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[摘要]本文运用LS-DYNA动力学软件对多种含空洞复杂地层在瞬态冲击荷载作用下的情况进行模拟分析，得到其在瞬态冲击荷载作用下的满足工程提取要求的多道加速度时间历程曲线面波数据。
[关键词] 空洞勘探；最大模；频散曲线
1、 引言
瑞雷波勘探是一种新型的物探方法，它利用瑞雷波的频散特性来进行地层的速度场地要求不高且能一次获得与深度相关的地层面波速度参数的特点。
瑞雷波法是一种利用瑞雷波运动学和动力学特征的进行工程质量检测及工程地质勘探的一种方法，当对自由界面进行竖向击震时均会在自由界面产生瑞雷波，瑞雷波有二个与工程质量检测有关的特性：
（1）在层状介质中，瑞雷波具有频散特性。
（2）瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。
为得到复杂地质情况下，最大模频散曲线的规律，本文运用数值模拟的方法对含空洞的地质情况进行研究。
瞬态瑞雷波法示意图
二、模型参数设置
本文运用有限元软件ANSYS-LSDYNA来模拟含空洞的半无限大空间的复杂地质情况下进行模拟分析，用基于最大模频散曲线的方法对所得的瑞雷波曲线进行分析，得到空洞变化情况下最大模频散曲线变化规律。
模型 上层厚度 上层波速 下层厚度 下层波速 空洞距离地面深度 正方体空洞边长
模型1 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 0m
模型2 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 1m
模型3 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 2m
模型4 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 3m
震源的选择：为获取不同深度波速，要求震源产生各种频率成分的波，本模型采用随时间变化的瞬态面力模拟冲击荷载。
道间距、偏移距的确定：道间距和偏移距根据勘探分辨率和勘探深度确定，一般勘探深度小时，道间距和偏移距小。文中采用道间距和偏移距为0.5m和6m。
记录长度和采样间隔：在瞬态瑞波勘探过程中采样间隔与勘探深度有关，对于浅层宜采用较高的采样率，反之采用较低的采样率。本模型记录长度为0.256s，采样点数为1086次。
边界条件设置：为避免边界处反射波对求解域的影响，对有限域表面设置无反射边界条件来模拟半无限大空间。
三、数据处理
层状地质条件下，含软弱下卧层时，面波的能量不再集中于基阶面波，而是随着频率变化分散于各阶模态中，只提取基阶模态不能完全反映地层情况。各个模式的能量大小不一样，在不同的频段，能量占主导地位的可能不是同一模式。基于不同频率，提取能量最大的一阶，连接成线，即为最大模频散曲线。
本文在處理时采用最大模频散曲线的方法对采集的数据进行分析。在二维傅立叶变换前在时域空间对时域信号进行截断滤波处理，除去纵横波和噪音信号的干扰。
以下图为滤波信号经过傅立叶变换后H-C域最大模频散曲线图：
模型1在H-C域最大模曲线 模型2在H-C域最大模曲线
模型3在H-C域最大模曲线模型4在H-C域最大模曲线
通过分析发现，在f-k域低频部分存在高阶模能量团，其随着空洞的增大而减小，空洞对能量分布模态有一定影响。在含下卧层地质情况下均有高视速度现象，在最大模频散曲线上都有锯齿形，且均出现高视速度现象，随着空洞体积的变大，刺点逐渐变长。
四、结语
本文运用有限元对复杂地质情况进行模拟，得到含空洞的复杂地质情况下最大模频散曲线规律，对工程地质勘探具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 凡友华，刘家琦。 层装介质中瑞雷面波的频散研究。 哈尔滨工业大学学报。2001, 33(5):577~581
[2] 夏唐代, 张忠苗, 吴世明. Rayleigh 面波法原理的数值模拟. 浙江大学学报[J].1996
[3]贾学名, 杨建国，赖思静. 路基边界对瑞雷波检测影响的数值模拟研究[J]. 岩土力学. 2004, (25):256~264
[4]张碧星, 肖柏勋, 杨文杰, 曹思远, 牟永光. 瑞雷波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究[J]. 地球物理学报. 2000, 43(4):557~567
[5] 刘云桢, 王振东. 瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J]. 物探与化探. 1996, 20(1):28~34
