瑞雷波多模式叠加耦合机理研究

本文针对三种常见的典型地质结构深入研究了瑞雷波多模式相互作用的叠加耦合机理.研究结果表明:对于递增模型,基阶波能量仍占主导地位,叠加频散曲线实际上就是基阶波频散曲线,此时不会出现"之"字形回折现象,反演分析时可仅利用基阶波信息;而对于低速软弱夹层或高速硬夹层等复杂地质结构,基阶波能量则在某些频段处于次要地位,叠加频散曲...     

浅层高频瑞利面波群速度频散分析

面波多道分析法(MASW)是一种利用瑞利面波频散特征获得剪切波速垂直剖面的有效方法。除了少数MASW研究者利用面波群速度估计剪切波速外,大部分都是利用瑞利面波相速度频散估计剪切波速。在此,我们通过三个四层模型,其中分别包含一个低速夹层或一个高速夹层,首先来比较基阶瑞利面波相速度和群速度的敏感性。然后通过有限差分模拟生成合成数据。合成数据的群速度频散能量图是利用多重滤波分析法MFA生成的。最后我们结合实例,对高频面波群速度频散曲线进行反演。结果证明:①群速度的敏感性比相速度的高,并且可利用的频率范围比相速度宽,这对提高反演稳定性非常有用,因为对于一个稳定的反演系统,相速度的微小变化不能对反演的剪切波速产生较大影响;②如果基阶面波能量占主要成分,那么利用一道数据就可以得到群速度频散能量图,这意味着利用群速度频散分析可以大量减少数据采集时的炮点数,且水平分辨率也可以大大提高;③应用实例的检测资料证明,利用MFA法进行的群速度反演可以成功估测出浅地表的剪切波速。     

层状地基中表面波有效相速度

在表面波互谱分析方法中,考虑表面波高阶模态及振源对表面波传播影响对提高土层剖面参数计算精度是很重要的。为了研究高阶模态及振源对表面波有效相速度影响,基于薄层刚度矩阵方法,给出了弹性层状地基中表面波水平向及竖直向有效相速度一般解析表达式以及远场渐近表达式,并从能量的角度分析高频、低频有效相速度发展趋势。几种典型层状地基中有效相速度的计算表明:在剪切波速随深度递增的分层中,远场有效相速度随频率变化曲线趋近基阶模态频散曲线;在剪切波速随深度无规律变化分层中,高阶模态影响较大,水平向与竖直向有效相速度有较大的不同;在远场,高频有效相速度趋近表层介质瑞利波相速度。结果显示在高模态及振源影响下表面波有效相速度不仅与频率有关,而且与传播距离有关。     

分层固体板中导波的激发与频散特性

针对无限大弹性分层固体板,研究了结构中导波的频散和激发特性。首先使用传递矩阵法推导分层板模型中导波的频散方程,然后用二分法求取导波各模式的频散曲线,进而分析结构中导波的频散特性。结果表明:在速度递增或递减的分层板中,基阶模式和高阶模式的高频极限分别等于低速层的瑞利波速和横波波速。对于含低速夹层的分层板,所有模式的高频极限都等于低速层的横波速度。在导波激发特性方面,研究了在具有一定宽度的法向力源作用下的分层板中导波各模式在结构中的法向位移谱。发现在速度递增的分层板结构中基阶模式是主导模式,而对于速度递减和含低速夹层模型,主导模式在不同的频段范围内对应不同的导波模式。     

SASW测试相位差不确定性分析

在SASW测试中，受高阶振型波及道距等的影响，从折叠相位差曲线中无法通过折叠展开方法确定各离散频率点的绝对相位差．绝对相位差与折叠相位差相差2面弧度)的整数倍，整数取值不同，由一条折叠相位差曲线计算的相速度．频率曲线也不同，它们并不完全与表面波各阶振型频散曲线对应．若不同振型表面波影响在频率域是分离的，可以得到相应频率范围该振型波的频散曲线。在这些曲线中，总有一条相速度．频率曲线与常规折叠展开方法得到的相速度．频率曲线对应．将不同道距下得到的这些相速度-频率曲线堆叠在一起，并用灰度来表示各频散点出现的概率，由此可以研究基阶振型以及高阶振型波的频散．     

高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

基于模态分离两道法处理多道面波数据的试验研究

目前,关于瑞雷面波勘探的表面波谱分析法(SASW)和瞬态多道面波分析法(MASW)的理论研究和工程应用较多。但是两种方法各有优缺点,因此,本文综合两种方法,采用基于模态分离两道法(相位差法)对多道面波数据进行处理,提高了多道面波勘探的横向分辨率,同时又得到了多道地震排列中心点处更精确的频散曲线,可为反演提供更高精度的频散曲线。试验证明:通过对一炮12道面波数据处理,可同时得到地震排列较浅层二维速度剖面和该地震排列中点处高精度一维横波速度结构,在一定深度范围内反演结果可代替钻孔。该方法可作为能同时提高多道面波勘探的横向分辨率和垂向精度的一次试验性研究,本次试验研究可为解决实际地质问题提供试验技术的支持,在实际工程测试中,可大大提高多道面波信号的利用率。     

