【摘 要】
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自19世纪30年代泊松发现纵波和横波的存在后,人们便开始了纵波和横波的研究。由于浅层横波速度低、波长短,使得横波地震勘探具有较高的分辨率,在工程应用中备受青睐。震源是横波地震勘探的核心装备,横波可控震源因具有生产效率高,激发信号可控,安全无污染等优点,是横波地震勘探的首选。横波震源激振器是横波可控震源激发地震波的关键部件,激振板是激振器的重要组成部分,可控震源通过激振板与大地耦合激振,向下传播地震
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自19世纪30年代泊松发现纵波和横波的存在后,人们便开始了纵波和横波的研究。由于浅层横波速度低、波长短,使得横波地震勘探具有较高的分辨率,在工程应用中备受青睐。震源是横波地震勘探的核心装备,横波可控震源因具有生产效率高,激发信号可控,安全无污染等优点,是横波地震勘探的首选。横波震源激振器是横波可控震源激发地震波的关键部件,激振板是激振器的重要组成部分,可控震源通过激振板与大地耦合激振,向下传播地震信号。如何提高横波可控震源的输出效率,减小或避免因激振板与地面脱耦导致能量散失是亟待解决的问题。本文以LVIB-10轻便液压伺服可控震源适配的横波震源激振板为研究对象,对横波可控震源激振板与地面耦合进行有限元仿真模拟和室外试验。针对土体介质地面,采用数值模拟与试验相互结合的方法,在激振板下布置反力齿,研究反力齿的齿型、数量以及布设方式对横波震源激振板与地面耦合能量输出特性的影响,优选适用于土体介质地面的激振板反力齿。针对沥青硬化地面,通过试验的方法研究不同类型的橡胶耦合垫对横波能量下传影响规律,优选适合于沥青硬化路面的激振板橡胶耦合垫参数。具体研究内容及成果如下:利用ANASYS Workbench仿真软件构建横波可控震源激振板与地面耦合激振模型,设计激振板反力齿类型为圆锥型反力齿、四棱锥型反力齿与三角型反力齿结构。利用激振板下传能量即激振板下方岩土粒子运动强度,进行横波震源激振器与地面耦合激振效果定量评价。不同数量的反力齿均匀布设在激振板下方时,28颗圆锥型或四棱锥型反力齿在激振板下方岩土粒子运动强度较大,激振效果较好;5条三角型反力齿与7条三角型反力齿的激振板下方岩土粒子运动强度基本相同。相同数量的反力齿布设方式不同时,28颗圆锥型反力齿或四棱锥型反力齿在激振板两侧均匀布设,激振板下方岩土粒子运动强度较大,激振效果较好;5条三角型反力齿均匀布设在激振板两侧时,激振板下方岩土粒子运动强度大,激振效果好。激振板在水平激振荷载下,最大变形发生在其中心部位,28颗均匀布设在激振板两侧的四棱锥型反力齿激振时变形量较小,与大地的耦合效果好,可提升激振板性能,加强横波地震勘探的能力。总体上,28颗均匀布设在激振板两侧的四棱锥型反力齿性能均优于其他两种反力齿型,采用四棱锥型反力齿作为激振板与大地接触的媒介,可以有效增强能量下传率,增强横波勘探深度。为适应不同施工环境,针对土体和沥青硬质路面采用不同的耦合方式。本文设计不同齿型的反力齿进行土体地层激振试验,同时利用不同厚度、不同花纹、不同硬度的橡胶作为耦合垫进行激振板与硬质地面耦合特性试验。通过频谱分析的方法,定量分析不同频率下激振幅值特征,研究比较不同反力齿的激振板输出效果。土体介质地面试验结论与数值仿真模拟结果基本一致,28颗圆锥齿或四棱锥型均匀布设在激振板两侧时,激振效果较好;在激振板下布设四棱锥齿时,震源低频激振效果较好,四棱锥齿在激振板上布设数量越多,分布在激振板两侧越均匀,激振板与地面耦合效果越好,高频信号有效下传能量值越大;三角齿在激振板上不同的布设方案幅值基本相同,显示出高频阶段幅值大,10颗三角齿均匀布设在激振板两侧时激振效果较好。在横波震源试验设计的整个扫频范围内,三种反力齿中28颗均匀布设在激振板两侧的四棱锥型反力齿性能表现最为优异,可作为优先选取的齿型布设。沥青硬化地面的试验结果表明:相同厚度（5mm、10mm、15mm）,硬度为75A的橡胶耦合垫激振输出信号幅值最大;相同硬度（60A、75A）,10mm厚度的橡胶耦合垫激振幅值最大;震源激振板下布设带有花纹的橡胶耦合垫可增大幅值,条纹形橡胶耦合垫在扫频范围内体现出较好的性能。对比分析认为75A/10mm条形花纹的橡胶耦合垫能量传递率高,适用于横波震源激振板与沥青硬化地面耦合。
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