數(shù)字化面波儀在洞穴探測中的試驗研究.pdf

1、隨著山區(qū)高速公路建設(shè)快速發(fā)展和營運公路里程的急速增多，各類公路結(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、隧道開裂涌水、橋梁地基沉降變形等等都會使得地基產(chǎn)生過量不均勻沉降，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)和安全運營，有可能造成巨大的經(jīng)濟損失甚至?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)明顯弱于周圍巖土的區(qū)域。在中國西南山區(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對公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成嚴重威脅，因此運用一定方法或設(shè)備對這一類地下洞穴進行檢測，判斷其位置對工程質(zhì)量和人民財產(chǎn)安全有著重要意義。因此，以公路構(gòu)筑物地基災(zāi)害檢測需求和無損檢測裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢為背景，開展全數(shù)字檢波器、新一代面波儀樣機和成像系統(tǒng)研究開發(fā)，并進行前期的試驗研究

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

4、驗證，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)值分析軟件對該設(shè)備進行性能驗證。首先，通過FLAC3D建立一系列含有地下洞穴的模型，通過F-K變換分析法、S變換法和Matlab繪制出的頻散曲線統(tǒng)計分析各個參數(shù)如道間距、偏移距等對勘測結(jié)果的影響，給瑞雷面波儀在試驗場地進行實地勘測地下洞穴提供了測線布設(shè)方式等工程建議。
　　首先，對地震波勘探方法和瑞雷波傳播特性進行詳細分析，

5、深入研究波的頻散特征。根據(jù)常見的野外觀測系統(tǒng)布置，建立一套適合本示范點的探測方法，重點討論了包括震源激發(fā)條件、道間距、偏移距、觀測長度等對信號采集結(jié)果的影響。
　　其次，針對頻散曲線的提取，引入常見的幾種數(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分析法相結(jié)合的對比方法，為后續(xù)的試驗分析和FLAC3D數(shù)值模擬建立基礎(chǔ)理論。
　　然后，利用有限差分軟件FLAC3D為試驗場構(gòu)建瞬態(tài)瑞雷波法的三維地

6、質(zhì)模型。對模型網(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勘探精度和深度的影響，并建立對比模型。確立1.0m道間距，5.0m偏移距離的觀測參數(shù)，為野外工作試驗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)鴉雀村的一個小山丘為試驗場地，人工在距地表20米(洞項距地表18m)處挖設(shè)一個4*4m長20m的洞