岩土勘探论文提纲

论文题目：横向非均匀介质微动瑞利面波理论和方法研究

摘要：近年来,随着深埋长大隧道等山区工程的岩土勘察需求迅速增大,天然场源的地球物理探测方法,如大地电磁方法,以其具有的大勘探深度,适应山区复杂环境的优势,已成为重要的勘测手段。另一方面,早在上世纪,研究利用天然微动震源,或地脉动的探测方法就引起了地球物理学家和工程人员的兴趣。科学研究已揭示微动信号主要包含体波和面波。尤其是其宽频特性使之即可进行大尺度的全球物探,也可以进行浅地表的工程物探,有着广泛地应用空间。由于瑞利面波具有衰减慢、能量强的特征,且许多学者研究表明,微动信号具有瑞利面波占优的特征,微动瑞利面波探测方法理论和应用研究已成为主流研究和应用方向。然而,迄今为止,岩土工程中微动瑞利面波的研究和应用都是基于层状介质模型,且主要是利用面波的速度频散——运动学特性,难以满足岩土勘察中常见的横向非均匀性调查需求和适应复杂山区地形。此外,对于瑞利面波的动力学特性,粒子远动的椭圆极化率研究甚少。基于复杂山区岩土工程横向非均匀勘察方法的需求,本论文主要以数值模拟与场地实验相结合的方式,根据微动瑞利面波速度频散与椭圆极化率频散特性,研究了岩土工程中横向非均匀介质探测的理论方法和实际可行性,主要研究内容如下:（1）微动瑞利面波理论基础及分析方法。从速度频散和椭圆极化率频散的角度,对均匀模型及非均匀模型中瑞利面波的相关理论进行研究。对微动信号特点进行分析,针对性地研究了微动瑞利面波的滤波方法。（2）微动瑞利面波速度频散数值模拟研究。研究了瑞利面波传播方向对空间自相关方法提取速度频散特性的影响,分析了其对横向非均匀半空间介质属性的识别能力的影响。基于变化的瑞利面波叠加时间间隔以及瑞利面波的方向分布,研究了平稳和非平稳微动记录对空间自相关方法速度频散曲线的影响。（3）微动瑞利面波椭圆极化频散数值模拟研究。根据微动信号特点,基于均匀半空间模型和横向非均匀半空间模型,研究了主要的微动干扰波对瑞利面波椭圆极化率估计的影响,并对其进行误差分析。总结提出了微动瑞利面波椭圆极化率方法的数据处理思路和流程,应用数值模型检验了该处理流程的可行性和微动瑞利面波椭圆极化率方法对横向非均匀体的勘察效果。（4）微动瑞利面波椭圆极化率频散的工程应用研究。基于数值模拟研究的结论和方法设计了实验方案,选取西部山区一拟建设铁路隧道区段的采空区探测,在1.3公里长的测线中采集了132个测点的微动信号记录。对观测信号进行微动瑞利面波信号特征分析和方向统计分析,修改完善了微动信号提取瑞利面波的数据处理流程。提取该区段的瑞利面波椭圆极化频散剖面,并与已有的大地电磁方法得到的电阻率剖面进行了对比。同时对微动瑞利面波的叠加处理方法进行了探索研究。通过对上述内容的研究,本文主要取得以下研究成果:（1）以余弦相似理论为基础,推导了空间自相关方法的速度频散曲线计算方法,理论上证明单向波对空间自相关方法的适用性。基于瑞利面波椭圆极化率的计算公式,推导了干扰波与瑞利面波叠加对极化率产生影响的机制,表明叠加瑞利面波的水平分量相位差与垂直分量相位差是影响极化率频散曲线的根本原因。结合时频分析方法精确地判断微动瑞利面波的传播方向。（2）微动瑞利面波速度频散数值模拟研究表明:单向瑞利面波时得到的速度频散剖面能够清晰识别均匀半空间及非均匀半空间中的局部异常体,而多个不同方向瑞利面波叠加会影响判断的精确性;单独使瑞利面波接近空间平稳或者时间平稳特性不能使空间自相关速度频散曲线更加准确;只有当模拟数据中的瑞利面波同时趋于空间与时间平稳时,速度频散曲线会逐渐回归到理论值。但由于缺乏有效的计算资源,此次研究并未对此进行更深入的研究。（3）微动瑞利面波椭圆极化率频散数值模拟研究表明:不同传播方向瑞利面波、线性极化波、白噪声都对椭圆极化率的计算产生严重影响。椭圆极化波叠加引起的误差随着角度增加而增加,在垂直时达到最大。白噪声和线性极化波引起的误差几乎与振幅相对值成正比。此外,横向非均匀介质的瑞利面波椭圆极化率异常特征与瑞利面波的传播方向与测线方向之间的夹角有关。为此,提出了主要以极化滤波滤除线性极化波,方向滤波提取沿测线方向传播的单个高信噪比瑞利面波的微动数据处理流程。数值合成模型表明:提取的瑞利面波极化率剖面能够清晰地判别局部异常体的位置,证明了论文提出的微动瑞利面波椭圆极化率频散方法勘察横向非均匀体的可行性。（4）微动瑞利面波椭圆极化率频散现场实验研究表明:与已有的大地电磁勘探方法获得的电阻率剖面和先验资料对比,微动瑞利面波极化率剖面特征在煤矿采空区,基岩区均能有很好的吻合,验证了对山区的采空区等横向不均匀性勘察时,微动瑞利面波的椭圆极化率频散勘探方法与现行的大地电磁测电阻率的方法具有相似的可行性和灵活性。然而,由于瑞利面波椭圆极化率直接与岩土工程介质的力学参数泊松比直接相关,其可有效避免电阻率调查中的出现的多解性。研究还提出了对微动记录的多个瑞利面波椭圆极化率的叠加算法,以充分利用微动记录信息,压制干扰信号,提高瑞利面波椭圆极化率估计的可信性和分辨率。实测微动数据分析还表明:对于本文提出的方法,单点的观测记录时间越长,最后叠加的精度越可信,但现场的工作量和时间就越大,故实际点测时间应综合考虑勘察精度和现场工作量。对于本次实验观测周期为0.05到5 s的数据,每个测点10分钟的观测记录基本满足信息提取需求。

