[发明专利]地面分析系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用表面波、尤其是雷利(Rayleigh)波特性的地面分析系统。

背景技术

在建筑物、隧道和坡面基础构筑时实施的地面分析中，在许多情况下业已使用地球物理分析法。在地球物理分析法中，弹性波分析法是已为人熟知的一种定量地获取地面土工技术性质的方法。代表性的弹性波分析法有业已熟知的折射波法和直射波法。采用折射波法，可广泛地获取地面的土工技术性质。采用直射波法，可局部地获取地面的土工技术性质。直射波法利用钻孔。这两种方法均利用P波和S波，称为体波，包含在震动源产生的弹性波动之中。也将P波称为压缩波，而将S波称为剪力波。根据地质状况正确使用这些波。

除了P波和S波外，表面波业已为大家熟知。大家还知道表面波伴随着一种扩散现象，并且具有这样一个特性，即传播速度视波长而定。

现将表面波的性质简述如下。当振动源法向地将振动施加给地面时，地面除出现P波和S波外，还出现表面波。P波和S波自振动源呈半球状传播。另一方面，表面波中的雷利波沿具有预定高度(由频率确定)的圆柱体的直径方向传播。换句话说，振动源产生的P波和S波均具有方向性。P波在振动源下方传播波能最大。S波45度传播波能最大。换句话说，P波和S波基本上不能水平方向传播。因此，只有表面波能将大幅度的振动施加给地面。

在下方传播的P波和S波的几何衰减系数均标为r¹(r表示距离)，而在地面附近传播的P波和S波的几何衰减系数标为r²。

地表面的表面波的几何衰减系数，则标为r^0.5。除了雷利波外，表面波还包括乐甫(Love)波、与P波相似的P-P模式波和板波。在本发明中，使用雷利波。

图1给出了雷利波、P波和S波波速之间的关系。这三种波速比视地面土壤的泊松比(Poisson’s ratio)而有所变化。S波的速度约等于雷利波的速度。图1中的纵坐标轴表示方程V/V_s＝V(ρ/G)^1/2中的值。参考符号V_s表示S波的速度，参考符号ρ表示土壤的密度，参考符号G表示刚性模量，参考符号V表示P波或雷利波的速度。

由于雷利波的速度接近于S波的速度，并且典型地表示土工技术值，因此可利用S波的速度与N值(标准触探试验值standard penetrationtest value)之间的相关方程或S波的速度与q_a值(容许承载能力allowable bearing capacity)之间的相关方程，分别估算S波和雷利波的土工技术值。

发明内容

在上述发现的基础上，本发明的目的是提供一种地面分析系统，利用表面波，特别是雷利波的频散性质，实施非破坏性、准确、快速和低成本的分析。

根据本发明的地面分析系统通过探测法向地振动地表面产生的表面波进行地面分析。根据本发明，地面分析系统包括：放置在地面的、相互间隔距离为L的第一加速度探测器和第二加速度探测器；含有接收第一和第二加速度探测器的探测信号的、产生第一和第二加速度时间序列信号的地震仪的测量仪表；以及接收第一和第二加速度时间序列信号的、根据预定的分析程序处理信号的信号处理器。信号处理器进行傅里叶(Fourier)变换，计算功率谱和交叉谱，并且利用计算得到的功率谱和交叉谱，计算传递函数H(f)。信号处理器还利用计算得到的传递函数，计算第一和第二加速度时间序列信号之间的相差Δθ(f)和时差Δt(f)。根据计算得的时差Δt(f)和距离L，信号处理器还可计算表面波的平均传播速度V_r(f)和深度D(f)。

附图说明

图1是一幅特性图，显示P波、S波、雷利波的速度与半无限弹性体的泊松比之间的关系；

图2是根据本发明的最佳实施例中地面分析系统的构型图；

图3A-3C是根据本发明的地面分析系统在多正弦测量情况下采用的正弦波、多正弦波和可变正弦波的波形实例图；

图4是流程图，说明根据本发明的地面分析系统采用的分析程序的运作；

图5是本发明的地面分析系统在阶跃测量中D与V_r频散关系曲线绘制方法的说明图；