工程物探课件.ppt

1、设桩长为20m，其混凝土波速度为4000m/s，试画出下列情况下的理论时域信号波形。（需标明时间和位置）完整；t1=5ms，波阻抗减小处；t2=2.5ms，波阻抗增大处。解：t=2 L/c=0.1s=10ms L1=t1 c/2=10m L2=t2 c/2=5m,2、某方桩的砼密度为2450kg/m3，桩长20m，横截面尺寸为450450，波速为4000m/s，求：波阻抗（Z=cA）；弹性模量；第一次和第二次桩底反射时间。解：Z=EA/c=cA=245040000.450.45=1984500(N.s/m)=1984.5(kN.s/m)E=c2=39200MPa t1=2L/c=40/4000=10ms t2=2t1=20ms,二、题型：1 填空题 2 选择或判断题 3 简答题 4 分析应用题,一、考试时间：待定,1、地震勘探方法原理及分类2、地震波的类型、传播规律及形成折射波的条件3、地震波时距曲线及不同波时距曲线特征和公式推导4、折射波勘探的观测系统5、折射波法解释中时间场法(t0法)的方法6、反射波法观测系统的特征7、地震勘探分辨率影响因素及提高分辨率的举措8、反射波地震勘探资料的常用处理方法9、静校正处理方法及主要内容10、动校正及用途11、叠加处理及用途,第 1 章 地震勘探,1、地微动概念及其特点2、地微动振源、分类及应用3、周期频度法的分析处理方法,第 2 章 地微动技术,1、面波勘探概念及原理2、面波勘探的特点及应用,第 3 章 面波勘探,1、探地雷达的概念及组成2、探地雷达测量的设计内容,第 4 章 探地雷达,1、低应变检测原理2、应力波在桩身中的反射和透射规律3、引起反射波的常见因素并能根据检测波形能进行判别4、低应变检测现场测试技术,第 5 章 低应变基桩完整性检测,1、高应变法概念2、高应变法适用范围 3、曲线拟合法的思想4、高应变曲线类型和完整性分析,第 6 章 高应变基桩承载力检测,1、超声波概念、基本参量与分类2、介质的声参量,第 7 章 超声波探测,一、地震勘探概念,第 1 章 地震勘探,第 1 节 地震勘探概述,地震勘探：通过观测和研究地震波在地下的传播特性,即在不同界面上将发生反射、折射、绕射、散射等现象，以查明地层、地质构造形态的一种地球物理方法。,据波的类型分：纵波、横波、面波勘探；据波传播特点分：反射、折射、透射波法，反射波法应用最广，折射波法次之，透射波法只作为辅助手段；据目的层深度分：浅层1000m；据勘探目的任务：工程(浅层)，煤田，油气；据工作环境：陆上和海（湖）上勘探；,二、地震勘探方法分类,地震勘探在众多物探中发展最快，应用最广，甚至成了物探代名词，95%油田是地震勘探方法发现的。其中浅层地震勘探广泛应用于水、工、环地质调查，岩土力学参数原位测试，人文调查，工业找矿。,三、地震勘探工程应用,第 2 节 地震勘探基本理论,地震波有两种类型：体波和面波 体波：在弹性介质内部向四周传播的波。面波：在两种介质的界面传播。体波分为两种类型：纵波和横波面波分为两种类型：瑞利波和勒夫波(蛇行运动),一、地震波的类型,纵波：质点振动方向与波传播方向相同；横波：质点振动方向与波传播方向垂直;瑞利波：沿自由表面(介质与大气层的界面)传播的波；勒夫波：在低速岩层覆盖于高速岩层的情况下，沿两岩层界面传播的波。,二、地震波的反射、透射和折射,当上、下岩层的波阻抗(即密度与速度的乘积)时，入射波传播到两种岩层的界面上，就会使其中一部分能量返回原来的介质，形成反射波，且入射角与反射角相等。这种具有波阻抗差异的界面称为反射界面。,入射波到达界面时，还将使一部分能量透过界面，在下层介质中传播，形成透射波。令入射角为，透射角为，则它们之间的关系应满足斯奈尔（Snell）定律：,当V2V1 时，。随着入射角 的增大，透射角 将更快地增大。当 增至某一临界角 i 时，=90。透射波在下层介质中以速度 V2 沿界面滑行，这种沿界面滑行的透射波又称为滑行波。临界角 i 应满足下列关系：,由于界面两侧的质点存在着弹性联系，因此在临界点以后，由于滑行波经过所引起的界面以下质点的振动必然会引起上层各质点的振动，于是在上层介质中就会形成一种新波，称为折射波或首波。,形成折射波的条件：界面下介质的波速应大于上覆介质的波速。在多层介质中，要使任一地层顶面形成折射波，必须该层波速大于上覆所有各层的波速。如果上覆地层中某一层波速大于下伏所有各层的波速，则在这些下伏层顶面都不能形成折射波。,可见，形成折射的条件较苛刻。在同一层剖面中，折射界面的数目总是少于反射界面。因而用折射波法划分地质剖面的能力要比反射波法差。