1、面波现场采集技术 面波勘探的注意事项面波勘探的原理及用途面波勘探的现场测试方法面波勘探的数据处理面波勘探概论面波勘探，也称弹性波勘探，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞雷波（R波）和勒夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、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雷波勘探。瑞雷波法勘探实质上是根据瑞雷面波传播的频散特性，利用人工震源激发产生多种频率成分的瑞雷面波，寻找出波速随频率的变化关系，从而最终确定出地表岩土的瑞雷波速度随场点坐标的变化关系，以解决浅层工程地质和地基岩土的地震工程等问题。第一节-面波勘探概论面波勘探的定义(1)瑞雷波在层状介
2、质中传播的频散特性在层状介质条件下,瑞雷波在介质中的传播速度是频率的函数,即瑞雷波速度随激发频率的变化而变化。该特性是瑞雷波勘探的理论基础,由于瑞雷波法不仅利用了波的运动学特征,更重要的是利用了波的动力学特征,而常规地震折射波法和反射波法主要利用波的运动学特征,且要求各层的波速或波阻抗有较大差异,因此瑞雷波对介质反映更细微。(2)瑞雷波的穿透深度与波长的关系瑞雷波水平振幅和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数衰减,主要能量集中在一个波长范围内。因此,可以认为瑞雷波的穿透深度为1个波长。第一节-面波勘探概论瑞雷波的特性(3)瑞雷波比体波衰减慢的多,离开震源一段距离,面波的能量将强于体波。这为我们
3、在数据处理中提取面波的有用信息提供了方便。(4)瑞雷波速度与横波速度的相关性，瑞雷波速度Vr与横波速度Vs近似相等,它们之间有一定的差异,差异的大小与地层的泊松比L有关,泊松比L越大,差异越小。(5)面波勘探与地层速度的关系，折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度,反射波要求各层介质间存在波阻抗差异,而面波勘探不受上述物性条件制约,仅要求各层介质间存在横波速度差异,由于横波速度主要与介质密度或介质的松散与密实程度有关,因此在地层划分方面有较好的分辨能力,较适合于软岩及密实度差异较大的第四系地层地区的勘探。第一节-面波勘探概论瑞雷波的特性均匀介质或分层介质在点或面振源作用下，表面波场包含P、SV波
4、及瑞利波，由于在表面P、SV波衰减快于瑞利波，当距振源一定距离表面波场以瑞利波为主。在大多数情况下，瑞利波能量集中在一个波长深度范围内，频率越低，波长越大，影响深度越深。在剖面参数（剪切波速、密度、泊松比）不同分层状态下，随着波长的增加，瑞利波穿越的层数也增加，瑞利波传播速度发生变化，瑞利波传播出现频散现象，即瑞利波传播速度随频率（或波长）的变化。第二节-面波勘探的原理及用途面波勘探的原理如图所示，频散曲线的变化与分层参数、分层厚度等有关，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。第二节-面波勘探的原理及用途面波勘探的原理（1）地层划分：通过对瑞雷波频散曲线进行定性及定理解释，得到各地层
5、的厚度及弹性波的传播速度。（2）地基加固处理效果评价：通过实测地基加固前后的波速差异得到处理后的地基较处理前的物理力学性质的改善程（3）岩土的物理力学参数原位测试：通过对实测资料的反演解释，可以得到岩、土层的S波速度、P波速度及密度等参数。（4）公路、机场跑道质量无损检测：利用人工激发的高频瑞雷波，可以确定路面的抗折、抗压强度及路基的载荷能力，以及各结构层厚度。该方法用于机场跑道及高等公路的另一项意义是实现质量随年代变化的连续监控。第二节-面波勘探的原理及用途面波勘探的用途（5）地下空洞及掩埋物的探测：当瑞雷波的勘探深度与地下空洞及掩埋物的深度相当时，频散曲线会出现异常跳跃，据此可以确定其埋深
