Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
-
Upload
safet-dzajic -
Category
Documents
-
view
237 -
download
0
Transcript of Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
1/81
1. Uvod
Prilikom izrade geotehnikog elaborata temeljenja ili izvoenja nekog
drugog geotehnikog zahvata potrebno je poznavati parametre tla ili stijene na
mjestu izvoenja i u neposrednoj okolici izvoenja zahvata. Klasina metoda
prikupljana parametara se sastoji od buenja sondanih buotina i
laboratorijske analize izbuenih uzoraka (Prilog 1.. !aboratorijskom analizom
odreuje se klasi"ikacija tla i mehanika svojstva. #sim laboratorijskom
analizom$ mehanika svojstva se mogu odrediti sa vie vrsta penetracijskih
pokusa (%P&$ 'P i dr.. )ua*e garniture naje*e se nalaze u sklopu nekog
teretnog vozila ali i kao zaseban stroj su velikih dimenzija. +bog toga je
potrebno osigurati njihov pristup na teren. #sim terenskih strojeva potrebno je
imati i opremljeni geotehniki laboratorij. ,dometar i aparat za direktno smicanje
samo su neki od ve*ih (skupljih potrebnih ureaja. -z svu tu tehnologiju
potrebni su i visokoobrazovani i iskusni strunjaci koji se znaju njome koristiti.
lternativa klasinoj metodi su geo"izike metode. Postoje razliite vrste
geo"izikih metoda a razlikuju se po tome to mjere razliita svojstva tla
(elastina$ magnetska$ elektrina$ radioaktivna i dr.. /ajvanije geo"izike
metode su seizmike geo"izike metode. /jihovim istraivanjem i primjenom
bavi se najvie geo"iziara i drugih znanstvenika. &akoer$ u njih se u svijetu i
ulae najvie "inancija (&el"ord$ et al.$ 100..
%eizmika re"leksija i re"rakcija koriste longitudinalne (P valove jer ih je
najlake generirati$ a poto su i najbri$ i najlake registrirati (%heri"" i 2el"ord$
1003.. Kod geotehnikih i seizmikih istraivanja potrebno je poznavati brzinukretanja posminih (% valova (4s jer o njoj najvie ovise modul smicanja (2 i
5oung6ov modul (, (%uto$ 78. (Prilog 7. koji se koriste pri projektiranju
konstrukcija. Prema tome$ brzina posminih valova (4s predstavlja osnovni
geomehaniki parametar.
)rzina % valova blizu povrine terena moe se utvrditi sa re"rakcijskim
seizmikim istraivanjima. Pri ovoj vrsti istraivanja koriste se horizontalni
1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
2/81
geo"oni i poseban nain generiranja posminih valova. 9edan od naina je
udaranjem eki*a po bonoj strani metalne ploe koja je vrsto usidrena u tlo.
ko na terenu imamo ve* gotove buotine$ brzina % valova moe se odrediti
mjerenjima u jednoj buotini (down-holei up-holemetode ili mjerenjem u dvije
buotine (cross-holemetoda. %eizmike re"rakcijske metode sa mjerenjem %
valova su razmjerno teke i dugotrajne a mjerenja u buotinama zahtijevaju i
skupo buenje.
- zadnjem desetlje*u razvila se nova metoda imena viekanalna analiza
povrinskih valova (:%; 6 Multi-Channel Analysis of Surface Waves koja pri
utvrivanju raspodjele brzine posminih valova ima mnogo prednosti s obzirom
na ustaljenu metodu re"rakcijske seizmike ili mjerenjem u buotinama (Park etal.$ 1000.. -potreba rezultata viekanalne analize moe se i iskoristiti u
podruju seizmologije. %eizmika mikrorajonizacija je podruje u kojemu se
najvie koriste brzine posminih valova do nekoliko desetina metara dubine. -
,uropi je$ u seizmikoj mikrorajonizaciji$ prihva*en europski standard za
klasi"ikaciju tla ,urokod < (,= projektiranje konstrukcija otpornih na potres
(=,/$ 7?.. Prema njemu se tla klasi"iciraju u sedam tipova koji su opisani
stratigra"skim pro"ilom i sa tri parametra@ srednjom brzinom posminih valova nagornjih A metara tla (4s$A$ brojem udaraca standardnog penetracijskog pokusa
(/spt i nedreniranom posminom vrsto*om (cu. )rzina posminih valova (4s$A
je najvaniji parametar. -potreba standarda ,urokoda < u poetku je bila
ograniena nedostatkom geo"izikih podataka o brzini posminih valova.
- ovome istraivanju prvenstveno je stavljen akcent na spektralnu
analizu povrinskih valova (%%; i :%;. -z ove metode koritena je$ radi
usporedbe zalijeganja pojedinih slojeva$ i re"rakcijska seizmika sa mjerenjem
brzina P i % valova. &akoer je i provedeno ispitivanje standardnim
penetracijskim pokusom (%P& i pokus sa tekom udarnom sondom ('P. Bz
izmjerenih podataka izvedena je korelacija izmeu brzine posminih valova i
broja udaraca %P& pokusa$ kao i korelacija izmeu %P&6a i 'P6a. +a
neposredan uvid stanja u tlu izbuena je i jedna buotina. %va mjerenja
izvedena su na lokaciji 4aradinskog vodocrpilita (Prilog A..
7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
3/81
2. Geofizike metode
2.1. MASW
:%; ili viekanalna analiza povrinskih valova je seizmika geo"izika
metoda koja se bavi procjenom krutosti tla. Prilikom razliitih geotehnikih
problema :%; se moe koristiti u raznim oblicima ovisno o problemu i to u@
jednoj dimenziji (1' ili sondiranje(%lika 1.C dvije dimenzije (7' ili tomogra"ija
(%lika 7. i u tri dimenzije (A' ili modeliranje stvarnosti (%lika A.. #va metoda je
uvedena u geo"izika istraivanja u kasnim devedesetim godinama prolog
stolje*a (Park et al.$ 1000. i od tada se je postala predmet istraivanja mnogihgeo"iziara i drugih znanstvenika te je nala primjenu u mnogim granama
znanosti.
Slika 1. Primjer 1 MASW !Preu"eto sa www.masw.com#.
2.1.1. Povijesni razvoj
%am poetak koritenja povrinskih valova u geo"izikim istraivanjima
see unatrag ezdesetak godina. 4an der Pol (1031. i 9ones (1033. prvi su
koristili metodu stacionarnog stanja. #na se bazirala samo na promatranju
povrinskih DaEleigh6ovih valova i analizi osnovnog moda (:. %ve ostale
vrste povrinskih valova (vii modovi i prostorni valovi bili su zanemareni. &a
metoda se dalje razvijala i nazvana je metodom kontinuiranog povrinskog vala
(=%; > Continuous Surface Wave method (:attheFs et al.$ 100G.(Prilog ?..
- meuvremenu je 1001. godine &okimatsu et al. unaprijedio teoriju inverzije
A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
4/81
tla. #d samih poetaka koritenja povrinskih valova$ kolnike konstrukcije su
se pokazale sloenijim za prouavanje od tla (%ezaFa$ 10A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
5/81
modeliranje pro"ila sa razliitim parametrima (4s$ 4p$ h$.... #va tri koraka su i
danas aktualni model analize povrinskih valova. %vaki od njih predstavlja
zasebni problem u analizi i svaki od njih je aktualna tema istraivanja mnogih
znanstvenika. #sim modeliranja pro"ila tla (uglavnom brzinom irenja posminih
valova 4s$ povrinski valovi su nali i primjenu u otkrivanju ispod povrinskih
anomalija. %amo neki od autora koji se bave ovom tematikom su 2ucunski et
al.$ 100G.C Park et al.$ 100
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
6/81
2.1.2. Povijest pristupa s dva prijamnika (SASW)
#vu metodu s dva prijamnika su razvili istraivai na %veuilitu u
&eHasu$ ustin$ u ranim osamdesetim godinama. #na se bazira na analizi
"aznog spektra povrinskih valova pomo*u Iourierove trans"ormacije. 4alovi sugenerirani pomo*u eki*a. )rzo je postala popularna metoda meu
istraivaima i geotehniarima. :etoda je nazvana spektralna analiza
povrinskih valova ili %%; (eiseE et al.$ 10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
7/81
kontinuiranog povrinskog vala (=%; metoda. /akon toga uslijedila su mnoga
istraivanja na %veuilitu u &eHasu@ /azarian et al.$ 10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
8/81
2.1.. Povijest vi!ekana"no# pristupa (MASW)
:%; metoda je postala popularna meu geotehnikim inenjerima
poetkom ovog stolje*a. Pojam :%; potjee iz publikacije Park et al.$ 1000.