,三、有效波和干扰波,有效波：用于解决所提出地质问题的波。干扰波：妨碍分辨有效波的其它波。例如，在折射波法中，折射波是有效波，但在反射波法中，折射波又是干扰波了。无论哪种地震勘探方法，爆炸引起的声波，风吹草动、机械、车辆等形成的微震都属于干扰波。,多次反射波的存在，降低了对一次波的分辨能力。因此，分辨和压制多次波是地震资料处理和解释中的重大课题。,四、地震波时距曲线,图中各道记录振幅开始增大(或振幅最大)的点，将这些点连接起来，就构成了该种波的同相轴。这些同相轴反映了炮点至检波点的距离 x 与波到达各检波点的旅行时 t 之间的函数关系。在 x-t 平面内，此函数关系称为时(间)距(离)曲线。,1、直达波时距曲线 假设地下充满均匀介质,波在其中传播的速度为 V。以震源 O 作为坐标原点，则在炮检距为 x 的点上直达波的旅行时可表示为,上式就是直达波的时距方程。,2、反射波时距曲线,反射波时距曲线是一条位于上部的双曲线，且以纵轴为对称轴。,3、折射波时距曲线,取震源 O 为坐标原点，假设地面和折射界面都是水平的，震源至界面的法线深度为 h，上层介质的波速为 V 1，下层介质的波速为 V 2，且 V 1 V 2。当在盲区以外炮检距为 x 的任意点 S 观测时，,水平界面的折射波时距曲线是以 M 和 M 为始点，以纵轴为对称的两条直线段。,第 3 节 折射波法,在工程地震勘探中，地震折射波法是一种简便经济的勘探方法，它可为工程地质提供浅层地层起伏变化和速度横向变化资料以及潜水面的变化资料等，还可为反射波法勘探提供用于静校正的表层速度和低速带起伏变化资料。,根据炮点和检波点的相对位置关系，可将地震勘探测线分为纵测线和非纵测线两类。,纵测线：炮点与检波点在一条直线上;非纵测线：炮点与检波点不在一条直线上。,一.折射波观测系统,不完整对比观测系统（追逐时距曲线观测系统）,完整对比观测系统（相遇时距曲线观测系统）:可弥补单一时距曲线的不足，可以从不同方向反映界面变化。,有时工作条件或地质条件复杂，用一般时距曲线得不到目的层折射波的相遇段，这时可在两端增加激发点并扩大观测段，采用多重时距曲线观测系统。,二.时距曲线的解释(t0法),可见，可利用直达波时距曲线求出V1，利用折射波时距曲线求出V2和截距时间t0，即可按上述公式求出震源点下界面的埋藏深度。,第 4 节 反射波法,1、反射波法观测系统 多次覆盖观测系统：把不同激发点，不同接收点上接收来的来自同一反射点的地震记录进行迭加。,优点：可以压制多次波和各种随机干扰波，大大提高信噪比（有效波与干扰波能量之比）和地震剖面质量，可以提取速度等重要参数。,单次覆盖与多次覆盖比较,具体做法：选定偏移距和检波距后，每激发一次，激发点和整个排列同时向前移动一个距离，直至测完全部剖面。常用综合平面法来表示。,单边放炮以24道接收，6次覆盖观测系统为例：在观测系统中，炮点移动距离（或移动道数）可根据、S求得:,2、四种道集记录（1）共炮点记录 从炮点出发的45度斜线代表一个排列，在此线上所有的接收点有共同的炮点，属于同一炮点的各道记录称为共炮点记录。,（2）共接收点记录 从接收点出发的450斜线代表地面同一接收点位置，此线上不同炮点的所有道都是同一地面点接收，由此组成的记录称为共接收点记录。,（3）共炮检距记录 与炮点线平行的水平线表示等炮检距情况，各接收点的炮检距都相等，由此形成的记录称为共炮检距记录。,（4）共中心点记录 垂直于共炮检距线的垂线表示共中心点的位置，此线上各点接收到来自地下同一反射点的反射，由此组成的记录称为共反射点记录。,3、提高地震勘探精度 分辨率,以往的地震勘探只能接收到中、低频成分的地震波。地震波频率低，分辨能力就低，所以地震资料只能分出厚度为几十米到上百米的大套地层。随着勘探程度的提高，要求地震工作者不仅能搞清大套地层，而且还要准确地划分出十几米甚至几米厚的薄层，这就需要研究地震勘探的分辨能力，即分辨率问题。,地震勘探分辨率,提高分辨率要求减小采样周期和道间距,提高地震勘探分辨率的核心问题是提高高频成分的能量，它要求地震仪相应提高采样速率，即缩短采样周期T。为了保证不产生空间假频，要求道间距小于或等于地震信号最小波长的14，即,4、勘探深度,速度是地震勘探的重要参数，为了求准深层速度，一般认为，最大炮检距应与界面深度相当。为了扩大勘探深度就应增加排列长度。,勘探分辨率与勘探深度的提高都要求增加仪器的记录道数。最大炮检距与界面深度相当。为了扩大勘探深度就应增加排列长度，而提高分辨率又要求缩小道间距，因而就更需要增加道数。,第 5 节 地震资料的处理,对野外取得的地震资料必须进行加工处理，以便消除或压制地震记录中的噪音，改善或加强地质信息，提高有效波的分辨率，为解释提供可靠的基础数据。