6、及范围，这是瑞雷波勘探的独特优点之一。（6）饱和砂土层的液化判别：根据一定场地内的饱和砂土层的埋深，地下水位的深浅等地质条件，可以计算出饱和砂土层的液化临界波速值。（7）场地类型划分：通过面积性的瑞雷波探测，再结合微动观测，可以更可靠地划分场地类型，或更大范围的地震区划。（8）其它方面的应用：滑坡调查、堤坝危险性预测、基岩的完整性评价和桩基入土深度探测等。第二节-面波勘探的原理及用途面波勘探的用途1、在岩土工程测试中，一般采用速度型传感器。2、检波器的自然频率应满足采集最大面波周期(相应于勘察深度)的需 要，岩土工程勘察宜用自然频率不大于4.0Hz的低频检波器；3 用作面波勘察，同一排列的检波
7、器之间的自然频率差不应大于0.1Hz，灵敏度和阻尼系数差别不应大于10%；4 检波器按竖直方向安插，应与地面（或被测介质表面）接触紧密。第三节-面波勘探的现场测试方法传感器 锤击可采用手锤，落锤、落重以及小型爆炸的方法，具体视勘探深度而定，一般可使用10kg100kg 的落锤，若测量深度为30m以内，30kg落锤一般可以满足要求，落锤下面可采用，金属垫块、木质垫块等。015m可采用锤击，更大深度就需采用炸药。第三节-面波勘探的现场测试方法锤击设备采用的是Y-LINK公司生产的YL-SWS面波测试仪，是岩联技术最新研制的工程物探设备，具有通道任意扩展、双屏操控，同时支持无线、有线两种工作模式等特
8、点。主要用于查明地下地质构造，划分覆盖层及进行岩性分层，地质体卓越振动周期检测，波速测试等，探测滑坡体的滑动带和滑动面起伏形态，探测构造破碎带。第三节-面波勘探的现场测试方法测试仪器检测单位：正确输入检测单位。第四节-面波勘探的数据处理JGJ/T143-2004多道瞬态面波勘察技术规程调高。层时建议选择不归一化。采样端仪器IP：在此正确输入主机的IP地址。第一节-面波勘探概论采样完成后点击保存文件，选择保存途径，如图所示，波形即能保存。第一节-面波勘探概论(1)瑞雷波在层状介质中传播的频散特性在层状介质条件下,瑞雷波在介质中的传播速度是频率的函数,即瑞雷波速度随激发频率的变化而变化。更多注意事
9、项及规范操作见道间距：相邻两个检波器之间的距离，其值应不大于所研究最小地层的厚度。激振垫板：板子越硬（不会发生塑性变形）、越轻越好。自动拟合则可以对选定的单独一层或全部模型参数作自动优化。第一节-面波勘探概论 第三节-面波勘探的现场测试方法测试现场布置 第三节-面波勘探的现场测试方法检波器排列布置1、采用线性等道间距排列方式，震源在检波器排列以外延长线上激发；2、道间距应小于最小勘探深度所需波长的二分之一；3、检波器排列长度应大于预期面波最大波长的一半（相应最大探测深度）；4、偏移距的大小，需根据任务要求通过现场试验确定。第三节-面波勘探的现场测试方法通讯连接连接好主机、触发器以及检波器后打开
10、软件，即可自动检测到主机，如图所示。绿灯显示即表示主机通讯正常，如显示为红灯，则表示主机通讯中断。如果主机后于电脑（平板电脑）开机，会显示红灯，当电脑（平板电脑）启动后，可以通过点击仪器信息来重新连接仪器。第三节-面波勘探的现场测试方法系统设置采样端仪器IP：在此正确输入主机的IP地址。波形显示模式：有递增显示和递减显示两种显示模式。归一化模式：有全通道归一化、各通道单独归一化、不归一化三种模式可选。各通道单独归一化指每个通道在保证不削波的情况下，读取各自最大的波幅值；全通道归一化指在保证不削波的情况下，仪器自动选取最合适的波幅值，所有通道都做归一化处理；不归一化指的是直接用仪器采集到的最大值