objavljene u +eophysics. Projekt istraivanja ove metode zapoeo je sredinom
devedesetih godina na Kansas 2eological %urveE (K2%. 2eo"iziari su
zapravo htjeli upotrijebiti metodu seizmike re"leksije$ metodu koja se dugo
koristila za otkrivanje na"te na dubini od nekoliko kilometara$ u inenjerske
svrhe. :etodu su nazvali seizmika re"leksija visoke rezolucije i koristila se za
plitke dubine do 1m. +animljivo je da su u to vrijeme povrinski valovi
predstavljali najve*e smetnje na seizmikim snimkama te su se trebali "iltrirati
pod svaku cijenu.
K2% je poeo upotrebljavati metodu povrinskih valova sredinom
devedesetih godina. 2lavni cilj im je bio iskoristiti metodu povrinskih valova sa
vie prijamnika u geotehnikim projektima. :etoda sa vie prijamnika se u
zadnjih pedesetak godina pokazala vrlo uinkovitom u otkrivanju zemljinih
resursa. %%; metoda je ve* bila dobro prouena i zakljuili su da su svojstva
povrinskih valova mnogo sloenija nego se pretpostavljalo. )ilo je oito da jemetoda sa dva prijamnika dosegla svoje granice. Koriste*i seizmike podatke iz
prolosti i injenicu da broj prijamnika direktno utjee na mogu*nosti metode$
&el"ord et al.$ 108G.C Dobinson i &reitel$ 10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
9/81
2.1.$. Povr!inski va"ovi
Bzazivanjem seizmikih valova u beskonanom$ homogenom$ izotropnom
mediju javljaju se samo P i % ili prostorni valovi. Kada se medij ne prostire u
beskonanost u svim smjerovima mogu se izazvati i druge vrste valova. &i se
valovi nazivaju povrinski valovi jer se ire po povrini zemlje (ili u neposrednoj
blizini povrine$ dok se prostorni valovi ire kroz cijelo tijelo zemlje. ko se za
izazivanje seizmikih valova koriste vertikalni izvori poput eki*a ili drop-
wei*htanastaje vrsta povrinskih valova koji se nazivaju DaEleighovi valovi. #ni
se esto nazivaju i valjanje tla (*round roll radi geometrije njihova kretanja.
DaEleigh6ovi valovi su povrinski valovi pa se kre*u po povrini zemlje.#p*enito$ povrinski valovi mogu jedino nastati u mediju sa slobodnom
povrinom. Kretanje DaEleigh6ovih valova sastoji se od longitudinalnog i
transverzalnog kretanja sa meusobnim odnosom u "azi. Kretanje estica je
ogranieno na vertikalnu os$ koja ukljuuje smjer irenja vala. &ijekom prolaska
vala$ estica prelazi eliptiku putanju kojoj je velika poluos vertikalna (kada je
val blizu povrine. %mjer kretanja estica po elipsi se naziva retrogradan jer je
suprotan kretanju estica na povrini vode (%lika 3..
Slika 2. Smjer kretanja 3aylei*h-ovo* vala.
0
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
10/81
4ano svojstvo koje imaju povrinski valovi naziva se disperzija.
'isperzija znai da valovi razliite valne duljine imaju razliitu dubinu prodiranja
i prema tome razliitu brzinu irenja (%lika G.. )rzina pri pojedinoj "rekvenciji se
naziva "azna brzina. 4alovi velike valne duljine (male "rekvencije se ire bre a
valovi male valne duljine (velike "rekvencije se ire sporije. Krivulja koja
prikazuje "aznu brzinu u ovisnosti o "rekvenciji naziva se krivulja "azne brzine ili
disperzijska krivulja. Prostorni valovi nemaju ovo svojstvo.
Slika 4. isper"ija povr)inskih valova !Preu"eto i" ayashi, $55%.#
)rzina irenja DaEleigh6ovih valova (4r$ ili "azna brzina$ najvie ovisi o
brzini posminih (% valova (4s u mediju$ a u skoro neznatnoj mjeri o brzini
kompresijskih (P valova (4p$ gusto*i medija ( i Poisson6ovog koe"icijenta (L.
Prema tome$ brzina irenja DaEleigh6ovih valova dobar je pokazatelj brzine
posminih valova (4s. )rzina DaEleigh6ovih valova (4r neto je manja od
brzine posminih valova (4s a njihov odnos ovisi o Poisson6ovom koe"icijentu
(L. +a L M .73 pretpostavlja se da brzina DaEleigh6ovih valova (4 r iznosi
.074sili 07N brzine posminih valova (%tokoe et al.$ 100?.$ a za cijeli raspon
Poisson6ovog koe"icijenta od ( > .3 taj odnos se mijenja od .
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
11/81
,nergiju generiranu iz vertikalnih izvora u najve*oj mjeri preuzimaju
povrinski valovi i to vie od 7OA energije (G8N. 'akle generiranje i snimanje
povrinskih valova je najlake izmeu svih vrsta seizmikih valova.
Karakteristike povrinskih DaEleighovih valova@
Iazna brzina je ovisna o brzini % valova.
Iazna brzina je . .03 brzine % valova.
Dazlika u valnoj duljini uzrokuje razliitu dubinu promatranja.
Pove*ana uinkovitost energije izvora@
o Povrinski valovi@ G8N$
o % valovi@ 7GN$
o P valovi@ 8N.
!aki su za promatranje.
:ogu*e je promatrati sloj nie brzine ispod sloja ve*e brzine.
11
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
12/81
Slika /. Prika" mjerenja i anali"e podataka sa aktivnom MASW
metodom !Preu"eto i" Park et al., $55/.#
17
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
13/81
2.1.%. Postupak izrade &sprofi"a
Proces generiranja pro"ila brzina posminih valova (4 s se sastoji do tri
glavna koraka (%lika 8.@
1. Prikupljanje podataka povrinskih valova na terenu.
7. #brada podataka da se dobije disperzijska krivulja (dijagram odnosa
"rekvencije i "azne brzine.
A. Bnverzija ili izraun brzine irenja posminih valova iz DaEleigh6ovih
valova
2.1.5.1. Prikupljanje podataka
Postoje dvije vrste :%; metode@ aktivna i pasivna. Prikupljanje
podataka na terenu je razliito za ove dvije metode. - daljnjem tekstu je
prikazan postupak prikupljanja podataka aktivnom :%; metodom (%lika 0..
4e* po samome imenu ove metode moe se zakljuiti da se kao izvor
seizmikog vala koristi neki aktivni izvor$ naje*e eki* ili drop-wei*ht.:aksimalna dubina istraivanja (+maH ovisi o vrsti izvora seizmikog vala te se
kre*e u rasponu od 1 > A m. Povrinske valove najbolje je generirati na
ravnome terenu unutar duljine barem jednoga geo"onskoga rasporeda ('. ko
imamo ovakav sluaj na terenu$ njegova topogra"ija ne bi smjela utjecati na
kompletan pro"il istraivanja. Problem u generiranju povrinskih valova mogu
predstavljati promjene dimenzija relje"a ve*e od 1N duljine geo"onskog
rasporeda ('.
7.1.3.1.1. Bzvor seizmikog vala
/ajve*a dubina istraivanja (+maH ovisi o najve*oj valnoj duljini
generiranih povrinskih valova (!maH. Delacija izmeu ova dva parametra je
sljede*a@
+maH .3 !maH.
1A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
14/81
/ajve*a valna duljina (!maH pak ovisi o udarnoj snazi seizmikog izvora.
