褶积干涉或互相干干涉,皆能有效压缩震源的子波,得到比互相关干涉更宽频谱的炮集;利用二次干涉方法,有助于获得更高精度的到时与层析成像结果。该方法能够实现煤矿井下回采工作面的随采地震实时成像,及时发现速度随时间变化的危险区域,对工作面地质灾害做出预警。      

脉冲压缩方法检测岩石弹性波速度

针对岩石弹性波速度检测信噪比低、回波信号初至时间不易判读,以及较长岩石（或混凝土）超声检测难以穿透问题,提出用脉冲压缩方法检测弹性波速度。该方法与超声脉冲法检测的不同之处是在发射端采用编码信号激励,在接收端进行匹配滤波,得到高信噪比的压缩信号。介绍线性调频信号的宽时宽带特性,分析了脉冲压缩的基本原理和数字实现过程。试验研究了换能器带宽对激发信号的影响。用常规的单脉冲法和脉冲压缩方法检测了多个岩样的弹性波速度,试验结果表明,两种检测结果差异较小。给出了脉冲压缩方法用于岩石弹性波速度检测的具体步骤和计算过程。综合分析,脉冲压缩方法检测岩石弹性波速度是可行的,能够用于岩土工程的质量评价。     

Variations of Shear Wave Arrival Time in Unconfined Soil Specimens Measured with Bender Elements

Bender element test setups have gained much popularity in the measurement of shear wave velocity (v_s) in soil specimens, with the purpose of estimating the small strain shear modulus (G_o). However the determination of shear wave arrival time from bender element tests can be subjective with results varying over a wide range, depending on the method adopted to identify the arrival time. This paper describes a series of bender element tests conducted on a pair of unconfined specimens, 38 mm in diameter and 76 mm in height, where the average data of the two are reported. With shear waves triggered at frequencies between 1 and 20 kHz, identification of the arrival time in both the time and frequency domains were performed. The different methods presented varying degrees of problems and discrepancies, with no one method emerging as a consistent winner. The time domain methods were apparently preferable due to its simplicity, which is perhaps one of the key factors contributing to the growing popularity of bender elements. The frequency domain methods, on the other hand, involved complex manipulation of the original signals, which can be onerous and time-consuming. Based on the findings, it was concluded that the reliability of shear wave velocity measurement with bender elements can be increased and the errors kept to a minimum, if the same arrival time identification method is performed with consistent judgment in a particular test series.     

The physical Properties of marine sediments as inferred from Wavelet Correlation Analysis

Seismic waves traveling in the water/sediment or sub-bottom sediment interface have been the subject of considerable interest in underwater acoustics in recent years. Some progress has been made in understanding the propagation and attenuation characteristics of interface waves in different geological environments. However, the generating mechanisms are poorly understood. In particular, what is the acoustic-seismic energy conversion process? As seismic waves involve both time and space parameters it should be able to relate directly the propagation characteristics of the ocean bottom interface waves to the shear properties of the sediments over the propagation area. To address these problems we have applied the wavelet correlation method (WCR) to examine the variations of bottom characteristics and their role in coupling waterborne sound into the sea bottom. To confirm the validity of the developed modeling technique, we applied the wavelet correlation analysis for synthetic seismograms and field data. In this discussion paper we present images of the first and second shear modes and the interface wave component as a function of arrival time and frequency. We also discuss the possibility of inverting phase and group velocity information directly from the wavelet cross-correlation function and propose the way of using the WCR method to predict physical dynamic parameters of marine sediments.