基于動(dòng)測儀的面波測試方案

1測試原理簡介

均勻介質(zhì)或分層介質(zhì)在點(diǎn)或面振源作用下，表面波場包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV波衰減快于瑞利波，當(dāng)距振源一定距離表面波場以瑞利波為主。在大多數(shù)情況下，瑞利波能量集中在一個(gè)波長深度范圍內(nèi)，頻率越低，波長越大，影響深度越深。在剖面參數(shù)（剪切波速、密度、泊松比）不同分層狀態(tài)下，隨著波長的增加，瑞利波穿越的層數(shù)也增加，瑞利波傳播速度發(fā)生變化，瑞利波傳播出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，即瑞利波傳播速度隨頻率（或波長）的變化，如圖1所示，頻散曲線的變化與分層參數(shù)、分層厚度等有關(guān)，通過對頻散曲線的反分析可以得到場地分層剪切波速。

圖1瑞利波波長與穿透深度及傳播速度間關(guān)系

不同的分析方法，對測試要求也不同，目前分析方法主要有f—k分析及互相關(guān)分析（SASW）。

2、基于互譜分析測試方法

互譜分析，顧名思義就是對兩道信號作互相關(guān)分析，只要有兩道信號就可以得到面波的相速度隨波長或頻率的變化。目前，動(dòng)測儀，如RSM、FD系列，一般最多可采集四道。 這樣，在互譜分析用動(dòng)測儀作為采樣設(shè)備是可行的。當(dāng)采用兩個(gè)測點(diǎn)時(shí)，如圖2所示，測點(diǎn)可按共中心方式布點(diǎn)，即（1）測點(diǎn)距、振源與最近測點(diǎn)距相等；（2）按測點(diǎn)中心線位置不變，不斷增加測點(diǎn)距；（3）通過正反敲擊來消除分層傾斜及傳感器不一致性的影響。如圖3所示。

圖2 兩測點(diǎn)布置

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圖3 共中心測點(diǎn)布置

兩點(diǎn)實(shí)測信號、互譜分析及得到的相速度隨波長或頻率變化，見圖4，相速度表示面波在兩測點(diǎn)間平均相速度。

(a) (b)

(c)

圖4 兩測點(diǎn)信號 (a)、互譜分析 (b)及 相速度隨波長變化 (c)

當(dāng)采用三個(gè)測點(diǎn)，如圖5所示，通過對三條信號組合分析，即CH1+CH2、CH1+CH3、CH2+CH3組合，可以得到三條剖面的相速度。見圖6。

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圖5 三測點(diǎn)布置

(a) (b)

圖5 三測點(diǎn)信號 (a) 及由信號3種不同組合得到的相速度隨波長變化 (b)

當(dāng)采用四個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示，通過對四條信號組合分析，即CH1+CH2、CH1+CH3、CH1+CH4、CH2+CH3、CH2+CH4、CH3+CH4組合，可以得到六條剖面的相速度。當(dāng)?shù)乳g距布點(diǎn)，CH1+CH4與CH2+CH3對應(yīng)的剖面重合，兩者平均、光滑得到一條相速度曲線，見圖7。

圖6 四測點(diǎn)布置

圖7 四測點(diǎn)信號 (a) 及由信號5種不同組合得到的相速度隨波長變化 (b) 當(dāng)?shù)玫脚c多個(gè)剖面的相速度速度后，就可以構(gòu)筑相速度色譜圖，如圖8所示。

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圖8 由不同剖面的相速度隨波長變化曲線得到相速度色譜圖

3、互譜分析優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1） 互譜分析只要兩道信號就可以分析，因而，對測試儀器要求不高，一般只要有兩個(gè)

通道的儀器就可以使用，這樣目前用于基樁測試、剪切波速測試、振動(dòng)測試的儀器均可用于面波測試；

（2） 由于互譜分析是計(jì)算面波在兩測點(diǎn)的相位差，這對測量傳感器的相頻特性一致性要

求較高，測量之前，將傳感器同時(shí)放置在一個(gè)位置，根據(jù)采集的信號判斷傳感器的相頻特性一致性； （3） 互譜分析僅利用相位差來計(jì)算相速度，沒有利用面波能量幅值，干擾信號對相位差

