數(shù)字化面波儀在洞穴探測(cè)中的試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著山區(qū)高速公路建設(shè)快速發(fā)展和營(yíng)運(yùn)公路里程的急速增多，各類(lèi)公路結(jié)構(gòu)物的地基存在的隱患甚至各種病害也逐漸顯現(xiàn)，比如巖溶塌陷、地下采空區(qū)等地下洞穴、隧道開(kāi)裂涌水、橋梁地基沉降變形等等都會(huì)使得地基產(chǎn)生過(guò)量不均勻沉降，造成上不構(gòu)造物傾斜以及上部構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成路面開(kāi)裂、橋梁垮塌等。這些災(zāi)害不僅直接影響到公路建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)，有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至?xí){到人民的生命安全。
　　而公路建設(shè)尤其是山區(qū)的公路建設(shè)不可避免的要跨越含有軟弱夾

2、層、地下洞穴、活斷層以及破碎帶等物理力學(xué)性質(zhì)明顯弱于周?chē)鷰r土的區(qū)域。在中國(guó)西南山區(qū)，由于大面積卡斯特地貌的存在，土洞以及地下巖溶洞穴必然普遍存在，這些地下洞穴的存在會(huì)對(duì)公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成嚴(yán)重威脅，因此運(yùn)用一定方法或設(shè)備對(duì)這一類(lèi)地下洞穴進(jìn)行檢測(cè)，判斷其位置對(duì)工程質(zhì)量和人民財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義。因此，以公路構(gòu)筑物地基災(zāi)害檢測(cè)需求和無(wú)損檢測(cè)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)為背景，開(kāi)展全數(shù)字檢波器、新一代面波儀樣機(jī)和成像系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行前期的試驗(yàn)研究

3、與對(duì)比，解決目前地基災(zāi)害無(wú)損檢測(cè)面臨的技術(shù)問(wèn)題和設(shè)備更新?lián)Q代，具有很大的工程價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
　　在此背景下，招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司科技自主創(chuàng)新研發(fā)的全數(shù)字面波儀，是中國(guó)第一臺(tái)數(shù)字高精度面波儀，該設(shè)備正是利用瞬態(tài)瑞雷面波勘探法對(duì)地下洞穴進(jìn)行檢測(cè)的。本文主要采用瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)，從理論研究、觀測(cè)系統(tǒng)建立方法、信號(hào)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)的分析方法和依據(jù)等入手，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，借助常見(jiàn)的正演和反演方法進(jìn)行反復(fù)對(duì)比和

4、驗(yàn)證，研究瑞雷波的頻散曲線關(guān)系。本文利用瑞雷面波勘探的基本原理，F(xiàn)LAC3D有限差分軟件以及Mat lab數(shù)值分析軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行性能驗(yàn)證。首先，通過(guò)FLAC3D建立一系列含有地下洞穴的模型，通過(guò)F-K變換分析法、S變換法和Matlab繪制出的頻散曲線統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)參數(shù)如道間距、偏移距等對(duì)勘測(cè)結(jié)果的影響，給瑞雷面波儀在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)地下洞穴提供了測(cè)線布設(shè)方式等工程建議。
　　首先，對(duì)地震波勘探方法和瑞雷波傳播特性進(jìn)行詳細(xì)分析，

5、深入研究波的頻散特征。根據(jù)常見(jiàn)的野外觀測(cè)系統(tǒng)布置，建立一套適合本示范點(diǎn)的探測(cè)方法，重點(diǎn)討論了包括震源激發(fā)條件、道間距、偏移距、觀測(cè)長(zhǎng)度等對(duì)信號(hào)采集結(jié)果的影響。
　　其次，針對(duì)頻散曲線的提取，引入常見(jiàn)的幾種數(shù)值分析方法——互譜分析法、f-k法、相位移法、S變換法，提出相位移法和波場(chǎng)分析法相結(jié)合的對(duì)比方法，為后續(xù)的試驗(yàn)分析和FLAC3D數(shù)值模擬建立基礎(chǔ)理論。
　　然后，利用有限差分軟件FLAC3D為試驗(yàn)場(chǎng)構(gòu)建瞬態(tài)瑞雷波法的三維地

6、質(zhì)模型。對(duì)模型網(wǎng)格劃分提出建議，邊界條件采用自由邊界和粘性邊界的組合方式能夠減少邊界波的干擾。以頻散曲線指導(dǎo)設(shè)備參數(shù)完整性、一致性的調(diào)整。研究道間距、偏移距以及洞穴尺寸對(duì)勘探精度和深度的影響，并建立對(duì)比模型。確立1.0m道間距，5.0m偏移距離的觀測(cè)參數(shù)，為野外工作試驗(yàn)方案的擬定提供一定參考依據(jù)。
　　最后，本文選取重慶市渝北區(qū)古路鎮(zhèn)鴉雀村的一個(gè)小山丘為試驗(yàn)場(chǎng)地，人工在距地表20米(洞項(xiàng)距地表18m)處挖設(shè)一個(gè)4*4m長(zhǎng)20m的洞