ИМД 75-80/Стройизыскания
Рекомендации по определению скоростей распространения поперечных волн по данным регистрации поверхностных волн типа Релея и Лава

ГОССТРОЙ РС4СР РООШВНИИСТРОЙПРОШ Производственное объединение "Стоойиэыокания"

РЕКОМЕНДАЦИИ

по определению скорооте» раопроотранения поперечных волн по данным регистрации по-верхноотных волн типа Релея а Лява

ИМИ 75 - 80 Стройизыоканжя

Утверждены ПО "Стройизыокаяия"

ГОССТРОЙ РСФСР РОСГЛАБНИИСТРОЙПРОЕКТ Производственное объединение "Стпойизыскяняя'

РЕКОМЕНДАЦИИ

по определению окорооте# раопроогранения поперечных волн по данным регистрации поверхностных волн типа Релея и Лява

ИВД 75 - 60 Стровявыояавхя

Утверждены ПО "Стройнэнснания"

вазы иабпшодений гармоник поверхностных(релеевских) волн

- по отстаю У-У, щш атом и вменение направлении удара на противоположное на овйомогражаи вывивает обращение фае по-верхноотных воли. Это является надв*ины врненахом корреля-пси воли Диви.

Сейсмжчеокая аппаратура и оборудование два ре потрещи поверивоотвшс всдн

1.9. Ли регистрации повериноотннх волн при изучении не скальных грунтов могут быть тсподьвоваян многоканальные оеВомораавадочнма станции и оейомоприеннжк* любого типа. При •том необходимо учитывать оледугвде оботоятяльотва:

аппаратура долива предусматривать возможное» утоополоо-ЖоС частотное селекции в диапазоне частот 10-70 Гц;

минимальное число сейсмических каналов две уверенной регистрации и идентификация гармоник поверхностных волн -12 каналов.

Рис.Ь. Пример определения видимого периода колебаний по какой-либо фазе поверхностной волны (в данном случае по записи волн Лява)

1.10. В таблице приведены параметры частотных фильтра» сеоийной сейсмической аппаратуры. Здесь же паютоя рекомендуемые параметры ое»м*чепк^о тракта при регистрации поверхностных волн.

Частотные параметры овйсмической оерийной аппаратуры

Поиск - I 48-МОВ-Ш		Панок - I 48-КНПВ-ОВ		Поиок • I 6/I2-ACM-0B		CU0B-O-24
ФНЧ	ФЕЯ	ФНЧ	ФЕЯ	ФНЧ	ФЕЯ	ФНЧ	ФВЧ
Граничные		чаототы	орева,!	фвдуомотренные		шпаратурой,Гц
ОК	ОК	ОК	ОК	ОК	ОК	ОК	ОК
20	25	7	8	20	25	14	14
30	35	10	11	30	35	20	20
60	60	16	16	60	60	26	26
70	70	22	20	70	70	40	40
100	100	30	ОК	100	100	56	бв
						80	80

I.II. Надежные ж детальные овэдешш с кинематических п дкнамичеоких особенностях поверхностных волн могут быть получены только ори многократной регистрации (воспроизведение на СМОВ-О-24) их на раеличных чаототах во всем возможном на данной аппаратуре чаототном диада воне. Наилучше результаты могут быть достигнуты ка аппаратуре типа Поиск-i е двумя типами фильтров(МОВ ж КМЛВ) В атом случае предотав-апштая возможность ооуцеотвить регистрацию поверхностных

волн на 8-9 фиксированных частотах.

I.I2. Учитывая необходимый частотный диапазон регистрации повврхноотннх валя, при выборе сейомоориемнияов следует отдать предпочтение низкочастотным сейсмоприемннкам электро* динамияеокого типа (С2-05,С1-Ю для регистрации релеевских волн и СГ-110 для регистрации волн типа Лява).

Корреляция поверхностных волн и определение их основных кинематических и динамических характеристик

1,13. Корреляция гармоник поверхностных волн проводится по обычным правилам. Целесообразнее всего брать фазу, которая наиболее четко прослежена по всей сейсммтамме (см.рис. Т-7). По выделенной фазе стандартными приемами выполняется построение фазовых годографов гармоник поверхностных волн.