計(jì)算影響較大，互譜分析得到的曲線沒有f?k分析光滑，不同道距、不同次結(jié)果可能相差較大，一致性較差；

（4） 測點(diǎn)間距越大，面波在兩測點(diǎn)間相位差越大，這越有利于消除噪音干擾，一般測點(diǎn)

距D>2m,有利于結(jié)果分析；

（5） 采樣時(shí)間建議取（>200）×D（us），以保證在頻率域有較高分辨率。

4、f—k分析方法

對一定數(shù)量的測試響應(yīng)信號w(r,t)作f—k分析

W(?n1,kn2)?N2?1N1?1j2?0j1?0??exp(?2?inj11/N1)?exp(?2?in2j2/N2)w(j2?r,j1?t)?(j2?r)1/2 (1)

這里N1為間隔為?t的時(shí)間觀察點(diǎn)數(shù)，N2為空間間隔為?r的觀察點(diǎn)數(shù)，n1=0，…N1-1，

n2=0…，N2-1。由于在f—k域是利用能量譜的極值來分析，為了消除幾何衰減對能量分布的

影響，在譜分析上乘r1/2來校正因幾何衰減導(dǎo)致能量損耗。

得到頻率—波數(shù)域功率譜分布，由譜極值波數(shù)—頻率的變化，利用關(guān)系?/k?c得到頻率—相速度或波長—相速度曲線，見圖9

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圖9 波數(shù)—頻率域譜能量及頻散數(shù)據(jù)

f—k分析一般要求振源、一定數(shù)量測點(diǎn)布置在一條測線上，測點(diǎn)按等間距布置，探測深度越大，要求測點(diǎn)間最大的空間距離也越大（最大的波長不會(huì)超過最大的布點(diǎn)距離，即距振源最近點(diǎn)與距振源最遠(yuǎn)點(diǎn)距離）。

地震儀或面波儀一般有12個(gè)以上的采樣通道，可用于基于f—k分析的面波測試。但當(dāng)測試儀器紀(jì)錄通道有限時(shí)（如基樁動(dòng)測儀）?？刹扇∫韵聝煞N方法對信號進(jìn)行堆疊：

（1） 保持振源位置不動(dòng)，依次等間距移動(dòng)測點(diǎn)，如圖10所示，傳感器使用的傳感器使用

數(shù)量視測量儀器而定，使用的通道越多，得到一定數(shù)量的響應(yīng)排列所需的測量次數(shù)越少，比如，要得到12道響應(yīng)排列，若采用4道采集，則試驗(yàn)要重復(fù)3次，然后對每次測試信號進(jìn)行堆疊，見圖11，而當(dāng)采用2道采集，則試驗(yàn)要重復(fù)6次，依次類推。 采用該方法，要求振源是可重復(fù)的，即振源產(chǎn)生的脈沖信號，不僅頻率成份相同，而且幅值也相同；

圖10 振源不動(dòng)，移動(dòng)測點(diǎn)

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信號堆疊

圖11 測試信號堆疊

（2） 保持測點(diǎn)位置不變，移動(dòng)振源位置，振源距最遠(yuǎn)測點(diǎn)距離S?S0?m(n?1)D，這

里n,m分別是測點(diǎn)布置數(shù)量及移動(dòng)振源的次數(shù)。見圖12。

振源移動(dòng)

圖12 測點(diǎn)不動(dòng)，振源移動(dòng)

5、f—k分析優(yōu)缺點(diǎn)

(1) (2)

f—k分析事實(shí)上就是分析不同能量團(tuán)傳播的速度，該分析利用了振幅，因而，可

有效消除噪音的干擾，得到的數(shù)據(jù)一致性要高于互譜分析，見圖13； f—k分析利用幅值分析，要求測試的傳感器幅頻特性有較好的一致性。

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主要能量傳播趨勢

圖13波數(shù)—頻率域譜能量及頻散數(shù)據(jù)

6、面波測試有關(guān)事項(xiàng)

