尊龙凯时

某石灰岩岩溶园地P波和S波团结跨孔地动层析成像

现场下方为普遍的石灰岩基岩，先前的岩土工程开挖显示出升沉的岩头、溶蚀通道、大型窟窿系统和悬挑。石灰岩上笼罩着约13.5m厚的第四系冲积层，该区域险些抵达外貌饱和。在两个40m深、靠近笔直的钻孔之间，使用P波和水平极化S波对朴陋举行跨孔地动层析丈量，在外貌上距离20m。

测试要领：跨孔地动层析成像

跨孔地动层析成像，通常是在两个或多个钻孔之间，使用水平和亚笔直地动波射线路径的走时，在2D或3D结构中，对详细结组成像，能够提供高空间区分率的P波和S波地动波速图像，主要用来描绘地质结构。

测试要领：P波与S波的区别

P波比S波更容易天生和纪录，P波层析成像丈量通常更容易举行，例如使用火花震源和水听器串，不需要对震源或吸收器举行直接耦合或瞄准，P波走时拾取通常比S波走时拾取更容易、更准确。因此，P波地动层析成像现在为举行孔间高区分率地质结构勘探的标准要领。

相对而言，S波层析成像丈量更重大一些，美领土壤测试质料委员会（ASTM D44282000）针对井间S波地动测试提出的建议是在每个吸收器位置使用三分量检波器，并确保震源和吸收器与井壁的优异耦合。别的，水平极化S波震源的偏向是爆发一致S波的一个主要参数。为了更好地确定横波走时，建议反转横波震源的引发偏向，从而改变横波抵达的极性。由于这些缘故原由，很少举行S波跨孔地动层析成像。

只管保存这些挑战，S波层析成像丈量与古板P波层析成像丈量相比具有许多潜在优势，例如，由于S波速率较低，波长较短，近地表测绘区分率较高，且不受地下水影响。别的，地动纵波和横波层析数据的团结收罗息争释使得能够盘算弹性模量参数，对土壤或岩石参数对地下举行更详细的形貌。

图3 S波跨孔层析成像系统部分优势（短波长≈高区分率，不受地下水位影响）

测试装备：GeotomographieP波+S波跨孔地动层析成像系统

本次高区分率P波层析丈量和S波层析丈量，震源移动步距为1m，P波和S波吸收阵列上的吸收器？榧渚辔1m，震源引发在吸收阵列平行规模内自下而上举行，以确保相邻吸收器排列之间的高度重叠和井间质料的麋集采样。为了天生和纪录P波地动信号，使用了SBS42孔中火花震源和BHC5型24通道水听器链。P波信号采样频率为32 kHz。横波信号由水平极化的BIH-SH型S波震源爆发，并由MBAS-D型多站三分量检波器链阵列纪录，采样频率为16kHz；鸹ㄆ骱退郊疭波源均由5kV的IPG5000脉冲爆发器供电。

图4 Geotomographie公司在本项目中所使用的装备

IPG5000脉冲爆发器爆发的高能电脉冲能通过电缆传输至孔中震源。关于P波源，火花通过电极放电，水蒸发，迅速膨胀和坍缩，主要爆发地动纵波。关于水平极化的S波源，许多电磁线圈安排在铜板周围。当电流流动时，铜板和线圈相互倾轧，导致铜板撞击井壁侧面。这种侧向机械攻击主要爆发水平极化的S波。S波震源通过气囊与井壁气动耦合，S波震源和吸收器通过旋转硬软管与地面临齐。四到八次的信号叠加确保了高信噪比，只管在都会情形中运行，交通、修建和电气噪声都很强烈。

某石灰岩岩溶园地测试效果剖析

测试效果：速率剖面

纵波和横波断面图如图所示，断面图侧面显示了BH1和BH2的钻孔纪录。两个断面图显示了三个区域，这三个区域也在钻孔日志中视察到。上部15m以饱和冲积层的低P波速率（~1500m/s）为特征。在岩溶石灰岩最先的冲积层下方，基岩界线处的波速率和横波速率似乎急剧增添（波速率：5800m/S，横波速率：2750m/S）。

