规则层状弹性介质中基阶模态瑞利波频散曲线计算新方法

在层剪切波速随层深度递增的规则层状弹性介质中,基阶模态瑞利波在表面波场起主导作用,基阶模态频散曲线计算在表面波测试分析中非常重要。层状弹性介质中各阶模态瑞利波频散曲线计算常采用矩阵方法,由矩阵行列式根得到频散曲线,但行列式需用搜索方法求解。为了避免复杂计算,基于Aki和Richards给出的基阶模态频散曲线计算式,假设瑞利波相速度是层剪切波或瑞利波速与基阶瑞利波位移振型函数积分加权均方根。通过对规则层状介质中基阶瑞利波位移振型及土参数与第1层相同的均匀半无限体瑞利波位移振型比较,可知两者变化规律具有相关性,以层剪切波速度差异为参数对半无限体中瑞利波位移振型修正可估算分层介质中基阶瑞利波振型。分析结果表明,相较于矩阵方法,该方法算法简单,相较于半波法,精度较高。     

表面波有效相速度近似分析方法

分层介质中瑞利面波有多个模态,表面瞬态响应是多个模态响应的叠加。在近场,面波模态响应传播速度随传播距离而变化;在远场,其趋于模态相速度。由分层介质表面两不同点响应互谱分析(SASW)得到的有效相速度并不对应于面波基阶模态相速度,它与波场中高阶模态能量分配比例有关。有效相速度随传播距离而变化,近场体波对有效相速度影响较大。对分层介质在简谐荷载下表面质点位移响应进行了互谱分析,得到了有效相速度理论值,通过理论值与测试值匹配分析可估算分层参数,该分析方法考虑了近场及高阶面波模态对有效相速度的影响。     

表面源激发的瑞利波传播特性分析

自由状态下层状介质中平面瑞利波相速度与频率及层状介质特性参数有关,表面源激发的瑞利波以柱面波阵面传播,传播速度不仅与频率有关,而且还与传播距离有关,这样,自由状态下层状介质中平面瑞利波传播特性理论不能有效地用于激发瑞利波相速度分析。以薄层法得到的圆盘状表面垂直源激发瑞利波位移响应为基础,导出激发瑞利波相速度,比较激发模态与简正模态相速度差异,分析激发模态空间特性,揭示这种空间特性形成机制。结果表明:源对激发模态传播影响距离不超过一个波长,波场距源越近,激发模态竖直振动传播速度越低;在多模波场,激发模态间相长相干或相消相干导致表观相速度具有较明显的空间特性。该研究可为发展考虑瑞利波频率及空间特性反演数学模型及算法提供指导。     

地下浅部异质体对表面波场谱扰动分析

均匀半无限体中表面源激发近表面波场由瑞利波主导,当浅部存在异质体,前行瑞利波发生散射,异质体周围表面波场响应谱发生变化。当异质体长度相对波长较大时,由异质体上方表面质点响应谱提取绕射波频散曲线可分析异质体与周围介质刚度差异对绕射波传播特性的影响。与含软层或硬层半无限体中瑞利波特性比较,可以发现绕射波具有与瑞利波类似的传播特性。异质体上方谱变化特征与异质体和周围介质间刚度差异有关,本研究基于异质体绕射波与入射瑞利波位移结构差异解释谱变化现象。结果表明：异质体上方谱与周围谱明显不同,在偏移距−波长域,相对于前方波场,软质体上方谱密度整体呈减弱趋势,硬质体上方谱密度整体呈增强趋势。根据谱密度变化对应偏移距、波长及谱密度强弱,可以预估异质体在传播方向的位置、埋深,并识别异质体类型。     

埋入源下半无限体中瑞利波可激性研究

埋入源激发波场分析对岩土工程勘探非常重要。基于模态叠加法给出均匀半无限体中埋入球形膨胀点源激发波场位移表达式,由此研究瑞利波可激性及其传播特性,分析埋入源下瑞利波可激性机制,并通过有限元模拟验证分析方法有效性。结果显示:在均匀半无限体中瑞利波可激性受源埋深与波长比影响,比值越小,瑞利波可激程度越高;当比值大于1时,瑞利波不易激发。与自由状态下以平面波阵面传播的简正瑞利波相比,半无限体中埋入源激发瑞利波速度随传播距离变化,传播具有空间特性,距中心轴线越近,竖直向质点振动相速度越小,当距离大于一个波长时,激发瑞利波传播特性趋于简正瑞利波。     