11、，不做归一化处理，若测试点有坚硬覆盖 层时建议选择不归一化。填充模式：选择后会单边填充波形，使波形更好看，振幅变化更明显。第三节-面波勘探的现场测试方法工程设置工程参数工程名：新建一个工程，输入该工程名。目前只支持英文输入操作人员：正确输入操作人员的姓名。检测单位：正确输入检测单位。第三节-面波勘探的现场测试方法工程设置工区参数震源位置：可自行定义震源的位置坐标，单点测试时建议设为0。传感器偏移距：震源到第一个检波器之间的距离。偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于R波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前
12、的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距1040m即可获得较好的测试结果。偏移距的大小需根据任务要求通过现场试验确定。传感器间距：指相邻检波器之间的距离。应小于最小勘探深度所需波长的1/2，随着勘探深度的增大，即增大，x的距离也相应的增大。小道距、小偏移距要求高频激振；大道距、大偏移距要求低频激振，其原理与低应变完整性检测非常相似：桩体浅部完整性检测用高频激振；桩体深部完整性检测采用低频激振。激振频率与激振锤重量、与土体的接触面积以及接触面刚度有关，锤重越大,接触面越大,接触面刚度越小,激振频率越低。接触面刚度可以通过锤垫来改变，采用胶木、橡皮垫可降低激振频率，而钢块垫可提高激振频率。触发模式
13、：有外触发和内触发两种模式可供选择。只有在计量的时候使 用内触发模式，其他情况一般都使用外触发模式。触发等级：较难触发时将触发等级值调低，轻易就触发时将触发等级值 调高。采样频率：相邻两次采样间的间隔。建议设置为13之间，单位为KHz。要求的分辨率高，则频率间隔应小些，反之，可大一些。采样点数：指采集的点个数，建议设置为20008000之间。合理设置采样 频率和采样点数，保证最后一道检波器能检测到完整的波形。延时时间：设置合理的延时时间，保证检波器均能接收到完整的波形。第三节-面波勘探的现场测试方法工程设置-采样参数第三节-面波勘探的现场测试方法传感器通道选择在传感器设置界面，可对24个通道进
14、行选择性的勾选。勾选自动增益时，采集界面多采集几次仪器自动调整各通道增益，使波形显示效果最佳，此设置不影响波形本身幅值大小 第三节-面波勘探的现场测试方法检测传感器设置好仪器的一些采样参数后，在主界面的右下方会显示通道数、触发类型、触发等级、采样长度、采样间隔、延时时间等采样基本信息。在主界面的中下方显示主机的电量、设备版本号以及固件版本号等节本信息。第三节-面波勘探的现场测试方法 信息显示第三节-面波勘探的现场测试方法数据采集 采用单端放炮的激振方式，采用锤击或者落锤等，在测线一端激发信号，在仪器上即可观察到采集到的波形。点击开始采样，仪器即开始自动采样并有依次出现等待触发、读取数据、保存数
15、据的界面，待数据保存之后，界面即出现采集到的波形。第三节-面波勘探的现场测试方法数据采集第三节-面波勘探的现场测试方法数据保存采样完成后点击保存文件，选择保存途径，如图所示，波形即能保存。距离频率域叠加距离频率域叠加深度速度域反演深度速度域反演频率波数域提取频率波数域提取时距域原始数据时距域原始数据整个面波数据处理在四个区别不同数据域的处理页面上逐步进行，每个处理页面都具备窗口显示和多页的操作控制。页面按处理顺序排列，共分：X-T 时距域、F-K 频率波数域、X-F 距离频率域、Z-V 深度速度域等四个处理页面。第四节-面波勘探的数据处理数据处理记录头参数编辑显示与检查时域窗函数提取面波FFT
