隧道瑞利面波波场数值模拟研究

摘要

瑞利面波由于采集简便，在地震波场中所占能量比例较大，并具有速度频散等运动学特性，而被应用于各种地下调查领域。人工激发的瞬态瑞利面波法在工程中场地分层，岩溶洞穴分布勘查等方面使用广泛。
　　传统上，瑞利面波的研究和应用更多得关注主动源瑞利面波速度频散特征（运动学特征），利用频率-波数(F-K)变换，来提取速度频散曲线，需要在观测时布置一定数量的检波器成为一个排列，并且勘探的深度与接收信号的排列尺度成正比关系。但是在隧道工程中，由于掌子面尺寸的局限，以及安置检波器难度较大，面波勘探的方法一直没能得到使用。
　　相位差法则可以有效突破这个瓶颈，利用较少的波场记录，通过相关分析求得相位差进而得到面波的频散曲线，本论文就通过有限元数值模拟的手段对两种方法在频散曲线提取上，并针对掌子面前方存在低速层的地质模型来做出对比进行分析，来实现使用少量信号检测器装置以一个较短的排列方式来采集瑞利面波的方法的目的。
　　此外，当瑞利面波传播时候，粒子的运动是由相位差π/2的两个相互垂直振动的合成运动，振动粒子的运动轨迹沿传播方向成反方向的椭圆轨道运动。面波水平分量与垂直分量的频谱比(H/V)也携带了地层信息，利用这些特征可以有效应对因掌子面尺寸有限而带来的面波处理问题。
　　本论文研究内容及成果旨在解决传统瑞利面波勘探方法所在隧道掌子面上使用可能遇到的问题，对于扩展瑞利面波在工程中的应用范围提供一些理论指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的依据及研究意义

1．2 瑞利面波频散特征国内外研究现状

1．3 瑞利面波椭圆极化特征国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 创新性

第2章 隧道地震波场基本理论

2．1 地震波基本理论

2．1．1 弹性介质模型

2．1．2 地震波的波动方程

2．1．3 地震波的传播特征

2．1．4 波动方程的积分解与惠更斯原理

2．2 瑞利面波基本理论

2．2．1 瑞利面波方程

2．2．2 瑞利面波粒子运动椭圆极化特征

2．2．3 瑞利面波的速度频散特征

2．2．4 瑞利面波频散曲线的提取方法

2．3 本章小结

第3章 隧道瑞利面波数值模拟方法研究

3．1 数值分析方法比选

3．2 有限元数值分析方法理论

3．3 ANSYS有限元软件介绍

3．4 隧道瑞利波场数值模型

3．4．1 震源设置

3．4．2 单元选型

3．4．3 边界条件

3．4．4 网格划分

3．5 本章小结

第4章 隧道瑞利面波波场数值模拟及特征分析

4．1 隧道全波场数值模拟

4．1．1 数值模型

4．1．2 波场快照及地震波记录分析

4．2 隧道掌子面瑞利波场数值模拟

4．2．1 数值模型

4．2．2 隧道掌子面地震波记录分析

4．3 隧道掌子面上瑞利面波频散曲线分析

4．3．1 F-K法

4．3．2 相位差法

4．3．3 两种方法对比分析

4．4 隧道掌子面上瑞利面波椭圆极化特征

4．4．1 椭圆轨迹

4．4．2 长短轴比值

4．5 本章小结

结论及建议

致谢

参考文献

附件A 椭圆拟合的Matlab程序

附件B 分频率计算长短轴比的Matlab程序

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目