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1、基于动测仪的面波测试方案1 测试原理简介均匀介质或分层介质在点或面振源作用下，表面波场包含 P、SV 波及瑞利波，由于在 表面P、SV波衰减快于瑞利波，当距振源一定距离表面波场以瑞利波为主。在大多数情况下， 瑞利波能量集中在一个波长深度范围内，频率越低，波长越大，影响深度越深。在剖面参数 （剪切波速、密度、泊松比）不同分层状态下，随着波长的增加，瑞利波穿越的层数也增加， 瑞利波传播速度发生变化，瑞利波传播出现频散现象，即瑞利波传播速度随频率（或波长） 的变化，如图1所示，频散曲线的变化与分层参数、分层厚度等有关，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。Layer 3Material p
2、rofileRayleigh-wave vertical particle motion Rayleigh-wave phase velocityMaterial profileTii 丄一2R1Short wavelength, Longer wavelength.XR1XR2Dispersion curve图 1 瑞利波波长与穿透深度及传播速度间关系不同的分析方法，对测试要求也不同，目前分析方法主要有 f k 分析及互相关分析 （SASW）。2、基于互谱分析测试方法互谱分析，顾名思义就是对两道信号作互相关分析，只要有两道信号就可以得到面波的 相速度随波长或频率的变化。目前，动测仪，如RSM
3、、FD系列，一般最多可采集四道。 这样，在互谱分析用动测仪作为采样设备是可行的。当采用两个测点时，如图2 所示，测点 可按共中心方式布点，即（1）测点距、振源与最近测点距相等；（2）按测点中心线位置不 变，不断增加测点距；（3）通过正反敲击来消除分层倾斜及传感器不一致性的影响。如图3 所示。图 2 两测点布置图 3 共中心测点布置 两点实测信号、互谱分析及得到的相速度随波长或频率变化，见图4，相速度表示面波在两 测点间平均相速度。(a)(b)（c）图4两测点信号（a）、互谱分析（b）及相速度随波长变化（c）当采用三个测点，如图5所示，通过对三条信号组合分析，即CH1+CH2、CH1+CH3、C
4、H2+CH3 组合，可以得到三条剖面的相速度。见图 6。图 5 三测点布置(a) (b)图 5 三测点信号 (a) 及由信号 3 种不同组合得到的相速度随波长变化 (b) 当采用四个测点，如图 6 所示，通过对四条信号组合分析，即 CH1+CH2、CH1+CH3、 CH1+CH4、CH2+CH3、CH2+CH4、CH3+CH4 组合，可以得到六条剖面的相速度。当等间 距布点，CH1+CH4与CH2+CH3对应的剖面重合，两者平均、光滑得到一条相速度曲线， 见图 7。图 6 四测点布置图7 四测点信号 (a) 及由信号 5 种不同组合得到的相速度随波长变化 (b) 当得到与多个剖面的相速度速度后
5、，就可以构筑相速度色谱图，如图8 所示。MiHflHS卄;5ft膽立 SO;I3&ZWNL3”:j r-i 21:：aI Sttt両D.D I LO.a nfemCV | ED. D田H7H1F | 更目|-mlxi丸卷-1电可西-1L0-2L3fi. DY. TJ5. D6,DT-3-dj.o图 8 由不同剖面的相速度随波长变化曲线得到相速度色谱图3、互谱分析优缺点分析(1) 互谱分析只要两道信号就可以分析，因而，对测试仪器要求不高，一般只要有两个 通道的仪器就可以使用，这样目前用于基桩测试、剪切波速测试、振动测试的仪器 均可用于面波测试；(2) 由于互谱分析是计算面波在两测点的相位差，这对
6、测量传感器的相频特性一致性要 求较高，测量之前，将传感器同时放置在一个位置，根据采集的信号判断传感器的 相频特性一致性；(3) 互谱分析仅利用相位差来计算相速度，没有利用面波能量幅值，干扰信号对相位差 计算影响较大，互谱分析得到的曲线没有f-k分析光滑，不同道距、不同次结果 可能相差较大，一致性较差；(4) 测点间距越大，面波在两测点间相位差越大，这越有利于消除噪音干扰，一般测点 距D2m，有利于结果分析；(5) 采样时间建议取(200)XD (us),以保证在频率域有较高分辨率。4、fk 分析方法对一定数量的测试响应信号w(r, t)作k分析(1)W , k )二艺迟exp(-2兀in j