反射波资料的处理方法有数值校正、数字滤波、速度分析，叠加处理等。,一.数值校正 1.动校正：介质均匀时，水平界面的反射波时距曲线为双曲线。,将各道记录的反射波旅行时 ti 逐点地校正为各检波点至炮点 O 的中点处的回声时间 t0，这时时距曲线就变成了一条水平直线。动校正值(称为正常时差)ti ti t0,将各道记录的反射波旅行时 ti 逐点地校正为各检波点至炮点 O 的中点处的回声时间 t0，这时时距曲线就变成了一条水平直线。动校正值(称为正常时差)ti ti t0,通常将校正后时间轴翻转向下，此时 t0 同相轴就可以近似地反映界面形态。,2.静校正：由于地形起伏、地下介质不均匀、地表低速带以及炮点深度的影响，会使反射波时距曲线产生畸变。,这时即使动校正准确，时距曲线也仍存在畸变。也就是说，仅作动校正是不够的，还必须消除由于上述原因造成的反射时差 t。,计算静校正值时要任意选定一个基准面(一般选取地形起伏的中线)，并将所有炮点和检波点都校正到这个基准面上。,静校正包括三项内容：,经过静校正后，就把实际观测得到的不规则曲线变成规则的双曲线了。,二、叠加处理 将多次覆盖观测系统获得的来自同一反射点的地震记录道抽出，就可以绘成共反射点时距曲线。,对这种双曲线形的时距曲线进行动校正，经校正后属于同一反射点的反射波振动相位完全相同，将它们叠加以后，反射信号幅度大大增强。,而其它干扰波，如多次波、随机干扰等，仍有剩余时差。由于它们的相位不相同，故叠加后干扰信号的幅度必然削弱。,水平叠加原理示意图,可见水平叠加是突出有效波、压制干扰波的有效手段。当反射界面倾斜时，由于实际上并不存在共反射点，这时必须引入一种“偏移叠加”技术，才能使各种波归到地下正确的位置上。,三、时间剖面 实测地震资料经各种处理后，同相轴变换成地下界面的形状。由于同相轴代表的界面到地表的距离不是深度，而是时间，故这种剖面称为时间剖面,时间剖面有不同的显示方式，常用的是波形变面积时间剖面。变面积就是在地震波形极大值附近，按一定的阀值截取出的面积所形成的小梯形黑块。小梯形面积的大小和形状反映了地震波能量的强弱。根据该剖面上的波形还可以了解波的振幅和频率等。通过对时间剖面中各反射同相轴的对比追踪，可识别出断层、隆起、不整合、尖灭、超覆等地质现象。,波形变面积时间剖面(a)变面积的说明(b)波形变面积时间剖面,四、时间剖面的对比 时间剖面的对比工作是整个解释工作中最基础的环节，直接影响到地质解释工作和构造图的可靠性。在时间剖面上反射层位表现为同向轴的形式。在地震记录上波动的相同相位的连线叫做同向轴。所以在时间剖面上反射波的追踪实际上就变为同向轴的对比。,来自同一反射界面的反射波，直接受该界面的埋藏深度、岩性、产状以及覆盖层等因素影响。如上述因素在一定范围内变化不大，具有相对的稳定性，这就会使同一反射波在相邻接受点上反映出相似的特点。,属于同一反射界面的的反射波其同向轴有如下特征：1）振幅显著增强：在时间剖面上，有较大的梯形面积。2）波形相似：在时间剖面上，是梯形“黑疙瘩”的形状，面积大小，数目及其时间间隔相等或相似。,3）同相性：由于同一反射波到达相邻检波器的路程是相近的，因而同一反射波相同相位在相邻地震道上的记录时间是相近的。同相轴应是一条园滑的曲线，同一反射波的不同相位同相轴应彼此平行，这称为同相轴平行，或称为同相性。在时间剖面上，同相轴近似为一条直线，并有一定的长度。,同相轴在时间剖面上还具有渐变的特点，它在时间上、能量上和波形上都是连续、平滑和渐变的。因为地震波在介质中传播也是渐变的，则波场是连续和渐变的。,时间剖面上的同相轴,各种噪音压制后,五、数字滤波,地震记录中包含有效波和干扰波，在反射波法地震勘探中，主要研究对象就是来自地下反射界面的一次反射波。为了压制干扰波、获得高信噪比的地震记录，最常用的手段就是数字滤波。,1、数字滤波的概念,所谓滤波，就是对信号（或波形）进行加工、改造的过程。而数字滤波，就是利用数学手段或数学方法对信号进行改造的过程。地震勘探中的滤波，其实是对地震记录进行分解的一种手段，其目的是通过分解最终达到压制干扰波、突出有效波，提高资料的信噪比。,2、地震记录的时域表示与频域表示,地震道记录的是某点的地面振动情况，它是时间x(t)的函数。由傅里叶变换理论可知，时间函数f(t)可以变换到频率域，与它一一对应的频率函数为F(w)。把时间函数f(t)称为地震记录的时域表示，而把它的频率函数F(w)称为地震记录的频域表示。,原始单炮,滤波后单炮,被滤掉的面波,频率滤波实例：,六、修饰性处理,为了改善水平叠加时间剖面的面貌，使反射层次清晰、能量均衡，有时还要进行修饰性处理。