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
[关键词] 空洞勘探；最大模；频散曲线
1、 引言
瑞雷波勘探是一种新型的物探方法，它利用瑞雷波的频散特性来进行地层的速度场地要求不高且能一次获得与深度相关的地层面波速度参数的特点。
瑞雷波法是一种利用瑞雷波运动学和动力学特征的进行工程质量检测及工程地质勘探的一种方法，当对自由界面进行竖向击震时均会在自由界面产生瑞雷波，瑞雷波有二个与工程质量检测有关的特性：
（1）在层状介质中，瑞雷波具有频散特性。
（2）瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。
为得到复杂地质情况下，最大模频散曲线的规律，本文运用数值模拟的方法对含空洞的地质情况进行研究。
瞬态瑞雷波法示意图
二、模型参数设置
本文运用有限元软件ANSYS-LSDYNA来模拟含空洞的半无限大空间的复杂地质情况下进行模拟分析，用基于最大模频散曲线的方法对所得的瑞雷波曲线进行分析，得到空洞变化情况下最大模频散曲线变化规律。
模型 上层厚度 上层波速 下层厚度 下层波速 空洞距离地面深度 正方体空洞边长
模型1 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 0m
模型2 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 1m
模型3 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 2m
模型4 2 178m/s 8m 138.5m/s 2.5m 3m
震源的选择：为获取不同深度波速，要求震源产生各种频率成分的波，本模型采用随时间变化的瞬态面力模拟冲击荷载。
道间距、偏移距的确定：道间距和偏移距根据勘探分辨率和勘探深度确定，一般勘探深度小时，道间距和偏移距小。文中采用道间距和偏移距为0.5m和6m。
记录长度和采样间隔：在瞬态瑞波勘探过程中采样间隔与勘探深度有关，对于浅层宜采用较高的采样率，反之采用较低的采样率。本模型记录长度为0.256s，采样点数为1086次。
边界条件设置：为避免边界处反射波对求解域的影响，对有限域表面设置无反射边界条件来模拟半无限大空间。
三、数据处理
层状地质条件下，含软弱下卧层时，面波的能量不再集中于基阶面波，而是随着频率变化分散于各阶模态中，只提取基阶模态不能完全反映地层情况。各个模式的能量大小不一样，在不同的频段，能量占主导地位的可能不是同一模式。基于不同频率，提取能量最大的一阶，连接成线，即为最大模频散曲线。
本文在處理时采用最大模频散曲线的方法对采集的数据进行分析。在二维傅立叶变换前在时域空间对时域信号进行截断滤波处理，除去纵横波和噪音信号的干扰。
以下图为滤波信号经过傅立叶变换后H-C域最大模频散曲线图：
模型1在H-C域最大模曲线 模型2在H-C域最大模曲线
模型3在H-C域最大模曲线模型4在H-C域最大模曲线
通过分析发现，在f-k域低频部分存在高阶模能量团，其随着空洞的增大而减小，空洞对能量分布模态有一定影响。在含下卧层地质情况下均有高视速度现象，在最大模频散曲线上都有锯齿形，且均出现高视速度现象，随着空洞体积的变大，刺点逐渐变长。
四、结语
本文运用有限元对复杂地质情况进行模拟，得到含空洞的复杂地质情况下最大模频散曲线规律，对工程地质勘探具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 凡友华，刘家琦。 层装介质中瑞雷面波的频散研究。 哈尔滨工业大学学报。2001, 33(5):577~581
[2] 夏唐代, 张忠苗, 吴世明. Rayleigh 面波法原理的数值模拟. 浙江大学学报[J].1996
[3]贾学名, 杨建国，赖思静. 路基边界对瑞雷波检测影响的数值模拟研究[J]. 岩土力学. 2004, (25):256~264
[4]张碧星, 肖柏勋, 杨文杰, 曹思远, 牟永光. 瑞雷波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究[J]. 地球物理学报. 2000, 43(4):557~567
[5] 刘云桢, 王振东. 瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J]. 物探与化探. 1996, 20(1):28~34
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。