16、FK变换建立频率波数谱图极大值拾取频散计算初步分层建立模型正演拟合速度结构层建立存储SWS文件SWS文件的处理解释面波数据输入绘图选择叠加方法第四节-面波勘探的数据处理X-T Source 时距域点击【load X-F File】载入原始数据，然后主要是以下3步操作，第一步，核定采集距离参数、第二步，识别与清理干扰波、第三步，设定频率波数转换的频段上限，然后转入频率波数域页面，进行面波波型提取。第四节-面波勘探的数据处理F-K Extract频率波数域 在显示出的频率波谱图形上，人工选择、追踪相应于提取波型的基阶（低速低频率）组分，白色阴影圈出的频率波数范围连续稳定，包含基阶组分，其中的白点显
17、示出幅度峰脊，对应着不同的频率的基阶面波频率相速度。这一界面处理主要是观察叠加数据，选择叠加方式和叠加道数，选定的叠加结果组成频散数据文件（ZVFZVF格式），可以以可以以ZVF 格式或文本格式存盘，也可以直接转入Z-V Inversion 深度速度域反演页面作数值反演。第四节-面波勘探的数据处理X-F Stack 距离频率域 反演根据的频散数据来自ZVF 格式文件，可以直接由磁盘文件载入，也可以由X-F Stack 距离频率域叠加页面转来。如果文件中没有反演模型参数，则必须从设定初始模型开始，否则可以直接进行拟合。模型参数包括层数，该层厚度以及剪切波速，初始模型的设定由人工在频散数据的显示图
18、形上用光标自上而下逐层选择确定。改进拟合度可以选择人工或者自动两种方式，人工拟合可以调试厚度和波速，同时立即显示的模型正演频散数据和拟合度，插入和删除选定的层。自动拟合则可以对选定的单独一层或全部模型参数作自动优化。第四节-面波勘探的数据处理Z-V Inversion 深度速度域第四节-面波勘探的数据处理模型设定进入model，点击new，新建一个模型，然后设定地层，检查离合度后，模型转入拟合，确认当前地层模型，进行人工或者自动拟合。第四节-面波勘探的数据处理Z-V Inversion 深度速度域拟合完成后，得到地下分层的情况，每层厚度以及等效剪切波速。道间距：相邻两个检波器之间的距离，其值应
19、不大于所研究最小地层的厚度。同时应在1/3波长到一个波长之间。采集道数：多道瞬态面波勘察技术规程（JGJ/T 143-2004）规定面波采集时宜用24道。排列长度：所有检波器的道间距之和，其值由道间距与采集道数决定。应大于预期面波最大波长的一半（相应最大勘探深度）。采集时，最好使排列长度长一些、如果排列短则高阶面波与基阶面波不易区分。面波在传播过程中会发生频散，越往深层频率越低，如果排列短的话，不宜采到深部的资料。偏移距：激振点到第一道检波器的距离。通常锤击的偏移距为510m，可测深1030m。偏移距的现场试验选择原则：1、近震源道不削波，基阶面波不向高阶面波发生偏移。如果发生大的偏移则需减小
20、偏移距。2、规避干扰源，善于借助处力。如波的前进方向（地面或地下）出现反射波干扰时，需要改变激振方向。第五节-面波勘探的注意事项注意事项通常锤击的偏移距为510m，可测深1030m。测试深度：在山坡测量时，测线或沿等高线布置，或沿斜坡方向布置，从山脚往上测，即在山脚敲击因为山脚沉积层厚，易产生低频波，山上部的沉积层薄，易产生高频波。应小于最小勘探深度所需波长的1/2，随着勘探深度的增大，即增大，x的距离也相应的增大。采用单端放炮的激振方式，采用锤击或者落锤等，在测线一端激发信号，在仪器上即可观察到采集到的波形。第三节-面波勘探的现场测试方法面波在传播过程中会发生频散，越往深层频率越低，如果排列
21、短的话，不宜采到深部的资料。第四节-面波勘探的数据处理第四节-面波勘探的数据处理操作人员：正确输入操作人员的姓名。（8）其它方面的应用：滑坡调查、堤坝危险性预测、基岩的完整性评价和桩基入土深度探测等。点击【load X-F File】载入原始数据，然后主要是以下3步操作，第一步，核定采集距离参数、第二步，识别与清理干扰波、第三步，设定频率波数转换的频段上限，然后转入频率波数域页面，进行面波波型提取。采样点数：指采集的点个数，建议设置为20008000之间。：大锤激振时，用锤击开关进行触发。偏移距：激振点到第一道检波器的距离。要求的分辨率高，则频率间隔应小些，反之，可大一些。接触面刚度可以通过锤