修饰性处理应小心谨慎，处理恰当可使剖面清晰、美观，处理不好则可能造成构造假象。修饰性处理方法较多，常用的有振幅补偿、振幅恢复、反褶积等处理方法。振幅处理又分为道内平衡、道间平衡、相干加强等。,1.道内平衡（动平衡）同一地震记录道浅层、中层、深层反射波的能量差异相当大，给输出显示造成困难。为了在同一张剖面上将浅、中、深层的反射波同时清晰地显示出来，需要进行道内平衡处理，这是一种记录道内的振幅均衡处理。道内平衡的基本思想是将一道上振幅大能量强的波乘以一个较小的权值，而给振幅小能量弱的波乘以一个较大的权值。权值的大小由计算机根据浅层到深层各个波的平均能量计算确定。,2.道间平衡 道间平衡也是一种振幅均衡处理，它是平衡剖面上道与道之间的能量差异。道间能量相差太大，一方面使得剖面面貌难看，不便于显示；另一方面也不利于层位追踪解释。道间平衡的基本思想与道内平衡类似。它是将剖面上振幅大能量强的地震道乘以一个较小的权值，而给振幅小能量弱的地震道乘以一个较大的权值。权值的大小由计算机根据各道的平均能量计算确定。,炮间能量均衡前,炮间能量均衡后,单炮均衡前的叠加剖面,单炮均衡后的叠加剖面,常规水平叠加处理的基本流程,第 2 章 面 波 勘 探,第 1 节 概 述,一、面波勘探 面波勘探也称弹性波频率测深，是近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。,P波占7%、S波占26%、R波占67%，即R波的能量占全部激振能量的2/3。瑞雷波传播的速度约为同介质内横波速度的0.92倍。,瑞雷波传播时，其介质的质点振动图像是逆时针的椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍，在三维空间有同样的情形。,研究证明：瑞雷波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，波长与速度及频率有如下关系:,R=VR/fR,当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。一般认为：地表所测的面波速度看作是某一深度内（半个波长）的平均速度，因此瑞雷波法探测深度为半个波长。,瑞雷波与被测地层有关的主要特征：A、在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；,波的频散：瑞雷面波的传播速度随频率变化而改变。地表所测的面波速度看作是某一深度内的平均速度。,B、瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；C、瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。,瑞雷波法是利用上述运动学特征和动力性特征来进行工程地质探测的。,二、面波勘探原理 在地面上产生一瞬时冲击力，产生一定频率范围内的瑞雷波。,在一个波长深度范围内的地层中，弹性波以不同波速传播，而波速又取决于频率或波长，因此不同频率（或波长）的瑞雷波就在不同深度传播。,在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距x布置N+1个检波器，就可以检测到瑞雷波在N x长度范围内的波场，设瑞雷波的频率为fi，相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为 t或相位差为，则相邻道x长度内瑞雷波的传播速度为：,测量范围N x内平均波速为：,或,在同一测点测量出一系列频率fi的VRi值，就可以得到一条VRf曲线，即所谓的频散曲线或转换为VR-R曲线，R为波长:R=VR/f,计算不同频率信号在介质中的传播速度，得出面波频散曲线。频散曲线的变化规律与地下地质条件有着内在联系。通过对频散曲线进行解释，可获得地下某一深度范围内的面波速度和地质构造情况，进而对地基质量进行评价。,三、分类 根据激振震源的不同，又把面波勘探分为稳态法 瞬态法 无源法 它们测试原理相同，只是产生面波的震源不同。,稳态法：由稳态信号激振器激发出不同频率面波，形成频散曲线（速度频率或波长），激发方式可以是单边、双边或中点激发，并保持一定的偏移距。激发频率一般采用降频扫描方式。其频率范围和间隔的选择应根据勘探深度、精度和分辨率的要求确定。一般而言，勘探深度越大，扫描频率越低；精度要求越高，频点间隔越密。在土壤中测深100米，在岩层能达到200米。稳态法的优点在于具有较大的抗干扰力，高效的信号采集。