在约莫12至19m的海拔高度之间，在BH2周围视察到一个大型低速带（纵波：2700至3600m/s；横波：1000至2000m/s），该低速带险些横向延伸至BH1。如BH2钻孔纪录所示，该区域可能是一个较大的、部分填充的空腔（见图5）。在此低速区下方，纵波的速率从5000m/s增添到6500 m/s，横波的速率从2300m/s增添到3800 m/s。

然而，两张断层照片都批注石灰岩不是均质的，在这些深度也可能保存一些较小的朴陋或非均质（规模为3至6m）。特殊是，S波断面图显示出比P波断面图更多的不匀称性，S波速率在2000到3800m/s之间，P波速率仅在5000到6500m/S之间。相对而言，从最小到最大横波速率的规模因此增添了90%，而纵波速率仅增添了30%。

在层析丈量之后，钻取了另外两个钻孔BH3和BH4，以验证效果，BH3确认了层析图中诠释的朴陋的保存。P波和S波层析成像与钻孔测井之间的优异相关性进一步为尊龙凯时诠释提供了更多的信心。

测试效果：纵横波速比、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量

一旦确定了纵波和横波速率，并且断面图中保存可靠性，现在就可以盘算钻孔之间二维平面上的弹性模量。这些模量，即纵横波速率比、泊松比、体积模量和杨氏模量，如图6所示。别的，剪切模量通过使用横波速率和预计密度值确定，如图7所示。为了预计密度，我们对Paasche等人接纳了类似的要领，纵然用 S波速率的k均值聚类将断面图划分为三个差别的区域（图7（a））。这些区域（图7（b））被诠释为由：

1. 密度为1500kg/m³的冲积层组成；

2. 密度为1900kg/m³的中度风化石灰岩；

3. 密度为2500kg/m³的完整石灰岩。

体积模量的规模从不切现实的负值到约莫100 GPa。体积模量的结构与P波漫衍相似。另一方面，杨氏模量和剪切模量类似于横波速率漫衍，大大都区域的杨氏模量规模为10-100GPa，剪切模量规模大多为5-50GPa。

弹性参数是纵波和横波速率的加权组合，因此可用于地质结构的诠释。因此，弹性参数被用来确定低速区的巨细，低速区被诠释为空腔。凭证弹性参数界面，空腔的尺寸约为16.5至19 m长，6至7 m高。诠释的空腔形状的转变可能批注其尺寸和位置的不确定性。通过将诠释的朴陋与BH3的钻孔测井举行较量，可以清晰地看出，P波层析成像和体积模量的相关性优于S波层析成像及其导出的弹性剪切模量。只管云云，当BH3与空腔相交时，Vp/Vs比和类似的泊松比显示出较高的可变性。

P波和S波团结跨孔地动层析成像优点及应用远景

相关于古板的P波跨孔层析成像要领，P+S波团结地动跨孔层析系统，除提高了速率剖面的区分率和可靠性外，可进一步提供纵横波速比、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量等土动力学参数，增强地质诠释，这些在团结诠释中是很有用的，尤其是小应变剪切模量是大型修建工程的主要弹性参数。

弹性参数也可用于确定未来隧道的地动易损性，由于Wang和Munfakh（2001）批注地动恢复力取决于周围质料的刚度。另一个利益是，弹性参数可以改善隧道掘进机（TBM）穿透率的展望。若是在更大规模内或有问题的情形中网络弹性参数，这些参数可能在建设项目的经济和时间妄想中施展主要作用，由于Ghasemi等人（2014）批注，可以使用抗压强度、岩石脆性，岩体中薄弱面和不一连面偏向之间的距离。因此，弹性参数可能有助于TBM穿透率的建模。

参考文献：

Julius K. von Ketelhodt, et al. Elastic Parameters from Compressional and Shear Wave Tomographic Survey: A Case Study from Kuala Lumpur, Malaysia[J]. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 2017, 22(4):427-434.