- aktivnoj metodi je to ve* prije spomenuti udar eki*em dok u pasivnoj metodi
to moe biti prijelaz automobila preko neravnine na cesti. -glavnom$ sa ve*om
udarnom snagom izvora postiu se ve*e valne duljine a sa time se i pove*ava
maksimalna mogu*a dubina istraivanja. +a neka jednostavnija istraivanja
eki* od nekih desetak kilograma moe predstavljati dobar izbor. ko su za
istraivanje potrebne nie "rekvencije (ve*e valne duljine kao izvor seizmikog
vala moe se koristiti drop-wei*ht. #n ima ve*u snagu od eki*a ali je ujedno i
skuplji i potrebno je organizirati pristup na teren poto se naje*e nalazi u
sklopu nekog teretnog vozila. %ljede*a toka u generiranju povrinskih valova je
ploa preko koje se prenosi udarac u tlo. Koliko ona utjee na generiranje
povrinskih valova nije detaljnije istraivano. /aje*e se koriste metalne ploe
ali se pokazalo da i ploe koje nisu metalne (npr. od tvrde gume mogu
proizvesti ve*u energiju povrinskih valova na niim "rekvencijama (npr. Q
1z. Preporuuje se stekiranje podataka ili slaganje podataka na stog sa vie
udaraca da bi se smanjio utjecaj smetnji$ poglavito ako se radi u urbanom
podruju. #ptimalni broj stekiranja *e se odrediti iz seizmike snimke i to kada
se vie ne vidi promjena u odnosu signal > smetnja (engl. signal6to6noise ratio >
%O/. /aje*e se koriste A > 3 stekiranja. &aj broj bi se trebao pove*ati ako se
radi u bunoj okolici ili ako se pove*ava duljina geo"onskog rasporeda.
7.1.3.1.7. Prijamnici
- :%; metodi mogu se koristiti samo vertikalni geo"oni. Preporua se i
koritenje geo"ona sa niskom "rekvencijom (npr. ?.3 z. 'odue$ to toliko ne
utjee na kvalitetu snimanja kao u na primjer re"leksivnoj seizmici. %a ?.3 z
geo"onima snimljeni su i analizirani povrinski valovi do ?3 z (:iller et al.$
1000.. #sim klasinog postavljanja geo"ona danas se i sve e*e koriste land
streamer6i kojima je mogu*e brzo prikupljanje podataka.
7.1.3.1.A. 2eometrija snimanja
'uljina geo"onskog rasporeda (' direktno utjee na najve*u valnu
duljinu (!maH koju je mogu*e analizirati a sa time i najve*u dubinu istraivanja
1?
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
15/81
(+maH. 'uljini geo"onskog rasporeda trebala bi biti najmanje jednaka ili ve*a od
najve*e eljene dubine istraivanja (+maH@
' M m +maH(1 R m R A.
Kako i ' utjee na +maH$ tako i razmak izmeu dva susjedna geo"ona (dH utjee
na najmanju valnu duljinu (!min a sa time i na najmanju duginu istraivanja
(+min@
+minM k dH (.A R k R 1..
2lavni "aktor koji u praksi utjee na !maH(a sa time i na ' je izvor seizmikog
vala (%lika
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
16/81
7.1.3.1.?. Postavke snimanja
Bnterval uzorkovanja od jedne milisekunde (dt M 1 ms sa ukupnim
vremenom snimanja od jedne sekunde (& M 1 s su naje*e koriteni
parametri. ko se planiraju koristiti i prostorni valovi (re"leksijski i re"rakcijski
valovi preporuuje se vrijeme uzorkovanja smanji (npr. dt M .3 ms. - sluaju
malih brzina posminih valova (4sQ 1 mOs logino je da je potrebno produiti
vrijeme snimanja (npr. & M 7 s. 'ue vrijeme snimanja se takoer preporuuje
ako se koristi dulji geo"onski raspored ( ' S 1 m. Predugo vrijeme snimanja
(& T 3 s se ne preporuuje jer se pove*ava vjerojatnost da se snime i okolne
smetnje (npr. promet. ko se umjesto 7? kanala koristi ?< kanala bolje je
smanjiti razmak izmeu dva susjedna geo"ona (dH nego pove*avati ukupnuduljinu geo"onskog rasporeda ('.
Slika . Snimka sa terena koja prika"uje domet iskoristive udaljenosti
od i"vora !Preu"eto sa www.masw.com#
1G
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
17/81
Slika-.Shematskiprika"prikupljanjapodat
akaaktivnomMASWmetodom!Preu"etosawww.masw.com#
18
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
18/81
#ptimalni parametri prikupljanja podataka na terenu su opisani i u Park
et al.$ 77. (Prilog 3. :eutim ona se cijelo vrijeme korigira kako istraivai na
terenu dolaze do novih podataka.
2.1.5.2. Disperzijska analiza
7.1.3.7.1. 'isperzijska krivulja
'isperzijska krivulja je dijagram podataka "rekvencija i "aznih brzina.
#dreivanje tone disperzijske krivulje najvaniji je dio analize jer iz nje
proizlazi pro"il irenja posminih valova.
Karakteristike disperzijske krivulje@
1. 'isperzijska krivulja mora biti glatka zakrivljena linija ili ravna linija
(%lika 1.
Slika 15.Primjer *latkih disper"ijskih krivulja !Preu"eto i" ayashi,
$55%.#
1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
19/81
7. 'isperzijska krivulja prikazuje prosjenu brzinu modela ispod mree
geo"ona. /e moe imati skokove (%lika 11..
Slika 11.Postepeno mijenjanje disper"ijske krivulje !Preu"eto i"
ayashi, $55%.#
A. 'isperzijska krivulja moe ukljuivati i vie modova (ne koriste se za
analizu(%lika 17..
Slika 1$. isper"ijska slika sa vi)im modovima !Preu"eto i" ayashi,
$55%.#
10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
20/81
?. 'omet "rekvencija ogranien je najmanjim razmakom izmeu dva
geo"ona i duljinom cijelog geo"onskog rasporeda(%lika 1A..
Slika 1%. 7*rani6enje frekvencija na disper"noj krivulji !Preu"eto i"
ayashi, $55%.#
7.1.3.7.7. :etoda "aznog pomaka
%nimka sa / kanala rije de"inirana kao polje / tragova prikupljenih sanekom od metoda. #na se najprije brzom Iourierovom trans"ormacijom (II&
ralanjuje na komponente pojedine "rekvencije (II&UriV M Di(W (i M 1$7$...$/.
Di(W se moe napisati kao produkt amplitude$ i(W$ i "aze Pi(W@
Di(W M i(W Pi(W.
i(W se mijenja i sa udaljeno*u (i i sa kutnom "rekvencijom (W zbog s"ernog
irenja$ priguenja i spektralnih karakteristika izvora. Pi(W je izraz koji jeodreen "aznom brzinom (c pojedine "rekvencije@
gdje je@
7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
21/81
ko se uzme jedna odreena "rekvencija do D i(W (npr. 7 z$ njezin prikaz u
vremenskoj domeni *e biti polje sinusoidnih krivulja iste kutne "rekvencije$ ali
razliite amplitude i "aze. Kako amplituda ne sadri nikakve podatke vezane uz
"aznu brzinu$ Di(W moe biti normaliziran bez gubljenja vanih in"ormacija@
Di$ norm(W M Di(WOXDi(WX M Pi(W$ (W M 7Y".
/a slici 1?a. prikazano je polje normaliziranih sinusoidnih krivulja za proizvoljnu
krivulju od 7 z koje se ire proizvoljnom brzinom od 1? mOs. %inusoidne
krivulje na slici imaju istu "azu na nagibu (% "azne brzine 1? mOs$ ali imaju
drugaiju "azu na nagibima drugih "aznih brzina. Prema tome$ ako se krivulje
zbroje zajedno unutar nekog konanog vremena (npr. jedne periode uzdu
nagiba %$ dobije se nova sinusoidna krivulja konane duljine ija amplituda (s
je /. ko se sumiranje vri du nekog drugog nagiba amplituda s*e biti neto
manja od /. #vo naelo je glavni element disperzijske analize u :%; metodi.