饱和多孔介质表面透水性对表面波传播特性影响薄层分析法

饱和半无限体表面透水性会影响表面波（瑞利波和斯通利波）存在及其传播特性。在表面透水情况下,只有瑞利波存在,而在不透水情况,不仅有瑞利波而且还有斯通利波。表面波在工程勘探及声波测试中扮演很重要角色,因此,有必要研究表面透水性对表面波传播特性的影响。采用薄层法,将表面波频率方程根的搜索问题转换成求特征值问题。根据表面波沿深度衰减特性,从一组计算的特征值及特征向量中筛选出与表面波对应特征值、特征向量,由特征值得到表面波频率特性（频散和衰减特性）,由特征向量得到孔隙压力、骨架位移随深度变化,进而分析在表面不透水情况下瑞利波和斯通利波影响深度及程度。     

Matlab环境下瑞利波有限差分正演与曲线绘制

以瑞利波频散方程为出发点的Abo-Zena传递矩阵等方法,只能研究层状介质中瑞利波的传播特性,对于非层状介质,传递矩阵无能为力。因此,不得不考虑有限元、有限差分等方法。根据弹性动力学方程,采用交错网格有限差分方法对均匀弹性半空间介质进行全波场模拟,并在Matlab环境下实现编程计算,再现了瑞利波在近地表的传播状态,实现了地震剖面曲线的正振幅充填问题,从而获得了类似野外地震勘探的剖面记录。模拟结果表明,采用一阶差分格式所得到的地震记录存在较严重的数值频散,在采用有限差分法研究瑞利波\     

瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用

地下介质的弹性波速的差异与介质的岩土力学特征具有很好的相关性,而介质的瑞利波速度与其剪切波速非常接近,因此利用瑞利波勘探技术进行地下介质分层时,其优势十分明显.在岩土工程勘察的初勘阶段可利用瑞利波勘探技术宏观划分力学性质差异明显的地层、地质构造,而在详勘阶段可以探测基岩埋深、填土厚度等的变化趋势,均取得了比较好的应用效果.     

路基边界对瑞利波检测影响的数值模拟研究

瑞利波检测被广泛应用于路基工程质量检测中,但对于瑞利波沿三维路基体的传播规律以及对检测结果的影响,尚缺乏深入研究.笔者利用有限差分软件FLAC3D,对单层介质半无限大体和三维路基体的瑞利波传播特性以及频散曲线进行了数值模拟分析;并与半无限体的瑞利波理论频散曲线进行了对比;讨论了三维路堤边界对瑞利波检测路基路面的影响.     

软弱夹层速度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层速度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h—c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层速度变化的规律。     

地质条件复杂地区瑞雷波勘探正演模拟

为研究复杂地质条件对瑞雷面波频散曲线的影响,采用有限差分地震数值模拟方法,对3种模型进行正演模拟,得出了某一时刻的波场快照与单炮记录。对模拟记录进行频散分析的结果表明：单层均匀介质没有频散现象;起伏地表两层均匀介质的频散曲线相速度只和介质本身的参数有关,不受地形的影响;水平地表含软夹层介质中,瑞雷波频散现象非常明显。     

Rayleigh面波各阶模式频散曲线对横波速度和层厚的敏感性探讨

Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用频散曲线反演地层厚度及横波速度,而不同模式的频散曲线对横波速度和层厚的敏感性不同。通过求取介质参数变化10%后与参数不变化时的二组频散曲线的差值,得到各阶模式的频率～相速度差曲线,分析了Rayleigh面波各模式频散曲线对横波速度、层厚的敏感性。试验结果表明,基阶模式对于浅层的横波速度和层厚比较敏感,敏感区域主要集中在较窄的频带范围内。而高阶模式对于相对较深层的横波速度和层厚比较敏感,且频率范围分布较大,敏感性强的频段分布比较分散。研究结果可以为Rayleigh面波多模式联合反演提供理论依据。     

Propagation of Rayleigh waves in unsaturated porothermoelastic media

Based on the frame of elastic theory for unsaturated porous medium, considering the influence of thermal effect, the propagation characteristics of Rayleigh wave in unsaturated porous media are studied. Firstly, the thermoelastic wave equations for three-phase porous media are established, in which the mass balance equations, generalized Darcy law, momentum balance equations, and generalized non-Fourier heat conduction law are taken into account. Secondly, through theoretical derivation, the dispersion equation of Rayleigh wave for unsaturated porothermoelastic media is given by introducing the potential functions. Finally, the variations of the phase velocity of Rayleigh wave are analyzed with numerical examples. The results show that the thermal conductivity has little effect on the phase velocity of Rayleigh wave. The phase velocity of Rayleigh wave increase with increasing of the thermal expansion coefficient and media temperature.     

Effective Dispersion Curve and Pseudo Multimode Dispersion Curves for Rayleigh Wave

The hi-energy bands in the dispersion image are usually interpreted as the true dispersion phase velocities.However,the multiple dispersion modes of Rayleigh wave in layered media stack in space,producing the effective dispersion curve and the pseudo multimode dispersion curves in disper-sion image.The effective dispersion curve has the maximum energy with lower phase velocities than pseudo dispersion phase velocities,and thus is often misunderstood as the fundamental mode.Within the tolerable misfit,the ef...     