关键词：微动信号;瑞利面波;速度频散;椭圆极化率频散;数值模拟;横向非均匀介质

学科专业：防灾减灾工程及防护工程

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 瑞利面波方法的研究现状

1.2.2 近地表微动瑞利面波速度频散研究现状

1.2.3 近地表微动瑞利面波椭圆极化率频散研究现状

1.3 主要研究内容、技术路线及创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 创新点

第2章 瑞利面波的理论方法

2.1 波动方程理论基础

2.2 均匀半空间瑞利面波

2.2.1 瑞利面波方程

2.2.2 瑞利面波速度

2.2.3 瑞利面波的粒子运动轨迹

2.3 层状介质瑞利面波

2.3.1 瑞利面波的速度频散

2.3.2 瑞利面波的椭圆极化频散

2.4 弹性波场有限元数值模拟

2.4.1 虚功原理

2.4.2 弹性力学问题有限元法

2.4.3 瞬态分析

第3章 微动瑞利面波分析方法基础

3.1 微动信号与瑞利面波

3.2 速度频散分析

3.2.1 SPAC理论与方法

3.2.2 基于余弦相似性理论的SPAC方法

3.3 椭圆极化率频散分析

3.3.1 HVSR方法

3.3.2 单道记录微动信号瑞利面波提取方法

3.3.3 瑞利面波传播方向分析

3.3.4 时空相位差干扰分析

3.4 本章小结

第4章 微动瑞利面波速度频散数值模拟研究

4.1 数值模型

4.2 均匀半空间

4.2.1 单方向瑞利面波

4.2.2 多方向瑞利面波

4.2.3 多组瑞利面波叠加速度频散曲线影响分析

4.3 横向非均匀半空间

4.3.1 单方向瑞利面波

4.3.2 多方向瑞利面波

4.4 本章小结

第5章 微动瑞利面波椭圆极化率频散数值模拟研究

5.1 数值模型

5.2 均匀半空间

5.2.1 单方向瑞利面波

5.2.2 多方向瑞利面波

5.2.3 线性极化波

5.2.4 白噪声

5.3 横向非均匀半空间

5.3.1 单方向瑞利面波

5.3.2 多干扰因素与数据处理

5.4 本章小结

第6章 微动瑞利面波椭圆极化率方法工程应用研究

6.1 工作区域和数据采集

6.2 数据分析

6.2.1 时频分析

6.2.2 高信噪比事件分析

6.2.3 瑞利面波传播方向统计分析

6.3 数据处理和结果分析

6.4 椭圆极化率叠加方法研究

6.5 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献