1Л4. Определение базовой скорости по построенному годографу гармоники поверхностных волн следует проводить каким-либо аналитическим методом, учитывая всю совокупность точек н«блвдений на годографе. С целью экспресс-оценки базовой скорости можно пользоваться формулой численного дифференцирования по пяти точкам (точки выбираются с равным шагом по ося ОХ так, чтобы участок определения скорости охватывал почти вео* т*пттолэаф):

70 л X

где аХ - расстояние между расчетными точками по оси 0Х|

ti - времена в пяти расчетных точках ( I в-2,-1,0

1.2).

1,15. Видимый период определяется по наиболее четким траосам (рмо.8). В качеотве расчетного следует брать средний период, определенный не менее чем по каждой четвертой или пятой трассе сейсмической записи.

I.T6. Корреляция волн Лява проводится по тем же правилам, что и корреляция релеевских волн. Дополнительным признаком, облегчающим отождествление волн Лява, является няАлю-па^мое на сейсмограммах обращение фаз в записях волн Лява

пре изменении валсаьлення удара (npz возбуждении) на противоположное.

I.I7. Полученные э результате предварительной обработки первичЕые гарантеотстаз гармоник поверхностных волн рассматриваемого типа - номер гдркокхкя, ее фазовая скорость и средний период - служат основой для всей послелуюцей количественной обработки.

2.Си?ЕЗЗК>Е СТРОЕНИЯ С ТЕЗ ПО СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕН/.* ПОПЕРЕЧНЫХ ЕСЛИ НА ХН02Е ШЕтТЯЭСШ И 5ЗД2Ч2Я31Х ХАРАКТЕРИСТИК FEJIEEjCKHX both

2.1.    Кинематические z таламические хар&хтеоистики гар-mcet^v релесзских ьслн завися? преимущественно от строения среды (скорости распространения поперечных вол» в них. )Это открывает реальные перспективы изучения разреза среды по скоростях* v'_s(Z)( см. приложение), а точность и надежность

*пуделения скоростного разреза среды на основе гаомоник ре-леегсннх волн продсртисналькы количеству зарегистрированных гармони:: z об'чьг.* числу их фазовых голографов. При этом zc-хдовд данными для всех пссдедуюсзпс расчетов являются усредненные значения фаз овей скорости и периода одной или нескольких kz^zzx гармоник релеенеких волн.

}1чтерпретац2озаая модель среды

2.2.    На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований и учета реальных телгических возы сын сетей з качестве сено гной ю-терпретадиокной модели Суоды ййЛилй модель градиентного полупространства , скорости распространен» упругих волн в котором увеличивается с глубиной пс б линейному закону. Ее основными .параметрами являются v_s(0)₉ vJ(0) к V_:(0)/V_p(0).

2.2.    В качестве основных теоретических формул, описыва-лскх зависимость кинематических z динамических характеристик рслоевс-о:/ волн от Параметров выбранной модели разреза, взяты фор?<?уды асимптотической теорией распространения поверхностных волн [7,8] , в которые внесены уссвергенствования для

цервой и последующих гармоник.

2.4. Для определения фазовой скорости нулевой гармоники релеевских волн исходя из параметров разреза и частота регистрация построены следугщие теоретико-экспериментальное зависимости •

v?/v_s(o)*i,m-c,mr+ 'zlIllMIL

при о$ г4 о,ь ;

И V*/V_s (О) «1,016 -0,219г + L***±!!J**^r. при 0>Ь(*ГЪ0,7_Ч где r~V_s(0)/Vp(0)\ y*v/v_s'(0); 5$yt70,

дающие относительную погрешность не более 2-3$ в указанном диапазоне относителыгых частот.

