弹性波全波形反演方法及在岩土工程无损检测中应用

目录

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摘要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................... I 目录 (i)

第一章绪论 (1)

1.1课题研究目的与意义 (1)

1.2 弹性波全波形反演研究历史与现状 (2)

1.2.1 弹性波场模拟研究历史与现状 (2)

1.2.2 全波形反演研究历史与现状 (4)

1.2.3 全波形反演方法应用及存在的问题 (7)

1.3研究内容与创新点 (9)

1.3.1 研究内容 (9)

1.3.2 创新点 (12)

第二章弹性波全波形反演理论 (13)

2.1 弹性波全波形正演计算算法 (13)

2.1.1 弹性波波动方程 (13)

2.1.2 弹性波方程时域有限差分 (15)

2.1.3 差分近似稳定性分析 (19)

2.1.4 PML吸收边界 (22)

2.1.5 三维层状介质模型正演模拟算例 (29)

2.2 弹性波全波形反演计算算法 (33)

2.2.1 波形反演问题提出和简化 (33)

2.2.2 拟线性最优化算法 (34)

2.2.3 随机搜索法与拟线性法联合反演 (38)

2.2.4 反演计算迭代终止条件 (40)

2.3 反演算法优化 (41)

2.3.1 先验信息 (41)

2.3.2 Tikhonov正则化方法 (42)

2.3.3 反演参数约束条件 (43)

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上海交通大学博士学位论文

2.3.4 最佳修正值 (44)

2.4 本章小结 (45)

第三章层状介质低速层反演计算分析 (46)

3.1 含低速层模型参数反演 (46)

3.1.1 模型建立与假定 (46)

3.1.2 低速层剪切波速值反演计算分析 (48)

3.1.3 低速层厚度反演计算分析 (52)

3.1.4 低速层剪切波速与厚度联合反演计算分析 (56)

3.2 基于层状介质的地下构造检测 (60)

3.2.1 倾斜构造模型及检测方法 (60)

3.2.2 倾斜构造模型反演结果分析 (62)

3.2.3 隆起构造检测分析 (67)

3.2.4 凹陷构造检测分析 (69)

3.3 三维层状介质模型低速层参数反演 (70)

3.3.1 三维均匀层状介质模型和反演模型 (71)

3.3.2 响应波形及预处理方法 (72)

3.3.3 检测层反演计算分析 (74)

3.4 本章小结 (76)

第四章多层层状介质反演计算分析 (77)

4.1多层层状介质未知参数分析 (77)

4.1.1 模型建立与检波器布置 (77)

4.1.2 介质层厚度组合收敛性分析 (80)

4.1.3 介质层剪切波速组合收敛性分析 (82)

4.1.4 剪切波速组合反演计算 (83)

4.2 多层层状介质弹性波全波形反演 (85)

4.2.1 多层层状介质模型 (85)

4.2.2 反演计算深度 (88)

4.2.3 多层层状介质模型反演计算 (89)

4.3 本章小结 (91)

第五章复杂介质模型反演计算分析 (92)

5.1 水平向不均匀介质模型分析 (93)

5.1.1 模型建立 (93)

ii

目录

5.1.2 反演计算分析 (94)

5.2 三维介质模型缺陷检测分析 (96)

5.2.1 模型及检测方法 (96)

5.2.2 反演计算分析 (98)

5.3 复杂介质模型分析 (101)

5.3.1 模型及检测方法 (101)

5.3.2 反演计算分析 (103)

5.3 本章小结 (105)

第六章天津海河沉管隧道注浆施工效果检测 (107)

6.1 天津海河沉管隧道工程 (107)

6.1.1 工程概况 (107)

6.1.2 沉管隧道注浆施工工艺 (109)

6.1.3 注浆效果检测方法比选 (110)

6.2 现场数据采集及提取 (112)

6.2.1 数据采集系统简介 (112)

6.2.2 现场数据采集及响应波形 (114)

6.2.3 现场采集数据处理 (115)

6.3 冲击映像法定性判断 (116)