- praksi sumiranje se moe provoditi na nain pretraivanja uzdu mnogih
nagiba razliitih "aznih brzina pri emu se ona mijenja u malim inkrementima
(npr. 3 mOs unutar odreenog raspona (npr. 1 mOs > 3 mOs. Dezultat svakog
sumiranja prikazan kao amplituda (s sumiranih krivulja moe biti prikazan kao
dijagram (npr. odnos "azne brzine i s (%lika 1?b.. - tome dijagramu "azna
brzina koja ima najve*u amplitudu (s$maH je tona traena vrijednost. Kako je i
prikazano na slici 1?b. krivulja ima jedan vrh sa amplitudom s$maH i mnogo
manjih vrhova na obje strane. #trina ovog glavnog vrha utjee na razluivost i
tonost analiziranog disperzijskog odnosa. 4e*i broj / tragova dati *e i ve*u
otrinu vrha si tonije oitanje "azne brzine. #vaj e"ekt je prikazan i na slici
1?b. za vrijednosti / od 7$ 7 i
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
22/81
#vo je "azni termin koji se pove*ava sa udaljeno*u (H i odreen je testnom
"aznom brzinom (c& unutar raspona pretraivanja. s(c& je kompleksni broj ija
je apsolutna vrijednost (Xs(c&X jednaka amplitudi (s sumirane sinusoidne
krivulje u vremenskoj domeni.
Slika 1&. !a#Povr)inski val proi"voljne frekvencije od $5 " i
proi "vol jne fa"ne 'r "ine os 1&5 m8s9 !'# kr ivulje sumi ran ih amplituda
"a ra"li6iti 'roj tra*ova !Preu"eto i" Park et al., 1'.#
Kada irenje seizmikog vala izaziva vie modalna svojstva (ukljuivanje
i viih modova ili ukljuuje i druge vrste valova (npr. prostorni valovi zajedno sa
povrinskim valovima$ moe postojati vie razliitih brzina na istoj "rekvenciji.
#vaj sluaj se moe tretirati kao linearna superpozicija svakog pojedinog
sluaja sa jednom brzinom na odreenoj "rekvenciji. ko postoji osnovni mod
(: i jedan vii mod (:1 na istoj "rekvenciji$ izmjereni val bi bio jednak kao
superpozicija dvije odvojene snimke. Kada bi se provelo traenje "azne brzinena toj viemodalnoj snimci rezultiraju*a krivulja bi bila ista kao superpozicijska
krivulja svake pojedine traene krivulje sa snimaka sa samo jednim modom. -
ovome sluaju superpozicioniranje ukljuuje i uvijet snienja amplitude odreen
raspodjelom relativne energije izmeu dva moda. +bog toga i dva vrha na slici
13. imaju razliite amplitude.
Slika 12. !a# :omponenta povr)insko* vala na $5 " "a osnovni mod
!M5#9 !'# prvi vi)i mod !M1#i !c# njihov "'roj. !d# ;ndividualne krivulje
77
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
23/81
sumpiranih amplitudaod !a# i !'#9 i !e# suma tih krivulja !Preu"eto i"Park et al., 1'.#.
2.1.5.3. Inverzija
- znanosti inverzija op*enito predstvavlja traenje uzroka za neki rezultat
kada nam je on ve* poznat. Pojam suprotan inverziji je kada se iz nekih uzroka
pokuava predvidjeti rezultat i esto se naziva modeliranje. Proces inverzije
naje*e ukljuuje i nekoliko koraka modeliranja da bi se otkrili potencijalni
7A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
24/81
kandidati za uzroke. Bnverzija moe biti jedinstvena$ kada postoji samo jedno
rjeenje ili nejedinstvena ako postoji vie rjeenja. &akoer inverzija moe biti
linearna ako je odnos izmeu uzroka i rezultata linearan tj. ako mala promjena
uzroka stvara i male promjene rezultata$ i nelinearna ako mala promjena uzroka
moe dovesti do velike promjene rezultata.
2ledaju*i kroz povijest$ inverzija povrinskih valova je znaila procjenu
svojstava tla iz izmjerenih podataka povrinskih valova (%lika 1G.. Procjenjuju
se elastina svojstva tla meu velikim brojem drugih svojstava tla (npr.
elektrina$ magnetska. Pri procjeni se mogu koristiti i razliiti podaci od valne
snimke sa terena$ disperzijske slike$ disperzijske krivulje ili preliminarni 7' pro"il
posminih brzina (4s a odabir zavisi od izabrane metode inverzije. )ez obzirakoji izvor podataka se koristio$ inverzija povrinskih valova se ne moe direktno
rijeiti nego je potrebno koristiti neku od tehnika optimizacije da bi se dolo do
najvjerojatnijeg rjeenja iz beskonanog broja mogu*ih rjeenja. &e tehnike
mogu imati deterministiki ili sluajni pristup ili njihovu kombinaciju. :odeliranje
"enomena povrinskih valova naje*e je jedinstven proces.
Slika 14. !a# Snimka sa terena9!'#disper"ijska slika9 !c# disper"ijska
krivulja9 !d# $
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
25/81
,lastina svojstva tla se naje*e prikazuju sa nekoliko neovisnih
parametara koji se nazivaju moduli elastinosti (npr. 5oung6ov modul$ modul
smicanja$ modul kompresije...(Prilog G.. - praksi se oni prikazuju sa lake
mjerljivim "izikim osobinama tla kao to su brzina P i % valova (4p i 4s i
gusto*a ($ pri emu su 4p i 4s teoretski izvedene kao kombinacija modula
elastinosti i gusto*e. Kada se op*enito govori o 4 p$ 4si kao svojstvima tla$
misli se na uslojeni model tla koji se koristi u seizmikim metodama. :eu tim
svojstvima$ iz inverzije podataka povrinskih valova pretpostavlja se brzina
posminih valova (4s. )rzina posminih valova najvie utjee na oblik
disperzijske krivulje osnovnog moda (:$ iji se podaci koriste u inverziji.
2lavni princip u obradi podataka povrinskih valova je da se trai teorijska
krivulja osnovnog moda (:$ a sa time i struktura brzina posminih valova u
tlu$ koja najbolje odgovara konstruiranoj (eksperimentalnoj ili izmjerenoj krivulji
osnovnog moda (:. Kao to je ve* spomenuto$ brzina posminih valova je
jedan od kritnih parametara u geotehnikom inenjerstvu jer je direktno
povezana sa 5oungovim modulom i modulom smicanja koji se koriste za
odreivanje krutosti i nosivosti tla.
Bzmjerena krivulja najvie je osjetljiva na promjene 4spo dubini dok selateralne promjene esto uprosjee tijekom obrade podataka. #vaj 1' model 4 s
se naziva i uslojeni model tla koji moe ukljuivati podatke o 4 p$4si ili samo
4s sa "isksiranim ostalim podacima. -slojeni model tla ne uzima u obzir
lateralne promjene kao neki proizvoljni model tla. - stvarnosti neka vrsta
lateralne promjene uvijek postoji ali metode povrinskih valova pretpostavljaju
uslojeni model tla te prikazuju takvu strukturu u jednoj dimenziji (dubini ispod
geo"onskog rasporeda$ to se i naziva sondiranje. Prilikom viekanalnog
prikupljanja podataka ovaj jednodimezionalni pro"il se pripisuje sredini
geo"onskog rasporeda na povrini terena. Prikupljanjem ve*eg broja 1' pro"ila
sa razliitim koordinatama na povrini mogu*e je konstruirati 7' pro"il 4s
koriste*i odreenu metodu interpolacije.
#va metoda inverzije koja se bazira na osnovnome modu (: da bi se
naao 1' pro"il 4s je naje*e koritena metoda inverzije u :%; metodi.