2.5.    По усовершенствованной асимптотической формуле фа-зовая окорость первой гармоники релзезских волн зависят ** параметров разреза и относительной частоты следующим образом:

V*/v₍ (О) “(0,938г²-0,7S9T + 1,0226 ) --(- Г8,772 Г² +!6,039Г + 2,0&9)‘(r/y)V³+    (3)

У Ш,Ы0Г^г~27М0Г +3,299 ) • f //» при О < Г9,0,7,

что позволяет определить фазовую скорость в диапазоне относительных частот 5 4у 4 70 с погрешностью не белее ♦ 2 - 3$,

2.6.    Приведенные формулы позволяю* ^пл экспериментальным дачным определять параметры линеаризированной модели среды

о относительней погрешностью не более + 5$.

E V*(2ви_а[^г+ 3CU₀Z³)

--l^mUA-

faCA+eltu,)** c(iu₀ )³(г su₀i*+зси/1*) .£ V*(A +e(0„lf + C(U_al)³J ' i(A+e(t/',n* + C(l/₀l)³')²

t*T

A =0,938 Г²-0,789 6 + 1,0286,

В =18,772 Г² * 16,639 Г+2,089, 0=28,1/1 Г¹ -27,98 Г + 3,296.

Остальные обозначения совпадают о ранее введенными,

2.10.Вели получено только по одн^й записи нулевой и первой гармоники» то соответствующие расчетные формулы имеют вид:

(7)

2.11.    По найденным параметрам линеаризированной модели Vg(0)n v£(0) вычисляются значения относительной частоты у- ^m2fif/v{(0) я относительной фазовой окоро^ти Xj*V*/V_t(0) _t через которые определяются значения глубин, истинные значения скорости распространения поперечных волн на которых приближенно равны значениям фазовой скорооти гармоник релеевских волн.

2.12.    Значения фазовой скорости нулевой гармоники, умножении е н» коэффициент /((у_#) , равный

Kfyo) " “

*$

относят на глубин/

[<>Л5 + 0,005у₀(1-Г )]л,    ₍₁₀)

где подученное значение окорости равно скорооти раопр^отра-нения поперечных волн на этой глубине.

2.13. Значение окорооти распространения поперечных волн на глубине

(II)

где    - корень интеграла Эйри;

х₁ -относительная фавовая окорооть первой гармоники, численно равно аначению фазовой ckodooth первой гармоники релеевоких води V_f*,

2.14.    По совокупности значений скоростей (пп.3,13 и 2,13) путем линейной интерполяции отроят раврев ореды по окороотям распространения поперечных волн. Этот прием дает хорошие результаты в тех случаях, когда имеется значительное (более 4-5) чноло наблюдений нулевой и первой гармоник редеевоки* волн на сильно разлнчавдихоя частотах,

2.15,    При небольшом числе наблюдений на каждой гармонике окороотной разрев ореды отроится путем выполнения корреляции между значениями скоростей распространения поперечных * продольных волн по формуле

Пр - число фазовых годографов нулевой{

Hf - число фавовых годографов первой гармоники рв-леевских волн,

2.16.    Для практической реализации изложенной методики построения скоростного разрева среды по кинематическим в динамическим характеристикам релеевоких волн следует пользоваться специальными алгоритмами, реализованными в виде програшы для ЭВМ.

2.17.    Для обработки результатов наблюдений на ЭЕМ типа "Наири-К" следует пользоваться программой "Релей", реалааур-

щей приведенные опоообы расчета окороотного раэрева ореды по фавовым годографам релеевоких волн.

2.18.    В соотав системы "Грунт-2" входит комплеко программ, также построенных на визе описанных алгоритмах и дающих окоростной раврез ореды на основе кинематических и ди-намичеоких характеристик релеевсхих волн.

2.19.    В качестве иллюстрации описанной методики на рио. 9 и 10 приведены результаты работ в районе г.Ирбит (Свердловская область). Наблюдения поверхностных волн проводились в широком диапазоне чаотот (8-100 Гц). По полученным экспериментальным зависимостям фазовых скоростей релеевских волн от чаототы (ом.рис. 9) были рассчитаны параметры скороот-ного разреза V_S(Z).На этом же участке одновременно быди проведены работы по методике ВСП. Разрезы V_f(Z) , полученные двумя различными методами, хорошо согласуются друг о другой (см.рио. 10)♦ что позволяет оценить количественно точность метода определения скоростного разреза V_s (Z) по данным релеевских волн.