（1）傳感器：在巖土工程測試中，一般采用速度型傳感器，如圖14a所示，這種類型的傳感器結(jié)構(gòu)如圖14b，它是由導(dǎo)電彈簧線圈、質(zhì)量塊、磁鐵、分流電阻組成，幅頻及相頻特性如圖15所示，在共振頻率附近在共振頻率附近振動(dòng)幅值最大，隨著頻率的增加，曲線趨于平坦，即，不同頻率信號單位質(zhì)點(diǎn)速度的輸出電壓相同，在測量過程中，盡量讓測量的信號頻率成分處于平坦段。圖16是CDJ-J2.5Hz 傳感器幅頻特性，共振頻率越低，可使用的平坦段頻率范圍越寬。共振頻率低，相應(yīng)的質(zhì)量塊的質(zhì)量要越大，傳感器越靈敏，使用結(jié)束后，應(yīng)將輸出短路，以避免傳感器線圈燒壞。傳感器與地面應(yīng)有較好的耦合。當(dāng)對高速公路水泥路面進(jìn)行面波測試時(shí)，由于信號的頻率較高，要求傳感器有較高的頻率響應(yīng)，在此情況下，要采用加速度計(jì)。

圖14 速度型傳感器 (a) 及其結(jié)構(gòu) (b)

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圖15 速度型傳感器幅頻及相頻特性 圖16 CDJ-J2.5Hz傳感器幅頻特性 （2）錘擊設(shè)備，錘擊可采用手錘，落錘、落重以及小型爆炸的方法，見圖17，具體視勘探深度而定，一般可使用10kg~100kg 的落錘，若測量深度為30m以內(nèi)，30kg落錘一般可以滿足要求，落錘下面可采用，金屬墊塊、木質(zhì)墊塊等。

(a) (b)

圖17 手錘 (a) 及落重(b)

（3） 采樣設(shè)置：采樣長度、采樣時(shí)間間隔、濾波設(shè)置、觸發(fā)通道設(shè)置。

（a） 采樣長度是影響頻率分辨率的一個(gè)重要因素，可以設(shè)置長度為1K、2K、4K、8K

等，一般取1K；

（b） 采樣時(shí)間間隔也影響頻率分辨率的一個(gè)重要因素，一般建議?。?200）×

D(us/w);

（c） 為了避免頻率混淆，濾波設(shè)置頻率應(yīng)小于1/(2?t)，?t為采樣時(shí)間間隔； （d） 觸發(fā)通道設(shè)置可以視分析方法而定，當(dāng)采用互譜分析（SASW），可以用離振源最

近的采樣通道作為觸發(fā)通道，而對f—k分析，為了使每次測試獲取盡可能多的

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響應(yīng)信號及響應(yīng)相對振源激振時(shí)刻的延時(shí)，一般可采用短路觸發(fā)、外觸發(fā)，只有在測量儀器不具備短路觸發(fā)、外觸發(fā)情況下，才采用通道觸發(fā)。

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(i)

(ii) (iii)

短路觸發(fā)，顧名思義就是利用短路來觸發(fā)，將電纜線的內(nèi)芯線與外芯線分別與落錘（或手錘）、金屬墊塊相連，然后將電纜線的連接至外觸發(fā)通道（對RSM、FD等動(dòng)測儀一般有標(biāo)識為“EXT”），落錘后，形成短路，儀器開始記錄信號；

外觸發(fā)就是在落錘旁邊放置一觸發(fā)傳感器，要求傳感器響應(yīng)延時(shí)較少，觸發(fā)傳感器與外觸發(fā)通道相連；

當(dāng)測量儀器不具備短路觸發(fā)、外觸發(fā)情況下，可采用通道觸發(fā),就是在落錘旁邊放置一觸發(fā)傳感器，要求傳感器響應(yīng)延時(shí)較少，觸發(fā)傳感器與可采樣通道（比如CH1、CH2、 CH3或CH4）相連。采用通道觸發(fā)，由于該通道只起時(shí)間參照作用，在f—k分析時(shí)，該信號不能參與分析。

附測試結(jié)果

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精選

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夯前

夯后

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