73
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
26/81
Postoje i ostale metode koje se koriste i istrauju i koje koriste druge vrste
podataka a ne samo krivulju osnovnog moda (:. #ne su@
multimodalna inverzija (Multimodal ;nversion
inverzija disperzijske slike (ispersion ;ma*e ;nversion
inverzija neobraenih podataka (3aw ata ;nversion
7' 4sinverzija ($
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
27/81
2lavni problem ove metode inverzije je na*i optimalnu tehniku
najvjerojatnijeg modela tla meu svim ostalim modelima. )liskost dvije krivulje
(teorijske i izmjerene pokazuje D:%, "aktor (engl. root6mean6sJuare error >
D:% error$ te *e konano rjeenje za 1' 4spro"il odabrati prema njegovoj
(najmanjoj vrijednosti. +a optimizaciju krivulje mogu se koristiti razliite metode
i to deterministika metoda najmanjih kvadrata (Zia et al.$ 1000. ili metoda
sluajnog odabira (%occo i )oier$ 7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
28/81
Slika 1. Shematski prika" multi modalne inver"ije !Preu"eto sa
www.masw.com#
7.1.3.A.A. Bnverzija disperzijske slike
Bnverzija disperzijske slike koristi podatke disperzijske slike ili spektra
"aznih brzina umjesto disperzijske krivulje i uop*e ne zahtjeva konstrukciju
disperzijskih krivulja (DaEden i Park$ 7G.C Iorbringer$ 7Aa.C 7Ab.. #vaj
pristup eliminira probleme krivog prepoznavanja modova ili probleme krianja
modova$ koji se javljaju u inverzijama baziranima na modovima i disperzijskim
krivuljama. Krivo prepoznavanje modova predstavlja uzimanje vieg moda kao
osnovnog ako je prikupljanje podataka i njihova daljnja obrada bila loa.
&akoer$ prvi vii mod (:1 moe zapravo biti drugi vii mod (:7. 'isprezijskakrivulja sa prepoznatim viim modom moe rezultirati u velikoj greci 4spro"ila
zbog nedostatka kompatibilnosti u inverziji kada se pokuavaju spariti teorijska i
izmjerena krivulja.
7.1.3.A.?. Bnverzija neobraenih podataka
#vaj inverzijski pristup koristi neobraenu viekanalnu snimku bez ikakve
daljnje obrade (npr. u disperzijsku sliku (Iorbringer$ 7Ab. #n uglavnom
7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
29/81
usporeuje kompletnu seizmiku valnu krivulju promatranu na razliitim
udaljenostima od izvora sa sintetski generiranom valnom krivuljom modeliranoj
po nekoj metodi. Prednosti ove metode su nepristranost koje nema kod obrade
podataka kao to je odreivanje disprezijske krivulje. :eutim$ ova metoda
usporedno rjeava probleme priguenja i raspodjelu energije na razliite
modove$ kao i svojstva pojedinih slojeva$ poto oni svi utjeu na oblik seizmike
valne krivulje.
7.1.3.A.3. 7' 4sinverzija
Pri ovoj metodi inverzije koristi se konano rjeenje (7' 4 spro"il neke
druge metode inverzije kao ulazni parametar druge "aze inverzije koja se temelji
na drugoj metodi modeliranja nego se prije koristila. %a pretpostavkom
uslojenog modela tla tijekom disperzijske analize gubi se uvelike na lateralnoj
razluivosti. 2lavni cilj ove metode je vratiti$ koliko je to mogu*e$ ovaj gubitak
provedbom neke metode modeliranja koja uzima u obzir i lokalnu promjenu
brzine posminih valova. &a metoda moe uzeti strukturu prije dobivenog 7' 4 s
pro"ila kao inicijalni model te uzeti u obzir lokalne promjene koje se nalaze na
pojedinoj snimci za auriranje odreenog dijela 7' 4s pro"ila koji odgovara
lokaciji geo"onskog rasporeda na povrini tijekom snimanja. #vo je iterativni
proces koji se moe ponavljati dok se ne pobolja pro"il do eljenog rezultata.
Dazvoj ove metode modeliranja uvjetovan je tonim uzimanjem u obzir razliitih
vrsta lokalnih promjena kao "azna i razlika amplitude izmeu poloaja
prijamnika te razvoj metode optimiziranja 4smodela. +a sada nije objavljen niti
jedan sluaj uspjene primjene ove metode.
Slika 1. Simulacija $
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
30/81
2.1.'. Primjena rezu"tata vi!ekana"ne ana"ize
povr!inski va"ova
2.1.6.1. Odreivanje dinamikih konstanti elastinosti stijene
#snovne konstante elastinosti stijene (,$ $ 2$ K mogu se utvrditi uz
pomo* registracije brzina seizmikih valova (vp i vs$ pa se zbog dinamikeprirode tih valova i dotini koe"icijenti nazivaju dinamikima i oznauju s , dEn i
KdEn. +a P i % valove brzine se mogu prikazati pomo*u "ormula@
=
=dyndyndyn
pv
dyndin
sv =
=
.
A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
31/81
/akon raunanja brzina P valova odreuju se debljine pojedinih naslaga$ a
poznavanjem brzina P i % valova mogu se izraunati vrijednosti dinamikog
Poisson6ovog koe"icijenta (. :jerenjem gusto*e medija ( i poznavanjem
brzina elastinih valova moemo izraunati dinamike vrijednosti 5oung6ovog
modula (,dEn$ dinamiki volumenski modul elastinosti ()dEn i dinamiki modul
posmika (2dEn.
ko oznaimo omjer brzina uzdunih i poprenih valova s a M
p
dobivamo@
2
=
vEd n =
v=
B
dyn
dyn=
Poisson6ov koe"icijent predstavlja odnos izmeu poprene i uzdune
de"ormacije medija. #bino se kre*e oko broja .73. :aksimalna teoretska
vrijednost koe"icijenta iznosi .3$ a minimalna praktina vrijednost se kre*e oko
.3.
A1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
32/81
Klasinim geo"izikim metodama$ poput seizmike re"rakcije$ veoma je
teko odrediti nailazak poprenog vala na seizmikom zapisu (% valovi putuju
sporije od P vala$ ali imaju ve*e amplitude na seizmogramu od P vala. -
nedostatku podataka dobivenih mjerenjem$ za Poisson6ov koe"icijent esto se
usvaja vrijednost iz literature dobivena u istim ili slinim materijalima. #vaj
problem je sada rijeen primjenom :%; metode.
A7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
33/81
Koriste*i se sljede*om "ormulom odnos izmeu seizmikih brzina i
Poisson6ovog koe"icijenta moe se prikazati na slijede*i nain@
p =
Bz "ormule je vidljivo da odnos seizmikih brzina ovisi samo o Poisson6
ovom koe"icijentu.
'ijagram odnosa seizmikih brzina i Poisson6ovog koe"icijenta prikazan
je na slici 7. Bz tog dijagrama mogu*e je jednostavno odrediti vrijednost
Poisson6ovog koe"icijenta ako su poznate brzine irenja valova (vpi vs.
AA
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
34/81
.3 .1 .13 .7 .73 .A .A3 .?
.
1.
7.
A.
?.
3.
G.
8.
.
4pO4s 4sO4p
Poissonov koe"icijent$ n
Slika $5. ija*ram odnosa sei"mi6kih 'r"ina i Poissonovo*
koeficijenta
+a potrebe geostatike analize koristi se statiki model elastinosti (,
dobiven prema Kujundi*u na osnovu korelacija dobivenih s dinamikim
modulom elastinosti (,dEn prema slijede*em izrazu@
3.5 dyn
yn
EE
=
A?
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
35/81
2.1.6.2. lasi!ika"ija tla prema #urokodu $
,urokod < razlikuje 8 tipova tla@ $ )$ =$ '$ ,$ %1i %7(&ablica 1.. Prema njemu
tipovi tla su opisani stratigra"skim pro"ilom i tri parametra@ srednjom brzinom
posminih valova na gornjih A metara tla (4s$A$ brojem udaraca standardnog
penetracijskog pokusa (/spt i nedreniranom posminom vrsto*om (cu. )rzina
posminih valova (4s$A je najvaniji parametar.
%rednja brzina posminih valova u gornjih A metara se izrauna prema
sljede*oj jednadbi@
gdje je hidebljina i6toga sloja i vibrzina i6toga od / slojeva koji se nalaze u
gornjih A metara.