З.СШдаЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ СРШ ПО СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛ* НА ОСНОВЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛН ЛЯВА

3.1.    Кинематическое и пинамкческие характеристики волн Дява определяются исключительно строением среды по скорости распространения поперечных вслн, а точность и надежность определения скоростного раэреэа среды по данным кинематических и динамических характеристик волн Лява тем выше,чем больше фи ало фазовых годографов разных гармонии используется при интерпретации.

3.2.    Исходными данными для ксличесавенной интерпретации являются уоредненные значения фазовых скоростей и периодов одной или нескольких низших гармоник волй Лява.

Настоящая работа выполнена кафедрой гесфдеики Свердловского ордена Трудового Краоного Знамени горного инотитута им.

В. В,Вахрушева на основании договора В 62-202-78 о объединением "Стройвзыокания",

В Рекомендациях приводится методика использования поверхностных волн типа Релея и Лява для изучения строения среды по величине скорости распространения поперечных волн, достаточно подробно изложена методика регистрации поверхностных волн, а такие последовательность обработки подученного полевого материала, В приложении к Рекомендациям приводятся теоретические основы предлагаемой методики,

В окончательной редакции учтены замечания и предложения ряда организаций (ЦТИСИЗ,МГУ,ПНИИИС н др.). Рекоцеждацнн одобрена на заседании инженерас-геологжчоской секции технического оожета П 0 "Стройизцокаши",

Составители} В.И,Бондарев, В.ВЛ1иоецкий,С.м.Нрылатков (СГИ).

Редакторы} В.В. Лисицын к Н.П.Курандин.

Рис.9. Экспериментальная зависимость фазовой скорости первой (I) и второй (2) гармоники релеевсхах вата от частота. Сплоение линии - ашхрсксимирупзие теоретические зависимости для нулевой (3) и первой (4) гармоник соответственно

ВВЕДЕНИЕ Вое воэраотаппее использование сейомнчеокой разведки при инженерно-строительных изысканиях на нескальных грунтах обусловлено главным образом возможностью использования ее для определения важнейших физик о-механичеокжх. свойств грун тов в еотеотвенном залегании[l -з] Использование сейоммчеокжя методов исследований важнейших фнэико-механичеошх свойств грунтов основано на теоной взалмоовяеи етжх свойств с упругими характеристиками и прежде всего со окоростью распространения поперечных (сдвиговых) волн. При этом наиболее точная и Достоверная информация о характере распределения значения скорости распространения поперечных волн в сейсморазведке может быть получена при наблюдениях объемных поперечных волн типа S/V или S V.

Трудности методичеокого характера зачастую не позволяют получить в отдельных районах четкие х определенные записи поперечных волн. В этих случаях единственно приемлемым путем изучения распределения в плане и в разрезе значений окорости распространения поперечных волн является использование поверхностных волн типа Релея и Лява.

Использованию поверхностных волн типа Релея и Лява для изучения отроения среды по скорости распространения поперек ных всиш благоприятствует относительная простота методики полевых наблюдений, ее высокая экономическая эффективность в простота регистрации существующей сейсмической аппаратурой, прежде всего стаыедей типа СМОВ-О-24. Необходимо, однако, иметь в виду, что в аилу интерференционного характера поверхностных волн, разобщающая способность этой методики,как правило, ниже, чем у методики, использующей объемные вслвы. По этой причине использование предлагаемой методики изучения распространения в алане и в разрезе значений скорости распространения поперечных волн в каждом конкретном случае должно быть всесторонне обосновано.

Предлагаемая ниже методика использования поверхностных волн типа Релея и Лява ддя изучения строения среды по величине скорости распространения поперечных волн является составной частью сейсмического способа определения важнейших

фмзюсо-мвхавяческжх характеристик нескальных грунтов в строительных целях и предназначена для лиц и организаций, выл од -вящих сейсмические исследования с названной целью.