7、/ N ) - exp(+2兀in j / N )w( j Ar, j At) - (j Ar)1/2n1 n 21 112 22212j? =0 j =0这里N为间隔为At的时间观察点数，N为空间间隔为Ar的观察点数，n1=0,-N1-1, n2=0，N2-1。由于在k域是利用能量谱的极值来分析，为了消除几何衰减对能量分布的 影响，在谱分析上乘r1/2来校正因几何衰减导致能量损耗。得到频率一波数域功率谱分布，由谱极值波数一频率的变化，利用关系 /k = c得到频率相速度或波长相速度曲线，见图 9图 9 波数频率域谱能量及频散数据fk 分析一般要求振源、一定数量测点布置在一条测线上，测点按等间
8、距布置，探测深度 越大，要求测点间最大的空间距离也越大（最大的波长不会超过最大的布点距离，即距振源 最近点与距振源最远点距离）。地震仪或面波仪一般有12个以上的采样通道，可用于基于fk分析的面波测试。但当测试仪器纪录通道有限时（如基桩动测仪）。可采取以下两种方法对信号进行堆叠：（1） 保持振源位置不动，依次等间距移动测点，如图 10所示，传感器使用的传感器使用 数量视测量仪器而定，使用的通道越多，得到一定数量的响应排列所需的测量次数 越少，比如，要得到12道响应排列，若采用4道采集，则试验要重复3次，然后对 每次测试信号进行堆叠，见图11，而当采用2道采集，则试验要重复6次，依次类 推。 采用
9、该方法，要求振源是可重复的，即振源产生的脉冲信号，不仅频率成份相 同，而且幅值也相同；国 1U7丿区的/|、今J, 4乡仪H火1| Tmsj I 496 IB | 畑爾 | CH_Wn | 圏 (CH_C.t |TF | Fos_ChCi.T | 1500| 肿 | 1.0 |?ri?3600 25 Lk图11测试信号堆叠(2)保持测点位置不变，移动振源位置，振源距最远测点距离S二S + m(n -1)D，这里n, m分别是测点布置数量及移动振源的次数。见图12。振源移动图 12 测点不动，振源移动5、fk 分析优缺点(1) fk 分析事实上就是分析不同能量团传播的速度，该分析利用了振幅，因而
10、，可 有效消除噪音的干扰，得到的数据一致性要高于互谱分析，见图13；(2) fk 分析利用幅值分析，要求测试的传感器幅频特性有较好的一致性。图 13 波数频率域谱能量及频散数据6、面波测试有关事项(1)传感器：在岩土工程测试中，一般采用速度型传感器，如图14a所示，这种类型的传 感器结构如图14b，它是由导电弹簧线圈、质量块、磁铁、分流电阻组成，幅频及相频特性 如图 15 所示，在共振频率附近在共振频率附近振动幅值最大，随着频率的增加，曲线趋于 平坦，即，不同频率信号单位质点速度的输出电压相同，在测量过程中，尽量让测量的信号 频率成分处于平坦段。图 16 是 CDJ-J2.5Hz 传感器幅频特
11、性，共振频率越低，可使用的平 坦段频率范围越宽。共振频率低，相应的质量块的质量要越大，传感器越灵敏，使用结束后， 应将输出短路，以避免传感器线圈烧坏。传感器与地面应有较好的耦合。当对高速公路水泥 路面进行面波测试时，由于信号的频率较高，要求传感器有较高的频率响应，在此情况下， 要采用加速度计。图 14 速度型传感器 (a) 及其结构 (b)2030:b)9060030Hi0Frequency (Hz)I. 3 7I1SIM200)XD(us/w);(c) 为了避免频率混淆，滤波设置频率应小于1/(2At)，At为采样时间间隔；(d) 触发通道设置可以视分析方法而定，当采用互谱分析(SASW),
12、可以用离振源 最近的采样通道作为触发通道，而对f k分析，为了使每次测试获取尽可能多 的响应信号及响应相对振源激振时刻的延时，一般可采用短路触发、外触发，只有在测量仪器不具备短路触发、外触发情况下，才采用通道触发。(i) 短路触发，顾名思义就是利用短路来触发，将电缆线的内芯线与外芯线分别与落锤(或手锤)、金属垫块相连，然后将电缆线的连接至外触发通道(对RSM、FD等动测仪一般有标识为“EXT”，落锤后，形成短路，仪 器开始记录信号；(ii) 外触发就是在落锤旁边放置一触发传感器，要求传感器响应延时较少，触 发传感器与外触发通道相连；(iii) 当测量仪器不具备短路触发、外触发情况下，可采用通道触发,就是在落锤旁边放置一触发传感器，要求传感器响应延时较少，触发传感器与可采样通道(比如CHI、CH2、CH3或CH4)相连。采用通道触发，由于该 通道只起时间参照作用，在f k分析时，该信号不能参与分析。附测试结果QI|r.iFrJEniKfl 口-4KD4KIKI 口110、iiiR _141001丽山利敢曲枝. (Ml後逸EliQDiji：i3xi圈卩mon购20 *0JiCwICJH 1 i:J1Jn.:*: : TO?CI.KU -* :ffl-:;JJftl: : :; ; ;测“点義曲曲韜