工程地质中瑞利波法勘探的理论初探

本文以水平层状液体为模型,推导出瑞利面波的频散方程,进而作了多层介质的模型试算并绘出了瑞利波波速与波长的关系曲线.该曲线对应于弹性分界面上的异常特征与实测曲线的异常特征吻合,可用于说明层状介质中瑞利面波勘探的机制.文中还以理论模型试算结果为依据,对当前面波勘探中的半波长解释方法作了评述,并解释了固体层状介质中面波曲线的异常特征.     

层状地基中瑞利波随深度的衰减特性

层状地基中瑞利波（Rayleigh wave）的传播规律以及随深度的衰减规律是工程环境微振动分析与控制研究的关键问题之一。采用解析法（矩阵传递法）分析了层状地基中瑞利波弥散曲线,并在此基础上研究了各种频率下不同类型土层（上软下硬、软夹层、硬夹层）中瑞利波位移随深度衰减规律,通过与弹性半空间解的对比发现,瑞利波位移随深度的衰减规律与频率、土层分布密切相关：频率越高,传播深度越浅;特殊土层（软夹层、硬夹层）的存在会局部显著地改变其衰减规律,并且位移峰值的分布受到频率和土层分布的共同影响。最后,将该方法用于分析上海光源工程地基条件下瑞利波随深度的衰减规律,并与现场深孔微振动测试数据进行了比较。结果证明,与弹性半空间解相比,层状地基中瑞利波随深度的衰减规律可以更为准确地反映真实条件下瑞利波随深度的衰减规律。     

瞬态瑞雷面波勘探中隐伏溶洞的响应特征研究

瞬态瑞雷面波法勘探中,掌握隐伏溶洞的响应特征是进行野外探查分析的基础。结合两类填充状态隐伏溶洞,使用有限差分法进行数值模拟,分别构建不同发育介质溶洞模型。并利用贵广铁路隐伏溶洞探测实例验证探测效果。分析认为:瑞雷面波法对面波相速度差异反映敏感,精度较高,对基岩面和两种类型隐伏溶洞分辨率高;对于填充溶洞,速度响应由溶洞中充填介质的物性决定,一般为低速反映;对于空溶洞,速度较粘土层及基岩均为低速反映;两种溶洞探测面波频散曲线在溶洞位置都会出现较为形象明显的“之”字形拐曲。取得的结果可为工程应用提供借鉴。     

基于附加层法的非规则剖面的瑞利波频散特性研究

对于某些非规则水平层状地质剖面,采用传递矩阵法获得的瑞利波频散曲线可能会出现截止或截断现象,但采用附加层的方法可避免这些现象的发生。通过采用附加层法前后相速度与激发强度大小的对比,来论证附加层法的正确性。对3个典型的非规则剖面进行模拟计算,利用传递矩阵法算得添加附加层前后瑞利波频散曲线,以及某些特征点处位移分量随深度的变化情况。通过对计算结果的对比分析可知,附加层法不仅可计算出地质剖面的实数导波,还可算出其泄漏模式波;在固定的频率点上,附加层的埋深越大,则添加附加层后算得的激发强度大小与原模型的误差越小;当附加层的埋深固定时,添加附加层后计算出的位移曲线与原位移曲线之间的误差随着对比点频率的增大而减小。可见,今后根据实际工作的精度要求,可用附加层法计算某些非规则剖面的瑞利波频散曲线。     

Effect of surface wave inversion non-uniqueness on 1D seismic ground response analysis

Surface wave methods are increasingly being used for geotechnical site characterization. The methodology is based on the dispersive characteristic of Rayleigh waves in vertically heterogeneous medium. Experimental dispersion curve is inverted to obtain one-dimensional shear-wave velocity profile by inverse problem solution. Uncertainty associated with this surface wave inversion has drawn much attention. Inverse problem solution can provide different equivalent shear-wave velocity profiles, which may lead to different seismic site response analysis. In this study, a neighborhood algorithm has been used for inversion of dispersion curve to get a set of equivalent shear-wave velocity profiles. These equivalent velocity profiles are then used for 1D ground response analysis for different input motion record of the same earthquake at different epicentral distances. Results show significant variation in amplification spectrum in terms of maximum amplification as well as peak frequency. The extent of this uncertainty largely depends on the characteristics of the ground motion records at different epicentral distances. A linear variation is observed between mean coefficients of variation of amplification spectrum and epicentral distance of ground motion records. A gradual increase in mean value of peak frequency and peak amplification with the epicentral distance is also observed.