I.МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН

X.I. Выбор методики полевых наблюдений обусловливается знанием основных кинематических и динамических характеристик поверхностных волн рассматриваемого типа, распространяющихся в реальных средах, теоретические основы которых приведены в приложении.

Основные кинематические и динамические особенности поверхностных волн

1.2.    Для характеристики кинематических особенностей поверхностных волн особое значение имеет понятие фазового годографа. Фазовым годографом поверхностных волн называется заданная каким-либо образом (аналитически, таблично или графически) зависимость времени регистрации какой-либо одноименной особенности (фавн) волны от расотояиия вдоль профиля наблюдений. С понятием фаэового годографа тесно связано понятие фазовой скорости. Фазовая скорооть поверхностных волн - это скорость распространения вдоль профиля одноименной особенности (фавн) волны. Примеры корреляции фазовых годографов поверхностных воля приведены на рис. 1-4.

1.3.    Фазовая скорость V₀ зависит от частоты ее регистрации. Повышение частоты регистрируемых колебаний приводит

к уменьшению фазовой скорости гармоник поверхностных волн.

1.4.    Спектр рассматриваемых волн преимущественно низкочастотный и, как цравило, ограничен сверху частотами поря* ха 30-50 Гц. Увеличение эффективной чувствительности сейсмического тракта в области низких частот (5-20Гц) улучшает четкость записи гармоник поверхностных волн. Волны типа Редея и Лява регистрируются всегда в последующих вступлениях оейсмической записи и не имеют четкого вступления, а форма их записи в большинстве случаев имеет интерференционный ха-

рактер. При этом на оейом^^раммах в зависимости от сейсмогео-логических условий, параметров регистрирующей аппаратуры и методики наблюдений может регистрироваться от одной до нескольких гармоник поверхностных волн (ом.рис. 1-4).

1.5.    Энергия поверхностных волн локализуется в виде изолированной сейсмической волны на расстоянии от пункта возбуждения не менее (3-5)Л , но, как правило, не ближе 20-25 и

до центра базы наблвдения. В о илу различия поглощающих свойот» отдельных частей разреза, в которых распространяется основная часть внергии каждой гармоники, интенсивность гармоник затухает по профилю различным образом. Затухание интенсивности гармоник о расстоянием обратно пропорционально их номеру.

Это приводит к тому, что для каждой гармоники существует определенная зона расстояний от пункта возбуждений, на котором йанлучппш образом может регистрироваться та или иная гармоника. При неправильном выборе расстояния от пункта возбуждения до базы наблюдения возможно ошибочное отождествление номера гармоники.

1.6.    Чтобы избежать ошибок, связанных о неверным определением номера зарегистрированной гармоники, необходимо на каждом участке проводить опытные работы, направленные на выбор оптимального раоотояния от пункта возбуждения до базы наблюдений. Прн этом выбор оптимальных расстояний необходимо начинать с минимально возможных значений с постепенным их увеличением (например, 10,20,30,40,50 м и т.д.). На рис.

6 и 6 отчетливо видна зависимость характера записей гармоник волн типа Релея и Лява при изменении расстояния от пункта возбуждения до базы наблюдений. Расстояние от пункта возбуждения колебаний до центра базы наблюдений должно быть гахнм, чтобы каждая гармоника регистрировалась вне области интерференции ее о другими гармониками (рио.7),

1.7.    В целях повышения точности последующих расчетов,

а также частичного учета горизонтальных неоднородностей среды обычно целесообразно п стучать с выбранных рас стояний еноте му двух встречных годографов.

1.8.    Возбуждение ж регистрация релеевских волн производится по сдотемeZ-Z. Возбуждение к регистрация волн Лява -

7

Расстояние от пункта удара до базы наблюдений 30 м I

*f;' Расстояние от~иункта~удара до безы наблюдений 40 м j ? Рио.5. Характер изменения записей гармоник реле-евеках волк при изменении расстояния от пункта ^    возбуждения/    до    базы    наблюдешь

~ Расстояние от пункта удара до базы наблюдений 40 м Рис.в. Характер изменений записей гармоник волн Лява при изменении расстояния от nyi; :а зсзбуг-дения до базы наблюдений