&ablini pregled metoda koritenih za klasi"ikaciju tla pri seizmikoj
mikorajonizaciji sa njihovim mogu*nostima prikazan je u Prilogu 8.
=a'lica 1. :lasifikacija tla po >urokodu !C>?, $55&.#
ip t"a *pis strati#rafsko# profi"a vs+,(m-s) spt
(udar/i-,
/m)
/u(kPa)
A %tijena ili njoj sline geoloke "ormacije$
ukljuuju*i najvie 3 m slabijeg materijala na
povrini
S
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
36/81
pove*anjem mehanikih svojstava sa
dubinom %lojevi zbijenog ili srednje zbijenog pijeska$
ljunka ili vrste gline$ debljine od nekoliko
desetina do vie stotina metara
1 AG 13 > 3 8 673
Dastresiti do srednje zbijeni nevezani
sedimenti (sa ili bez mekanih kohezivnih
slojeva ili predominantno mekano do vrsto
kohezivno tlo
Q1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
37/81
%eizmika re"rakcija je metoda mjerenja vremena prvih nailazaka
elastinih valova koji se nastoje iriti kroz slojeve ve*ih seizmikih brzina.
'ananje se metode interpretacije temelje na projekcijama irenja valnih "ronti.
#snova tih metoda je konstrukcija hipotetske putanje irenja seizmikog
poreme*aja kroz geomedij za svaki primljeni signal koji stigne do geo"ona.
4remena irenja kroz pojedine slojeve$ kao i brzine u tim slojevima se optimiziraju
prema snimljenom signalu$ a konstruirana pretpostavljena putanja se
prilagoava prema mjerenim vrijednostima. Postupak se ponavlja dok se
postigne zadovoljavaju*a aproksimacija$ pa se potom odnos vremena i brzine
konvertira u vrijednosti dubine.
Kao izvor seizmikog vala u provedenim se istraivanjima koristio eki*mase 1 kg (%lika 71.. Bmpuls mase eki*a i prijenos energije udara preko
udarne ploe znatno ovisi o ostvarenom dobrom kontaktu ploe i podloge.
umus$ povrinski vlani glinoviti sloj i rastroeni stijenski materijali apsorbiraju
visoke "rekvencije seizmikog impulsa$ pa se tokom mjerenja treba osigurati
dovoljna razina energije izvora. Bzvor seizmikog vala je dinamiko optere*enje
na povrini ili u unutranjosti geomedija i moe nastati primjerice kao posljedica
potresa$ miniranja$ klizanja kosine$ odrona$ zabijanja pilota ili udarca eki*em.
%eizmiki valovi su po svojoj prirodi tranzijentni$ i sadre iroki spektar
"rekvencija$ no u praksi je opravdano seizmike valove smatrati harmonijskim$ pa
se stoga tretiraju kao sume osnovne "rekvencije i viih harmonika. 4al se moe
de"inirati i kao poreme*aj koji putuje kroz medij i prenosi energiju tog poreme*aja.
#bzirom na granine uvjete$ mogu se promatrati i analizirati seizmiki valovi u
neogranienoj elastinoj sredini i valovi u blizini granice elastinog poluprostora
(povrinski valovi. - neogranienoj elastinoj sredini seizmiki valovi mogu biti
dvojaki@ P valovi 6 uzduni kompresijski (dilatacijski 6 kontrakcijski i % valovi 6
popreni distorzijski (posmini (%lika 77..
-zduni P valovi su longitudinalni kao valovi zvuka$ dok su % valovi
transverzalni i polarizirani kao elektromagnetski valovi. P valovi izazivaju
progresivna i regresivna gibanja estica na pravcu irenja$ opisuju promjenu
volumena medija. Bmaju najve*u brzinu irenja i posebno su znaajni za
A8
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
38/81
seizmika istraivanja. % valovi nastoje promijeniti oblik strukture medija kroz koji
se ire$ djeluju*i posmino. %vojstveni su za vrste geomedije$ koji imaju
posminu vrsto*u$ pa su znaajni za seizmika istraivanja i primjenu u
geotehnici.
Primjena seizmikih metoda u istraivanju i odreivanju posmine vrsto*e
geomedija izvire iz kljune injenice da je brzina poprenog$ odnosno posminog
vala upravo ovisna o posminoj vrsto*i$ dok brzina uzdunog vala ovisi o tlanoj
vrsto*i. nalizom P i % valova mogu se odrediti dinamike konstante
elastinosti$ ali se takoer moe uspostaviti i vrlo otra i odreena distinkcija
izmeu razliitih geo6materijala$ koji imaju iste ili sline brzine uzdunih valova (
7. i tablica A..
Slika $1. Princip terensko* mjerenja 'r"ina sei"mi6kih valova plitko
sei"mi6kom refrakcijom
Slika $$. 7snovne vrste volumnih kompresijskih P i posmi6nih S
sei"mi6kih valova u *eomediju
=a'lica $.Prosje6ne 'r"ine P i S valova i *usto@e nekih *eomedija
GeomedijBrzina P vala[m/s]
Brzina S vala[m/s]
Gustoa
[Mg/m4 3]
Zrak 330 - -
ista voda 1450 -1510 - 1.00
A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
39/81
Rijena i jezerska voda 1430 - 1680 - -
Morska voda 1460 - 1530 - -
Povrinski materija 300 - 600 100 - 300 -
!ranit 4000 - 6100 "150 - 3350 ".6#
!a$ro 6550 3450 ".%8
&azat 5600 3050 3.00
'ija$az 5500 - #000 3000 - 4500 3.00
Pjeenjak 1800 - 4000 %15 - 3000 ".45
(ej "500 - 4"50 1000 - 3000 ".60
)a*nena+ "000 - 6100 1800 - 3800 ".65
!ina 1100 - "500 580 1.40
Pijesak, jnak 300 - 800 100 - 500 1.#0
Pijesak, jnak mokri/ 1500 - "#00 - 1.%3
a*ori 1800 - 3%00 1050 - "300 ".35
=a'lica %. r"ine P valova u nekim *eomedijima
tor2ooski,1%8#
non, 1%%5Parasnis,1%%#
stai
!eomedij &rzine zdni ii P vaova m7s
Povrinski materijai - - - 100-600
Pijesak 300-1"00 400-1000 "00-1000 300-800
Pijesak, satriran vodom 1100-1800 - 1500-"000 1500-"#00
(jnak 500-1500 - 300-"000 300-800
(jnak, satriran vodom 1500-""00 - 1500-"000 1500-"#00
!ina - 300-1800 1000-"500 1100-"500
!ina, satrirana vodom - - 1500-"500 -
a*or - - - 1800-"500
)a*nena+ - 500-6#00 3500-6500 "000-6100
'oomit - - 3500-6500 -
Rastroena sedimentnastijena
- 300-3000 - -
A0
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
40/81
Slika $%.Skica i"*leda postavljeno* profila sei"mi6ke refrakcije S3B
+a interpretaciju podataka mjerenja koriten je program DaE"ract A7(Bntelligent Decources Bnc. 100G678$ =anada. Postupak obrade rezultata
mjerenja obuhva*a osjetljiv postupak determinacije prvih nailazaka elastinih
valova s terenskih snimaka. Primjenom programskog paketa$ koji se primjenjuje
u geo"izikim$ geolokim i geotehnikim istraivanjima oblikovane su
dromokrone P valova u dijagramu put6vrijeme. 'aljnjom analizom dromokrona
razliitim metodama interpretacije geoseizmikog presjeka (t=$ prva
vremena nailazaka seizmikog vala do geo"ona u re"rakcijskom pro"ilutrans"ormirana su u brzine i dubine do re"raktora vala. Bnterpretirana dubina
re"raktora koincidira s geolokom strukturom razliite seizmike brzine pa su na
taj nain odreene granice razliitih geomedija.
2.2.2. Spektra"na ana"iza povr!inski va"ova (SASW)
- dananje vrijeme %%; smatra se znaajnim alatom za in6situ
ispitivanja$ najire se primjenjuje na prirodnom tlu$ no zbog svoje prilagodljivosti
i neinvazivne tehnologije$ takoer se iroko primjenjuje na kolnikim sustavima$
te na odlagalitima otpada.