6.3.1 冲击映像法原理 (116)

6.3.2 冲击映像法时频分析 (117)

6.4 注浆效果检测评价 (120)

6.4.1 计算模型假定及约束条件 (120)

6.4.2 采集波形预处理 (122)

6.4.3 反演计算结果 (122)

6.5 注浆不均匀区域检测结果 (127)

6.6 本章小结 (130)

第七章高速铁路线下结构检测试验 (131)

7.1 无砟轨道缺陷病害调查分析 (131)

7.1.1 CA砂浆层调查 (132)

7.1.2 轨道基床层调查 (133)

7.2 无砟轨道基床层缺陷检测 (134)

7.2.1 试验模型及预制 (134)

iii

上海交通大学博士学位论文

7.2.2 测线布置与数据采集 (135)

7.2.3 反演计算模型 (137)

7.2.4 反演计算结果 (139)

7.3 高速铁路模型病害缺陷检测 (143)

7.3.1 高速铁路模型与测线布置 (143)

7.3.2 采集波形与表面波分析 (144)

7.3.3 反褶积方法与计算模型 (145)

7.3.4 反演计算结果 (147)

7.4 本章小结 (149)

第八章结论与展望 (151)

8.1 主要结论 (151)

8.2 进一步研究的建议 (153)

参考文献 (155)

攻读博士学位期间的发表论文及研究成果 (169)

发表论文 (169)

获得专利 (169)

iv

第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1课题课题研究目的与意义研究目的与意义

弹性波全波形反演是岩土工程领域的一个较新的无损检测手段。具体来说，它向地下介质或目标结构激发弹性波，并在其表面或适当位置接收弹性波响应信号，通过对这些响应波形信号的分析，如响应波形的曲线特征、响应振幅、初至时刻、频谱特性、频散曲线等，依据波形信号的整体直接反演计算，获得岩土工程介质及地下结构的物理力学参数，比如介质的密度、厚度、纵、横波速度等，并进一步揭示被检测对象的构造特性以及是否存在缺陷或不均匀性等[1-2]。

弹性波全波形反演利用完整的波场信息进行反问题求解，它综合考虑了弹性波在介质内的反射、透射、散射等响应特征，在数据处理和反演计算过程中，人工干预较少，针对性强，能有效减少人工处理引起的信号畸变；另外，在数据采集的过程中准确记录多分量的震动特征，得到P 波、S 波、瑞利面波等完整的弹性波场信息，同时，也能实现对低频信号的采集和保护，因而对模型介质参数值的估计更加可靠；而且，反演计算的目标参数信息丰富且结果是定量化的，具有对介质模型精确刻画反演的潜力[3]。

目前弹性波全波形反演在岩土工程中已经得到一些初步的应用。Grechka 等[4]将土体介质中P 波和P_S 转换波混合作为反演波形，成功获得了土体的各项异性参数。Brossier 等[5]改进了以往单个频率段反演方法，引入多尺度的概念，从低频率段波形到高频率段逐步修正初始模型，获得了定量化的较高分辨率的目标介质结构的参数信息。Tran 和McVay [6]将弹性波全波形反演方法应用于埋深较浅的含波速异常层的地下介质检测中，在最大半波长深度范围内准确揭示了“高-低-高”波速地层的构造，而类似的地下介质构造恰恰是瑞利面波法所遇到的困难。张繁昌等[7]利用采集到的各向全波形地震数据和旅行信息进行了时间域全波形反演，其反演得到的纵波速度，横波速度和介质密度可用于指导地层岩性的识别。

弹性波全波形反演应用于解决岩土工程具体问题的思路和方法最早来源于地震学和地球物理勘察领域。它们之间有许多基本的共同点，都是以弹性波场作为媒介，反演模型经过数学简化后在一定程度上相似且反演介质的目标物性参数相同[8-9]。因此其中许多模型简化方法、反演计算方法及计算规律都值得借鉴。比如在模型简化的过程中，都需要通过未知参数敏感度分析来确定过度简化造成的不适定性以及反演计