,瞬态法：采用锤击或炸药震源激发瑞雷波，在地面按一定方式用检波器接收，通过频谱分析，计算出各频率波速，形成频散曲线，达到勘测的目的。在土壤中测深50米，在岩层能达到100米。瞬态法的优点在于轻便、高效。,广泛应用于：软土地基加固效果评价；加固地基承载力的检测；碎石桩、粉喷桩质量检测等方面。,四、应用,1.频率滤波：,第 2 节 瑞雷波勘探资料的处理,滤波后的波形：,原始波形：,2.相干分析：,或,3.利用下列公式计算出各种不同频率面波速度：,4.绘制瑞雷波频散曲线vRH：,面波法对地基进行分层及强度划分,第 3 节 应用实例,焦作冯营矿西副巷灰岩巷道，地质推断掘进前方有断层，具体位置不清。钻探因岩层硬度大，进尺慢、费用高，改用瞬态瑞雷波法探测。,曲线显示在8.16m、19.2m和36m有构造存在。掘进结果证明，8m和20m处为松散破碎带，36m处是一条断层。,第 3 章 探 地 雷 达,第 1 节 概 述一、探地雷达 探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）由发射部分和接收部分组成。发射部分产生高频脉冲电磁波，通过发射天线向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射，反射波被设置在某一固定位置的接收天线接收，根据接收到的电磁波的特征推断地下介质分布规律的探测方法。,二、应用 探地雷达是一种高分辨率探测技术，可以对浅层地质问题进行详细填图。在工程地质勘探、地质灾害调查和公路工程质量检测等领域得到广泛应用。目前探地雷达广泛应用于在公路、铁道、机场、建筑工程、水利工程、隧道工程等领域。,第 2 节 探地雷达的基本理论,一、电磁波在介质中的传播速度 当地下介质中的波速v为已知时，可根据测得的走时t，由下式求得目标体的深度z。,为真空中电磁波传播速度和相对介电常数。大多数非导电、非磁性介质来说，其电磁波传播速度主要取决于介质的介电常数。,1纳秒=0.00000 0001秒,由于探地雷达的电磁波在介质中传播其衰减的速度非常快，这构成雷达应用的主要障碍：探测深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：,其中 为介质的吸收系数，它与介质的电性和频率有关，根据计算可以写为,二、吸收系数,探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为主，即，这时 的近似值为,即 与导电率成正比，与磁导率和介电常数比值的平方根成正比。,趋肤深度：电流值下降至表面最大电流值的1/e(36.8%)时距表面层的距离。,三、剖面法与多次覆盖观测（1）剖面法 剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。,（2）多次覆盖 应用不同天线距的发射接收天线在同一测线上进行重复测量然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,第 3 节 探地雷达的技术参数1.分辨率 分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。,2.天线的选择,在选择无载波探地雷达天线的中心频率时，要兼顾其最大探测深度和最小分辨率，同时还要考虑天线的尺寸是否符合测试地点的需要。,3.时窗选择 脉冲探地雷达采样时窗是指从第一个资料开始至采集最后一个资料期间的时间长度。时窗长度的选择主要取决于所要求探地雷达的最大探测深度d(单位m)和探地雷达天线发射的电磁场在地下媒质中的传播速度v(单位m/nS)。,4.采样间隔(率)选择 采样间隔是用记录目标反射波时探地雷达采样率的倒数来衡量的，采样率越高，采样间隔越短。采样率受采样定律的制约，即采样率至少应达到反射波信号中最高频率的2倍。,5.测点点距选择,6.天线间距选择,第 4 节 探地雷达的数据处理1.数字滤波,如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,1）低通滤波,如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,2）高通滤波,如果噪音的频谱分布既有低频成分又有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,3）带通滤波,2.雷达资料的偏移处理,偏移处理的概念：把水平叠加剖面上偏移了的反射层进行反偏移，归位到地层的真实位置上。,偏移的产生：水平叠加时间剖面相当于自激自收剖面，界面的反射波视为共中心点的正下方。