RR =
4alna duina i "rekvencija povrinskog vala vezane su slijede*im
izrazom@
?
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
41/81
#blik krivulje disperzije ("azna brzina DaEleigh6ovog vala naprema valnoj
duini ovisan je o promjeni krutosti tla sa dubinom (%lika 7?..
,ksperimentalna$ odnosno mjerena krivulja disperzije "azne brzine i valne
duine odreuje se iz podataka o "azi kod odreene "rekvencije$ a za koje je
zadovoljen uvjet koherencije ("unkcije usklaenosti. 4rijeme koje je potrebno D
valu da stigne od jednog geo"ona do drugog$ rauna se za svaku pojedinu
"rekvenciju@
ft =)(
$ razmak geo"ona dje poznat te slijedi@
VR =
.
#dreivanje serije razmaka geo"ona neophodan je da bi se obuhvatio
potreban raspon valnih duina za ispitivanje tla (%lika 73.. Poetni razmak je
stvar pokuaja$ odnosno temeljem prethodnih in"ormacija o tlu$ odnosno
brzinama posminih valova. +a najkra*u valnu duinu$ razmak prijemnika
(geo"ona postavlja se na jedno do tri puta minimalne valne duine. - koliko
izmjeren "azni spektar ima dobru kvalitetu na svega dva ciklusa$ razmak
prijemnika za minimalnu valnu duinu$ primjerice 1$ m$ treba biti kra*i od dva
puta odnosno dva metra.
?1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
42/81
Slika $&. ?ormalno disper"ni i o'rnuto disper"ni profili.
K!.%B=/B %.%; D.%P#D,'
B B
s
1 7
Slika $2. =erenski postav SASW *eofonsko* rasporeda, common
receiver midpoint confi*uration.
+a najduu valnu duinu$ razmak prijamnika postavlja se na polovinu ili na
tre*inu traene valne duine. 9ednom kada se odredi minimalni razmak$konvencionalno je da se slijede*i raspon udvostruuje. &o se ponavlja tako
dugo dok se ne dostigne maksimalni razmak prijemnika. -tvreno je da
udvostruenje prethodnog razmaka daje dovoljno preklapanja valnih duina da
se dobije kvalitetna krivlja disperzije. #bino se poinje od najmanjeg razmaka.
Bnverzija disperzijske krivulje odnosi se na odreivanje mehanikih parametara
tla iz krivulje disperzije. /ajstarija i vjerojatno najpopularnija metoda je &rans"er6
:atriH metoda (&hompson$ 103.$ te modi"icirana askell 103A. %ti""ness6:atriH metoda (Kausel i Doesset$ 10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
43/81
. P"an rada i rezu"tati
.1. MASW
:jerenje sa :%; metodom$ kao i sva druga mjerenja$ izvedeno je na
lokaciji vodocrpilita 4aradin. Pro"il istraivanja :%; metodom ucrtan je na
situacijskoj karti (Prilog A.. :jerni sustav se sastojao od 7? geo"ona i
seizmograma. Koriteni su vertikalni ?.3 z geo"oni. %eizmiki je impuls bio
izazvan sa eki*em od 1 kg kojim se udaralo po metalnoj ploi. Dazmak
izmeu geo"ona je stavljen na A m. &oke paljenja su bile izmeu svaka dvasusjedna geo"ona i na udaljenostima od 1.3 m$ 0 m i 13 m od prvoga i zadnjega
geo"ona. 4rijeme snimanja je iznosilo 1 s. %ve snimljene snimke su spremljene
na prijenosno raunalo.
Primjer snimke seizmikih valova snimljenih na terenu prikazan je na slici
7G.
Slika $4. Snimka sei"mi6kih valova snimljena na terenu
?A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
44/81
7
?
G
Slika &%. :orelacija podataka penetracijskih pokusa !SP=-1 i P-1#
38
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
58/81
7 ? G < 1 17 1? 1G 1< 7
.
3.1.
13.
7.
73.
A.
A3.
?.
?3.
3.
3
1
13
7
73
A
A3
?
6 $ $
u7ina (m)
8 7roj udara/a+ P> 0rzina+ &s (m-s)
Slika &&. ija*ram 'roja udaraca P-$ pokusa i 'r"ine posmi6nih
valova
. 3. 1. 13. 7. 73. A.
3
1
13
7
73
A
A3
?
?3
f(9) : 1=.?@ 9;,.21
5< : ,.
8 7roj udara/a+ P>
0rzina+ &s (m-s)
3
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
59/81
Slika &2. :orelacija 'roja udaraca P-$ testa i 'r"ine posmi6nih
valova
1 7 A ? 3 G 8
1
13
7
73
A
A3f(9) : 1''.@2 9;,.1=
5< : ,.
8 7roj udara/a+ SP
0rzina+ &s (m-s)
Slika &4. :orelacija 'roja udaraca SP=-1 testa i 'r"ine posmi6nihvalova
-mjesto oekivanog da se kao izvor podataka posminih valova koristi
:%; metoda$ za izvor podataka o brzinama posminih valova uzeti su
rezultati mjerenja %%; metodom. Dazlog tome je geometrijski raspored
geo"ona prilikom mjerenja na terenu. -daljenost dva susjedna geo"ona kod
:%; metode je iznosila A m. #vime se izgubilo na kvalitetnoj interpretaciji
gornjih povrinskih slojeva. +a kvalitetetniju interpretaciju povrinskih slojeva
treba koristiti manji razmak izmeu geo"ona ime se pove*ava razluivost.
Bz slike ??. vidljiva su neka poklapanja i neslaganja krivulja. ko se
zanemari prvi maksimum na krivulji posminih brzina dolazi se do prvoga
poklapanja. /a dubini od nekih A m do 3 m oituje se nagli skok broja udaraca.
&akoer$ na ovome dijelu se javljaju ve*e brzine posminih valova. /akon toga$
i brzina posminih valova i broj udaraca dolaze do niskih vrijednosti. 4elika
30
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
60/81
nepravilnost javlja se na dubini od 0 do 11 m. )roj udaraca je naglo porastao
to se ne poklapa sa brzinom posminih valova. #vdje se pretpostavlja ve* prije
spomenuti problem sadraja velike "rakcije u tlu. /jihova meusobna korelacija
vidljiva je na slikama ?3 i ?G. Kvadratino odstupanje su skoro idenina i iznose
D7 M .AA. 4e*i stupanj korelacije dobiva se u pijeskovitim i prainstim
materijalima kod kojih nema ve*ih valutica koje isti znatno smanjuju.
Bz prosjene brzine posminih valova do dubini od A m (703 mOs$ slika
78 i broja udaraca %P& (/ 7$ slika A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
61/81
=a'lica 2. Stati6ke i dinami6ke konstante tla !vidi str. %5-%%#
G1
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
62/81
%. Bak"juak
Bdenti"ikaciju tla (stijena mogu*e je odrediti metodama koje se bazirajuna analizi povrinskih valova (%%; i :%;. Dazlika izmeu ove dvije
metode lei u nainu prikupljanja podataka na terenu i njihove obrade da bi se
dobila disperzijska krivulja. :%; je puno bra i jednostavnija metoda zbog
svojeg viekanalnog pristupa kod kojega nije potrebno mijenjati raspored
geo"ona na terenu prilikom novog snimanja.
Dezultat interpretacije mjerenja DaEleighovih povrinskim valovima je
brzina irenja posminih valova (vs. #vaj parametar je vrlo vaan geotehnici i
seizmologiji. #n se vrlo teko odreuje pomo*u metode re"rakcijske seizmike sa
%6valovima jer te valove nije lako generirati na terenu$ a zbog vjetra$ prometa i
drugih vanjskih utjecaja oteano je kvalitetno odrediti prve nailaske. Povrinski
valovi generiraju se na isti nain kao i P6valovi a kako prenose najve*i dio
energije izvora ( 8 N lako ih je detektirati.