煤田三维地震综合解释技术在复杂地质条件下的应用

 常规的煤田三维地震解释以时间域运动学信息为主,适用于地质条件不太复杂的情况。如果把这种方法应用于复杂的地下地质构造,则会因为信息量小降低解释的精度和可靠性。多信息、多学科相融合,即地震运动学和动力学相结合,地震与地质、测井多学科相结合,时间域和深度域相结合的综合解释技术是提高复杂地质条件解释精度的重要手段。地震属性技术、三维可视化技术、测井约束地震反演技术和基于空变速度场的时深转换技术是三维地震综合解释的关键技术。以淮南煤田为例,利用全三维可视化技术探测出煤层内的旋纽构造和新构造运动,利用地震属性中的运动学和动力学特征探测出煤系地层中的陷落柱,通过测井约束地震反演方法和基于空变速度场的时深转换技术实现煤系地层及煤层的空间预测,这些复杂地质构造的发现以及煤层的空间预测结果,对于重新评价煤田开采条件和储量具有重要意义。这项综合解释技术通过利用各种地质信息,有效地降低复杂地质条件下的勘探成本,因此,将成为今后解决煤田复杂构造和岩性勘探的主要手段。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

嵌岩桩破坏模式有限元极限分析

以某嵌岩桩现场静荷载试验为背景,基于有限元分析软件ANSYS这一平台,利用有限元极限分析法中的荷载增量法,探讨了不同情况下的嵌岩桩破坏模式。由数值模拟的分析结果可看出,当桩身承载力比基岩承载力低时,破坏一般发生在桩体;当桩身承载力比基岩承载力高时,破坏多发生在桩底基岩及桩与周围岩土界面上;当基岩中存在结构面时,尤其是软弱结构面,破坏多发生在桩周基岩与软弱结构面上。基岩中倾斜的软弱结构面对嵌岩桩的极限承载力影响较大,建立无结构面情况下嵌岩桩桩基模型进行对比,可以看出无结构面情况下的嵌岩桩桩基承载力是有结构面的嵌岩桩桩基承载力的4倍,当软弱结构面与嵌岩桩的距离较近时,嵌岩桩的承载力会急剧降低。     

地下洞穴对表面波表观相速度影响的数值分析

通过有限元数值模拟，得到了含洞穴固体介质在动荷载下表面质点的速度响应。根据表面质点响应中瑞利波和反射体波能量分配分析表观相速度扰动机制，讨论振源、测点、洞穴三者相对位置及频率对表面波表观相速度影响。表观相速度扰动程度随频率减小而增加，商至出现大扰动。大扰动峰值频率与反射波基频有关，基频随振源、测点及洞穴间相对位置变化。最后讨论由大扰动峰值波长与洞穴埋深关系，并给出洞穴埋深估算方法。     

基于地表移动矢量的概率积分法参数反演方法

为解决概率积分法参数反演时计算不稳定、初值依赖、优化指标难以选取、非矩形工作面,多工作面影响下难以反演的问题,提出采用地表空间移动矢量反演概率积分法参数的遗传算法模型。该模型采用地表移动矢量的误差平方和最小作为计算指标,以遗传算法作为参数优化的核心算法进行概率积分法参数反演。用空间移动矢量指标可以解决分别采用下沉、水平移动监测值反演结果不相同、精度难以估算的难题。矢量反演模型对观测站设置没有特别严格的要求,降低了设站不当引起的计算误差。为解决遗传算法多次计算结果不同的问题,建立了组合预测计算方法,依据中误差加权均值得到唯一的计算结果。基于矢量移动值的反演模型,避免了传统计算方法的多个缺陷,计算效率高、易于与已有开采沉陷预计程序结合,为解决非矩形、多工作面地表移动观测站参数反演的工程应用问题提供了新的解决思路和计算方法。     

The underbody flow of an EDS-type advanced ground transport vehicle

A simple model representing an advanced ground transport vehicle of the type having a moderate ground clearance has been constructed. A wind-tunnel experiment was conducted to investigate the flow characteristics between the model and a fixed ground plane and the pressure distribution on the ground surface. This was compared with similar measurements obtained beneath the same model when propelled along a small test-track built in the laboratory. For these two cases the pressure contours on the ground surface showed very similar patterns, with the moving model generating higher peak suctions at both nose and tail positions. The velocity profiles, which were obtained only along the model centreline, however, had distinctly different shapes, especially under the nose. The discrepancy between the velocity and pressure data is, in part, reconciled by the fact that the mean flows through the gap are found to be in reasonable agreement.     

Single-side access tomography for evaluating interior defect of concrete

This study investigates the suitability of surface waves in developing an innovative tomography technique for non-destructive evaluation of concrete structures. Surface waves, or specifically Rayleigh waves (R-waves), are known to exhibit strong dispersion characteristic when propagating through inhomogeneous media. Experimental program was set up to examine phase velocity change of R-waves with regard to artificial defect embedded in concrete, which could be treated as anomaly in the homogeneous medium (concrete). By adopting a multipoint source-receiver measurement only on one surface of the specimen, different sets of waveforms were excited/collected and processed to compute phase velocities of R-waves with regard to each ray path. Based on the reconstructed phase velocity tomograms, the locations of defect within the measured area could be identified or “visualized”, given by regions with lower phase velocity than their neighbouring ones. It was also confirmed that the visualization was dependent on the dominant wavelengths of R-waves such that longer dominant wavelengths were able to indicate the existence of defects embedded deeper in concrete.     