对于水平反射界面，这是正确的；但当界面倾斜时，界面的反射波并不是位于共中心点的正下方。反射波界面与真实地层在长度、倾角、位置方面均不一致。,当构造比较复杂时，偏移现象很严重，水平叠加时间剖面上由于视界面位置不正确甚至会产生能量汇聚、空白或干涉等现象。,能量汇聚现象,能量空白现象,当构造比较复杂时，偏移现象很严重，水平叠加时间剖面上由于视界面位置不正确甚至会产生能量汇聚、空白或干涉等现象。,叠后偏移方法：,可能的反射点,偏移归位示意图,水平叠加剖面上M1点的反射波可能来自以M1为圆心，vt/2为半径的半圆上。同理，M2、M3接收到同一反射界面的波分别位于各自的半圆上，故这些半圆的公切线就是此反射界面。,3.雷达图像的增强处理,1）振幅恢复,2）道内均衡,第 5 节 地质雷达资料解释,探地雷达图像剖面是探地雷达资料地质解释的基础图件，只要地下介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中找到相应的反射波与之对应。一般在无构造区，同一波组往往有一组光滑平行的同相轴与之对应，这一特性称为反射波组的同相性。,在无构造区，时间剖面上主要表现如下特征：,1）雷达反射波同相轴发生明显错动2）雷达反射波同相轴局部缺失3）雷达反射波波形发生畸变4）雷达反射波频率发生变化,140,第 4 章 地微动技术,141,一、地微动：地球表面每时每刻都处在一种微小的振动状态。二、特点：1.振幅小，通常只有几微米，人体感觉不到，需通过专门的仪器进行观测分析。2.具有平稳的随机过程。,第 1 节 概 述,142,三、振源 自然因素和人文因素 自然因素：风、雨、海浪、潮汐、火山活动等。人文因素：工厂生产、交通运输、建筑施工等产生的振动。,143,四、分类：1.长周期地微动：T1.0s地脉动；2.短周期地微动：T1.0s常时微动。建筑工程中所研究的地微动周期在0.11.0s 范围内，振幅在3um以下，属于短周期的地微动。,144,五、应用 在建筑场地中观测到的地脉动信号可以看作是来自四面八方的微振源产生的各种类型的波传播到观测点后叠加而成。地脉动信号在传播过程中必然携带反映场地固有特征的一些信息，通过对地脉动信号的观测和分析，可以确定：,145,场地的卓越周期Ts 划分场地土类型确定场地类别估算地震动的峰值加速度Amax,146,观测系统,第 2 节 观测方法,147,观测方式：地面测量和地下测量,一般每个场地的地脉动测点不少于2个，加速度检波器应沿X、Y、Z三个方向进行布置。,原始记录：,148,一、周期频度法：日本学者金井田提出，可近似求出卓越周期、平均周期、最大周期。,第 3 节 数据处理分析方法,149,方法:取零线上每相邻两点时间差的二倍作为该处波形的周期，以周期为横坐标，以同一周期出现的频度为纵坐标，绘制周期频度曲线。,150,卓越周期Ts：周期频度曲线中对应频度最高的周期。最大周期Tmax：出现的最长周期。平均周期Tv：Tv=n/t。t:记录长度；n：t时间内的微动次数。,151,二、频域分析法,时间域内的地脉动信号,，频域内为,152,频谱图中最大峰值所对应的频率即为卓越频率，但频谱图中出现多峰时，在进行频谱分析时，需要进行相关分析，以便对场地卓越频率进行综合评价。,153,注意：在同一地点地脉动观测结果表明，白天测得的地脉动信号振幅较大，夜间测得的信号几乎没什么变化，比较稳定，因此测量地脉动一般选择在夜晚周围环境干扰比较小的情况下进行。,154,一、确定场地的卓越周期 知道了场地的卓越周期，为场地的抗震设防提供了依据，可避免建筑物的结构周期与场地的卓越周期一致或接近，以免地震时发生共振现象。,第 4 节 在工程地震中的应用,155,二、场地土类型划分,现行的有关规范，对场地土类型的划分，是以场地土层的剪切波速为划分标准的。场地的剪切波速与卓越周期有密切关系，一般来说，剪切波速越大，卓越周期就越小；相反地，剪切波速越小，卓越周期就越大。卓越周期反映了场地土层的软硬程度，可以用卓越周期来对场地地基情况进行评价。,156,利用卓越周期对场地土类型划分标准,157,三、确定场地类别,利用卓越周期确定场地类别,158,四、估算地震动的峰值加速度Amax,地震动的峰值加速度是抗震设防中的一个重要参数，目前有两种方法来计算峰值加速度：根据强震记录和进行场地地震反应分析。,但也可以用卓越周期来估算地震动峰值加速度：,I是对应于各超越概率下的烈度值，利用上式可估算不同超越概率下的地震动峰值加速度。,第 5 章 桩基低应变检测,一、桩基础依靠桩把作用在平台上的各种载荷传到地基的基础结构。