Postoji i odnos izmeu brzine irenja posminih valova i broja udaraca ustandardnom penetracijskom pokusu (%P&. Prema podacima iz litrrature
najve*a je korelacija izmeu ovih parametara u pijescima i prainasto
pijeskovitim koherentnim materijalima. - ljuncima korelacija znatno pada radi
velikog postotka valutica ve*ih promjera. \to je bio sluaj i u ovome istraivanju
gdje se iz granulometriskog dijagama na slici ? vidi kako vie od 3 N
materijala sainjavaju valutice ve*e od 1 mm. 4alutice ve*eg promjera znatno
pove*avaju broj udaraca / kod dinamikih ispitivanja (%P& i 'P.
- Depublici rvatskoj izveden je relativno malen broj istraivanja sa
metodama povrinskih valova. Kako se za projektiranje konstrukcija otpornih na
potres koristi ,urokod < vano je odreivanje brzine posminih valova (v s.
#vdje dolazi do velike mogu*nosti istraivanje i primjena metoda povrinskih
valova. Bako su jo nove$ metode sa povrinskim valovima omogu*uju brzo$
jednostavno i je"tino pro"iliranje slojeva tla i odreivanje dubine stijena te
mjerenje njihovih statikih i dinamikih svojstava.
G7
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
63/81
'. 6iteratura
l6unaidi$ :.#.$ 1007$ 'i""iculties Fith phase spectrum unFrapping in spectral
analEsis o" sur"ace Faves nondestructive testing o" pavements$ =an. 2eotech. 9.$ v.
70$ p. 3G6311.
=,/$ 7?$ ,urocode < > 'esign o" structures "or earthJuake resistance$ Part 1@
2eneral rules$ seismic actions and rules "or buildings$ ,uropean standard$ ,/ 100
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
64/81
Kausel$ ,. ] Doesset$ 9.$ 10
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
65/81
%heri""$ D. ,.$ 77$ ,ncEclopedic dictionarE o" applied geophEsics@ %,2 2eophEsical
De"erence %eries /o. 1A$ ?th ,d.$ %ocietE o" ,Hploration 2eophEsicists (%,2$ &ulsa$
#klahoma$ ?70 pp.
%heri""$ D. ,.$ 2eldart$ !. P.$ 1003$ ,Hploration seismologE$ =ambridge -niversitE
Press$ 307 str.
%heu$ 9.=.$ %tokoe$K. .$ BB$ and Doesset$ 9. :.$ 10 2eotehnical
Bssues$ 73.17.70.$ [email protected]
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
66/81
?. SaCetak
#dreivanje pro"ila tla (stijene po dubini i procjena njihovih statikih idinamikih svojstava vaan je dio u geotehnici i seizmologiji. - praksi se za
odreivanje pro"ila po dubini naje*e koriste metode buenja sa jezgrovanjem.
Bz nabuene jezgre i neporeme*enih uzoraka se u geotehnikom laboratoriju
odreuju "iziko6mehanike karakteristike geomedija. 4e*i dio "iziko6
mehanikih karakteristika takoer moemo odrediti in-situ ispitivanjima
koritenjem statikog i dinamikog penetracijskog pokusa (=P& i %P&$ probne
ploe$ krilne sonde$ presiometra$ dilatometra i sl.
:eutim$ buenje i neka in-situ ispitivanja su skupa i iziskuju puno
vremena. Kao alternativa tome postoje razliite geo"izike metoda koje na
osnovu promjena seizmikih brzina (P i % valova ili elektrine otpornosti
takoer daju kvalitetan pro"il terena po dubini.
9edan od najvanijih parametra geomedija je krutost$ odnosno nosivost
tla. #dreivanje krutosti moe se provesti re"rakcijskom seizmikom$ mjerenjemnailaska % valova. :eutim$ % 6 valove nije lako generirati na terenu a zbog
uestalih smetnji (vjetar$ promet i sl$$ oteano je kvalitetno odrediti prve
nailaske irenja posminih valova (4s.
- zadnjem desetlje*u razvila se nova metoda za uspjeno i pouzdano
odreivanje krutosti tla$ nazvana vie kanalna analiza povrinskih valova
(:%;. :etoda se bazira na disperzivnim karakteristikama povrinskih
DaEleighevih valova$ uvaavaju*i injenicu da se ti valovi razliitih valnih duljina
ire do razliitih dubina. &ako se valovi nie "rekvencije$ pa prema tome ve*e
valne duljine$ ire dublje u medij nego valovi visoke "rekvencije$ odnosno male
valne duljine. Bz inverzije disprezijske krivulje dobije se prikaz brzine posminih
valova po dubini (4s. #vim postupkom mogu se izmjeriti posmini moduli (2
pro"ila tla po dubini$ pri vrlo malim de"ormacijama.
GG
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
67/81
#sim u podruju geotehnike brzina posminih valova koristi se i u
seizmologiji. - ,uropi se za projektiranje konstrukcija otpornih na potres koristi
standard ,urokod < (,=
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
68/81
=. SummarD
'etermination o" soil (and rock depth pro"iles and evaluation o" theirstatic and dEnamic properties are verE important part in geotechnical
engineering and seismologE. Bn practice$ these pro"iles are obtained bE core
drilling. Irom drilled core and undisturbed samples$ phEsical and mechanical
properties o" geomedium are determined in geotechnical laboratorE. :ost o"
phEsical and mechanical properties can be determined bE conducting in-situ
tests$ such as static and dEnamic penetration tests (=P& and %P&$ plate load
test$ vane shear test$ pressuremeter test$ dilatometer test and other test.
oFever$ drilling and some in-situ tests are eHpensive and verE time
consuming. s an alternative to that$ there are di""erent geophEsical methods
Fhose measurements based on variation o" seismic Fave velocities (P and %
Faves or electric resistivitE can also give JualitE depth pro"ile o" investigated
terrain.
#ne o" the most important parameters o" geomedium is sti""ness$ i.e.load6bearing capacitE. 'etermination o" soil sti""ness can be obtained bE seismic
re"raction method$ measuring the time o" "irst arrivals o" % Faves. oFever$ %
Faves are not easilE generated on the "ield and due to "reJuent noise (e.g.
Find$ tra""ic and other it is di""icult to determine the "irst arrivals o" shear Faves
(4s.
Bn the last decade$ a neF method "or a success"ul and reliable
determination o" soil sti""ness has been developed$ called :ulti6=hannel
nalEsis o" %ur"ace ;aves (:%;. &his method is based on dispersion
propertE o" sur"ace DaEleigh Faves$ respecting the "act that Faves o" di""erent
Favelength penetrate to di""erent depth. &here"ore$ Faves o" loF "reJuencE
(large Favelength penetrate to greater depths o" geomedium than Faves o"
high "reJuencE (small Favelength. Irom inversion o" dispersion curve a pro"ile
o" shear Fave velocitE versus depth is obtained (4 s. ;ith procedure a shear
modulus (2 can be measured along the depth pro"ile ("or verE small strain.
G
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
69/81
#ther than its use in geotechnical engineering$ shear Fave velocitE can
be also used in seismologE. Bn ,urope$ "or designing structures "or earthJuake
resistance$ ,urocode < (,=
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
70/81
@. Pri"ozi
Prilo* 1. :lasi6na metoda ispitivanja parametara tla
Prilo* $.
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
71/81
Prilo* %. Situacijski plan sa polo(ajem *eofi"i6kih istra(ivanja,
penetrac ijsk ih pokusa i 'u)otine
81
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
72/81
Prilo* &.7snovni princip CSW metode !Preu"eto i" Matthews et al.,
14.#
87
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
73/81
Prilo* 2. 7ptimalni parametri "a prikupljanje podataka aktivnomMASW metodom !Preu"eto i" Park et al., $55$.#
Prilo* 4. Moduli elasti6nosti !Preu"eto i" Sheriff, $55$.#
8A
-
7/25/2019 Primjena Spektralne Analize Povrsinskih Valova u Geotehnici
74/81
Opis Geologija i
geomorfologija
Geotehni!e
metode
Geo"zi!e
metode9P: 9;P: 99< M9