22、垫来改变，采用胶木、橡皮垫可降低激振频率，而钢块垫可提高激振频率。测试得到的深度是法线深度。采样点数：记录波旅行过程中所用的点数。通常选择1024点。采样间隔：也叫采样率，就是记录每个样点的时间间隔。通常选择。一般来讲，4个样点可以描述一个波形，最少也可用2个点，点数越多描述的波形越可靠。记录长度：记录波的旅行时间，由采样点数与采样间隔的乘积决定。单纯从面波记录的面貌来讲，记录长度应满足最后一道基阶面波到达的时刻在整个记录长度的1/2偏上部位。滤波：面波采集时不用滤波。因为滤波会损失面波携带的有用信息，同时滤波会产生一定的相移。叠加：面波采集时不用叠加。因为面波测深也叫频率测深，利用的面波的频
23、散特性，叠加采集是为了增加能量，提高信噪比，对频率并没有改变；再则叠加采集时不能保证每次激发的频率都一样。第五节-面波勘探的注意事项注意事项 检波器频率的选择：V=1/T=f(面波勘察中H=/2=2H)所以，V=2Hff=V/2H（根据介质的速度与所要测试的深度可确定频率）土层的速度一般为100350500，所以面波测试用4Hz的检波器（低频检波器可用在高频的需求上）激振垫板：板子越硬（不会发生塑性变形）、越轻越好。一般用1012mm厚，15cm见方的板子。锤击开关的连接：大锤激振时，用锤击开关进行触发。将锤击开关紧密地绑在锤把上，距锤头1cm左右，使粗糙面向上。测试深度：在山坡测量时，测线或
24、沿等高线布置，或沿斜坡方向布置，从山脚往上测，即在山脚敲击因为山脚沉积层厚，易产生低频波，山上部的沉积层薄，易产生高频波。测试得到的深度是法线深度。第五节-面波勘探的注意事项注意事项检波器频率的选择：V=/T=f(面波勘察中，H=/2=2H)所以，V=2Hff=V/2H（根据介质的速度与所要测试的深度可确定频率）土层的速度一般为100350500，所以面波测试用4Hz的检波器（低频检波器可用在高频的需求上）激振垫板：板子越硬（不会发生塑性变形）、越轻越好。一般用1012mm厚，15cm见方的板子。锤击开关的连接：大锤激振时，用锤击开关进行触发。将锤击开关紧密地绑在锤把上，距锤头1cm左右，使粗
25、糙面冲上。震源选择：1、震源方式可采用大锤激振、落重激振或炸药激振。选择震源需保证面波勘察所需的频率及足够的激振能量；2、震源方式的选择应根据勘察深度要求和现场环境确定，勘察深度015m，宜选择大锤激振；030m选择落重激振，050m以上选择炸药激振，在无法使用炸药的场地亦可采用加大落锤重量或提高落锤高度的办法加大勘察深度；3、激振条件的改善：勘察深度小时，震源应激发高频率波；勘察深度大时，震源应激发低频率波。同种震源方式，改变激振点条件和垫板亦可使激发频率改变。第五节-面波勘探的注意事项注意事项检波器频率的选择：V=/T=f(面波勘察中，H=/2=2H)所以，V=2Hff=V/2H（根据介质
26、的速度与所要测试的深度可确定频率）土层的速度一般为100350500，所以面波测试用4Hz的检波器（低频检波器可用在高频的需求上）激振垫板：板子越硬（不会发生塑性变形）、越轻越好。一般用1012mm厚，15cm见方的板子。锤击开关的连接：大锤激振时，用锤击开关进行触发。将锤击开关紧密地绑在锤把上，距锤头1cm左右，使粗糙面冲上。采集记录质量要求：1、记录长度足够长；2、初至波到达以前越干净越好，即没有干扰波；3、观察有无坏道。若出现坏道而又无备用检波器可替换时，要使坏道在记录的边道，要保证记录中间无坏道（因为面波采集是共炮点、等道距方式）第五节-面波勘探的注意事项采样质量要求 更多注意事项及规范操作见JGJ/T143-2004多道瞬态面波勘察技术规程第五节-面波勘探的注意事项