,5.1 概 述,桩基础应用:软弱地基、特殊性土（自重湿陷性黄土、膨胀土等）地基、地基土质较差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求；水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。,163,1、按承载性状：摩擦型桩、端承型桩；2、按施工方法：打入桩；灌注桩（沉管灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、夯扩桩、复打桩、支盘桩、树根桩）、静压桩、螺旋桩、碎石桩、水泥土搅拌桩（深层搅拌桩、粉喷桩）等；3、按使用功能：受压桩、抗拔桩、锚桩等。,二、基桩分类,三、桩基工程常见的质量问题,1、沉管灌注桩：断裂、缩颈、断桩、离析；2、冲、钻孔灌注桩：断桩、离析、塌孔、缩颈、夹泥、沉渣过厚；3、混凝土预制桩：桩身开裂、桩头打碎、挤折断、破裂。,四、桩基检测 现行的规范建筑桩基技术规范（JGJ94-2019）规定桩基施工完毕后要进行质量验收(包括桩身完整性和承载力)，桩基检测是保证桩基质量的重要手段。,五、检测方法 静载试验法（单桩竖向抗压、抗拔、水平）、钻芯法、低应变法、高应变法、超声波透射法。其中：低应变法、高应变法、超声波透射法、钻芯法用来检测桩身完整性；静载试验法、高应变法用来检测承载力。,第 2 节 基本理论,一、应力波和波阻抗,1.应力波：当介质的某个地方突然受到一种扰动，这种扰动产生的变形会沿着介质由近及远传播开去，这种扰动传播的现象称为应力波。2.波阻抗：密度；C：应力波速；A：桩横截面积。一维直杆：dL的杆件,二、低应变(反射波法)检测原理,低应变检测时，桩身应变量一般小于0.01%。反射波法通过在当桩头受锤击时，会产生脉冲应力波，该应力波沿桩身向下传播（入射波）。在应力波向下传播的过程中，如遇波阻抗（Z=CA）变化处时，会产生反射波，入射波和反射波的信息可同时通过检波器和接收系统接收并记录，运用波动理论分析，可对被测桩的桩身完整性进行评价。,三、基桩动测中的波动理论介绍,1、波动方程,取一不包含端点的小段（x,x+dx）,并设杆的横截面积为s，密度为，杨氏模量E。,该小段在t时刻的伸长量：,相对伸长量：,HOOK 定律:,上式两边对x微分：,由牛顿第二定律:,即为一维波动方程（抛物线型）。,二维波动方程:,三维波动方程:,泛定方程。,(1)初始条件：用来说明某一具体物理现象初始状态的条件。,2、定解条件：,系统各点的初位移 系统各点的初速度,(2)边界条件：用来说明某一具体物理现象边界上的约束情况的条件。,第一类边界条件（固定端）：如两端固定的振动为,第二类边界条件（自由端）：x=a 端既不固定，又不受位移方向力的作用。,第三类边界条件（弹性支承端）：在x=a端受到的弹簧支承。,或,四、分离变量法求解,分离变量法是将一个偏微分方程分解为两个或多个只含一个变量的常微分方程。首先求出常微分方程且满足边界条件的特解，然后由叠加原理作出方程解的组合，最后由其余的（初始）定解条件确定叠加系数。,频谱分析：数学基础是傅立叶变换,反射系数：,Z1和Z2分别为反射面上和下部的波阻抗，低应变反射波法检测对缺陷或桩反射信号进行分析判断的重要依据，由该式可以得出如下结论:,六、波的反射和透射,1)当z1z2,桩身存在缩颈、断裂、混凝土离析、夹泥或摩擦桩桩底等阻抗相对减小时，缺陷部位的反射与初始入射波同相;2)当z1z2,桩身存在扩颈或嵌岩桩桩底等阻抗相对增大时，其反射波与初始入射波反相:3)当z1=z2,桩身无缺陷或存在阻抗匹配时，无反射波信号。,1.应力波在自由端完整桩中的传播,桩在自由端,2.应力波在固定端完整桩中的传播,桩嵌岩,3.应力波在波阻抗减小桩中的传播,桩截面减小,4.应力波在波阻抗增大桩中的传播,桩截面增大并嵌岩,应力波在波阻抗增大桩中的传播,桩扩径,桩缩径,整桩平均波速C：扩径位置L1：扩径范围（L2L1）：,桩底截面发生变化夹泥离析混凝土质量变化土层变化,七、引起反射波的原因,1.低应变所能检测到的现象,2.低应变不能检测到的现象,八、低应变检测的优缺点,快速检测方法（50-200根/日）准备简便操作简单经验丰富,1.优点,2.缺点或局限性,不能提供单桩承载力对小缺陷灵敏度不高无法检测桩底沉渣,第 3 节 检测系统,一、传感器二、采集仪器三、软件简介,一、传感器 能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。,速度传感器将桩顶的速度信号转化为电信号，而加速度传感器则将桩顶的加速度信号转化为电信号。这两种传感器均须固定在桩顶被测点上，跟随该点一同振动，因而均为惯性式传感器。