非线性条件下单孔法剪切波速正反演方法研究

摘要

岩土层的剪切波速在工程建设领域具有重要的作用，它是划分场地类别、确定土层覆盖层厚度、判断场地砂土或粉土地基的地震液化、求取土层动力学参数、以及进行地震小区划的依据。目前，剪切波速的求解方法主要是通过波速原位测试的手段拾取地震波走时数据，并根据走时数据来计算岩土层剪切波速。如，单孔法、跨孔法以及面波法。这些方法在计算剪切波速时，都假设地震波沿直线传播，忽略了场地岩土层不均匀分布的影响，因此，这些方法不仅需要进行大量繁杂的计算，而且求解精度低。本文的研究目的是在于通过地球物理正演和反演方法相结合，并运用计算机编程技术获得一种精度高、方便、快速的剪切波速求解方法。文中关于剪切波速的求解方法就是在前人研究的基础上，对他们提出的方法进一步完善而得到的。　　本文的核心内容：一是正演求解，二是反演计算。正演求解方法采用的是最短路径射线追踪方法（SPR），它是网络法射线追踪方法的一种，该方法能够较好的模拟出地震波的传播路径。反演计算方法采用的是同时迭代重建法（SIRT)，它是一种能够快速求解大型线性方程组的反演方法，具有算法稳定、收敛效果好的特点。本文将这两种方法理论结合在一起，并编译成MATLAB算法程序，通过运行程序来求得场地岩土层剪切波速信息。围绕剪切波速的求解方法具体展开了以下几个方面的工作。　　1、对正反演理论发展情况进行描述，并引出本文的非线性条件下利用正反演技术求解介质剪切波速方法，并对其求解理论和程序设计思路做了介绍。　　2、对剪切波速的具体工程应用价值和研究意义做了详细的论述。同时，详细介绍了中国广泛使用的剪切波速原位测试技术的测试方法及测试资料的整理分析，对各种原位测试技术进行对比分析，指出各自的优缺点。　　3、简要介绍了地震波传播所遵循的几个原理和直达波、反射波、透射波、折射波、回折波的传播规律。　　4、介绍了射线追踪的发展历程，并给出了各个发展阶段所提出的射线追踪方法及其优缺点。详细介绍了本文所采用的最短路径射线追踪法，对其理论基础、模型构建和算法实现依次做了深入的介绍。文中还给出了射线追踪方法的算法程序及其说明，并用模型来验证该程序的有效性和稳定性。　　5、对地球物理反演理论做了论述，并对反演要解决的五大问题，即解的存在性、模型构制、解的非唯一性、解的稳定性、结果的评价做了简要介绍。详细介绍了本文所采用的反演方法理论，且给出了算法程序及其说明。　　6、文中将本文算法程序应用于三个具体的工程实例，并将利用该方法求得的剪切波速与运用单孔法波速测试方法求得的剪切波速结果作对比分析，验证了本文求解剪切波速方法的可行性以及本文算法程序的有效性和稳定性。最后还对本文方法的优点和不足之处做了说明。

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