Stochastic wave models for stationary and homogeneous seismic ground motion

A fundamental theory of stationary, homogeneous stochastic waves is developed and a technique for digitally generating samples of such waves is introduced as a further extension of the spectral representation method. This is done primarily for the purpose of developing an analytical model for propagating seismic waves that can account for their stochastic characteristics in the time and space domain. From this model, the corresponding sample seismic waves can be digitally generated with great computational efficiency. The efficacy of this technique is demonstrated with the aid of a numerical example in which a sample of a stationary, homogeneous, two-dimensional, dispersive Rayleigh wave consistent, in its analytical form of spatial variability, with Lotung, Taiwan dense-array data is digitally generated. Although the stochastic wave model considered in this work is stationary and homogeneous, it is a straightforward task to extend the methodology introduced to nonstationary and / or non-homogeneous stochastic waves characterized by an evolutionary power spectrum.     

深覆盖土层Rayleigh阻尼矩阵建模问题的讨论

分别应用时域和频域分析方法对土层的地震反应进行了计算,通过比较时域和频域的计算结果,探讨了深覆盖土层地震反应时域分析中Rayleigh阻尼矩阵合理建模的重要性。数值结果表明：在深覆盖土层地震反应时域分析中,Rayleigh比例阻尼矩阵不同建模方式对土层加速度反应计算结果的准确性影响很大,而对土层位移反应计算结果的准确性影响非常有限。建议当土层基频高于基岩地震波的主要分量激励频率时,确定Rayleigh阻尼矩阵比例系数的第2个自振频率ω_n可选取土层第2或第3阶低阶自振频率,而当土层基频接近于、低于特别是远低于基岩地震波的主要分量激励频率时,应重视土层高阶振型共振效应对土层地震反应的贡献,此时ω_n应选取为输入基岩地震波反应谱的峰值频率ω_R。     

不同地层波速模型对沉积谷地地震响应规律的影响：FEM-IBIEM模拟研究

准确的地层波速模型是场地反应分析的关键,而实际地层波速测定存在很大的不确定性。计算中通常采用简化的均质和分层模型,或者根据钻孔数据将波速沿深度进行线性、二次或指数拟合。这些不同波速模型对沉积谷地地震响应的影响规律究竟如何目前尚未得以厘清。为此尝试采用有限元—间接边界积分方程耦合方法,通过频时域定量计算,从波动学角度揭示不同波速模型沉积谷地地震响应的差别及其本质所在。数值计算结果表明：低频波入射时(),常用的几种波速模型对地表位移反应影响不大。但随着频率增大,不同波速模型对计算结果的影响不能忽略。着重考察了线性模型和均质模型之间的反应差别：发现线性模型情况下高频共振和盆地边缘效应更为显著,由此导致地震能量主要积聚在近地表土层,并使得沉积内部地表位移幅值显著放大,地震动持时明显增长。另外,沉积谷地形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响,不同波型入射下聚焦区域有很大差别。实际沉积谷地地震动场精确模拟需获取较为精细的地层波速结构和边界几何特征。     

Integrity analysis of single and multi-layer thin cement mortar slab structures using the spectral analysis of surface wave NDT method

The non-destructive testing method using spectral analysis of surface waves (SASW) has mainly been developed and used for many years in the fields of geotechnical engineering and highway engineering, such as examining the material properties of pavement systems, soil media, etc., under an infinite half-space condition. In the recent decades, extensive research in this area has been focused on understanding the applicability and limitations of the SASW method. The method consists of the generation, measurement and processing of dispersive surface waves. In an SASW test, the surface of the media under consideration is subject to an impact, using, for example, a 12-mm steel ball to generate surface wave energy at various frequencies. Two vertical accelerometer receivers detect the energy transmitted through the testing media. By recording signals in digitized form using a data acquisition system and processing them, surface wave velocity can be obtained using a dispersion curve. Based on the dispersion curve, the shear wave velocity can also be plotted using forward modeling, which can be related to various material properties. This paper presents a modified experimental technique for the non-destructive evaluation of compressive strength of in-place single-layer concrete slabs through a correlation with the surface wave velocity. The paper also presents the relationship between the theoretical and experimental compact dispersion curves when the SASW test is applied to multi-layer thin cement mortar slab systems with a finite thickness. The test results show that the surface wave velocity profile obtained from the theoretical dispersion curve has lower values than the profile obtained from the experimental compact dispersion curve under the condition of a finite thickness due to different boundary conditions and reflections from the boundaries. Based on the measured response, an experimental study was conducted to examine if the dispersive characteristics of Rayleigh waves exist in the multi-layer cement mortar slab systems. This study can be utilized in examining structural elements of general concrete structures, and can also be applied to the integrity analysis of concrete structures with a finite thickness.