,在使用传感器时，传感器的频响特性是相当重要的技术指标。,第 4 节 现场测试技术,一、检测流程二、影响测试的因素,一、检测流程,第1步 桩头处理第2步 仪器连接第3步 传感器安装第4步 程序设置第5步 手锤锤击第6步 信号采集第7步 信号分析,1 桩头处理,凿掉浮浆打磨平整桩头干净干燥,2 仪器连接,交流电源接线,3 传感器安装,传感器放置距桩心2/3 3/4R处且安装位置要求平整尽可能使传感器垂直与桩头平面,传感器耦合,黄油耦合橡皮泥耦合口香糖耦合,使传感器与桩头粘合在一起，要求越紧越好,4 程序设置,在开始检测之前必须根据不同桩的情况对程序进行设置，功能及程序中出现的参数请仔细阅读软件操作说明书。,5 手锤锤击,手锤垂直与桩面，锤击点平整，锤击干脆，形成单扰动,现场采集注意事项,桩头的处理平整传感器安装紧密采集完数据存盘,7 信号分析,（1）滤波分析：高通，低通，带通（2）指数放大：,（3）频谱分析：数学基础是傅立叶变换,二、影响测试的因素,现场干扰传感器安装桩周土,现场干扰,现场有重型机械在施工回产生振动干扰解决方案：建议在检测采样时停止现场电压不稳造成干扰解决方案：建议仪器用电池供电或将 仪器接地,传感器安装影响,解决方案：调整传感器安装使其紧粘桩头,桩侧土影响,桩在空气中,桩在空气中,桩在土中,桩在土中,桩侧土影响：,土层摩阻对桩底反射有衰减；土层变化对应力波有影响：硬土层变为软土层与缩颈信号相似软土层变为硬土层与扩颈信号相似。解决方案：1.利用指数放大2.了解土层参数（或地质资料）,1、完整桩：,第 5 节 工程实例,2、缩径类桩：,3、扩径类桩：,4、断裂桩：,5、嵌岩桩：,不同混凝土强度等级的反射波波速经验值：,注意：预制桩在空气中测得速度要比在土中测得的速度高。,6、质量评价：I类桩：桩身完好，桩底反射清晰，无不良缺陷反射;类桩：桩底反射明显，桩身不良缺陷反射轻微;类桩：桩底反射不明显，桩身不良缺陷反射明显;类桩：无桩底反射，桩身不良缺陷反射强烈，且有连续的多次反射。,第 6 章 高应变基桩检测,第 1 节 检测原理及分析方法,一、高应变法概念 用重锤冲击桩顶，使桩和土产生足够位移，充分激发桩周土阻力和桩端支承力，桩身两侧的力和加速度传感器接收相应波信号，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线来判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。,二、高应变法检测目的及范围1）检测单桩竖向抗压承载力，采用实测曲线拟合分析时，可以得到桩侧土阻力的分布和桩端土阻力；当冲击力足够大、充分发挥桩周土阻力时，可测得单桩竖向抗压极限承载力；2）检测桩身结构完整性，判断桩身质量及缺损位置。,三、高应变法与低应变法的区别1.高应变法与低应变法根本区别在于高应变法考虑了桩周土弹塑性响应而低应变法仅使桩周土完全处于弹性范围内。2.应变量：低应变小于10-4，高应变大于10-2。,四、基本理论 设桩为一维线弹性杆，测点下桩长为L，桩身横截有效面积为A，桩材弹性模量为E，桩材质量密度为，桩身内弹性波速为c（c2=E/），广义波阻抗为Z=Ac；其桩身应力应变关系可写为：,纵波波速C：应力波在桩身中的传播速度，高应变检测时混凝土桩的正常波速一般为30004000m/s。质点运动速度V：其质点的振动速度V取决于应力的大小和介质的特性。弹性杆中的应力波引起的质点运动速度与应变成正比。例：对于低碳钢，c=5120m/s，屈服限对应的变形约为1即=1000，则质点运动速度V=5.12m/s。,分析方法1）采用Case法2）实测曲线拟合法,1）case法,2）曲线拟合法,实测曲线拟合法采用了较复杂的桩土力学模型，选择实测力或速度或上行波作为边界条件进行拟合，拟合完成时计算曲线应与实测曲线基本吻合，桩侧土摩阻力应与地质资料基本相符，贯入度的计算值应与实测值基本吻合，从而获得桩的竖向承载力和桩身完整性。,第 2 节 检测系统,1 传感器2 采集仪器3 软件简介4 锤击设备,检测流程,第1步 桩头处理第2步 仪器连接第3步 传感器安装第4步 程序设置第5步 重锤锤击第6步 信号采集第7步 信号分析第8步 结果打印,第 3 节 现场测试技术,桩头处理,剔除桩顶浮浆桩顶设置桩垫桩顶设置钢板围箍,传感器安装,距桩顶1.5-2.0倍桩径应变计与加速度计中心在同一水平线上紧贴桩身表面应变计不能有变形,程序设置,在开始检测之前必须根据不同桩的情况对程序进行设置，功能及程序中出现的参数见操作说明书。,信号采集注意事项,重锤角架放置牢固桩头处理到位采