多頻道表面波震測法施測改良與案例分析

國 立 交 通 大 學

土木工程學系碩士班

碩士論文

多頻道表面波震測法

施測改良與案例分析

Field Improvement and Case Study

of MASW Method

研 究 生： 鄒和翰

指導教授： 林志平 博士

多頻道表面波震測法施測改良與案例分析

Field Improvement and Case Study of MASW Method

研 究 生： 鄒和翰 Student： He-Han Chou

指導教授： 林志平 博士 Advisor： Dr. Chih-Ping Lin

國立交通大學

土木工程系碩士班

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master

in

Civil Engineering

July 2005

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

多頻道表面波震測法施測改良與案例分析

研究生：鄒和翰 指導教授：林志平 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班

中文摘要

多頻道表面波震測法可以非破壞性的方式評估地層剪力波速剖 面，並持續朝二維剪力波速剖面影像分析之應用的趨勢發展。然而多 頻道表面波震測法在目前現地施做程序下，常遭遇到幾個問題：傳統 插入式受波器(Plant geophone) 轉換測線通常都需要耗費相當之時間 與人力；表面波之探測深度取決於震波頻率、測線展距與震源支距， 且需要足夠低頻的訊號與震源能量，才能獲得足夠的探測深度，目前 常使用的震源常有能量不足或移動性不佳等問題。 因應上述施測不便，本研究目的為 (1) 研發一套兼顧經濟性與效 率性的新式受波器系統(Land streamer)並與傳統插入式受波器比對其 資料可性度與適用性；(2) 藉由人工震源改良，組裝一操作便利的落 槌系統，改善能量不足所帶來對訊號的影響；(3)配合震源觀察不同墊 片所產生之低頻波的品質，以使收錄之寬頻訊號更為完整。 研究結果顯示，新式受波器於平滑路面之表現良好，在瀝青路面 與砂性土壤表面使用的成效已得到印證，可以有效的提升表面波震測 的施測效率；新研發之自由落鎚系統，其震波訊號波長範圍約可達 30m，有效的改善空間探測深度的能力；另外，以橡皮墊作為鎚墊的

確可以改善低頻訊號品質，但成效並不明顯。案例研究選擇一場趾展 示不同非破壞性技術之成果與 MASW 的二維探測成效。

Field Improvement and Case Study of MASW Method

Student:He-Han-Chou Advisor: Dr. Chin-Ping Lin

Department of Civil Engineering National Chaio Tung Unversity

Abstract

MASW can be used to investigate the shear velocity profile of stratum via non destructive tests and has been extended to perform 2-D Vs tomography. However, several inconveniences are encountered via current test procedures. Switching the survey line is quite time and man-power consuming when planting geophones are deployed; the explored depth depend on the quality of lower-frequency part of signal which is affected by the survey line length, source offsets and characteristics of source energy. Commonly-used seismic sources usually have insufficient mobility or energy.

To improve those inconveniences, this study aims at there aspects. First, a new acquisition system, land streamer, is developed under the consideration of efficiency. Its reliability and performance are also verified by comparing the data from traditional planting geophones. Secondly, a handy seismic source made of weight-drop system is developed to improve seismic energy while maintaining mobility. Thirdly, to widen the frequency bandwidth and improve the quality of signal, the performance of different rubber pads with corresponding seismic source are evaluated.

The results show that the new receiver system has a good performance on the smooth surface (asphalt and sandy ground). The workability and efficiency of MASW are effectively increased when applying the land streamer. The weight-drop source enlarges the wavelength bandwidth signal up to 30 meters which increases the spatial measuring capacity on depth. The rubber pads make only slight improvement on the quality of lower frequency part of signal. A case study is also presented for demonstrating the results of different NDT techniques and the effectiveness of MASW 2-D tomography.

誌謝

承蒙指導教授 林志平博士於研究於研究所求學期間悉心指導， 使本論文得以順利完成，除在論文研究、專業知識上的教誨與指導， 幫助學生突破研究的瓶頸與指示的成長外，在思考邏輯與待人處世的 態度也給予學生有很大的啟發，讓學生得以在研究所求學外獲得更寶 貴的收穫，學生未來將繼續督促自己茁壯，不辜負老師為教導學生所 付出的心力，在此致上最誠摯的敬意。 求學期間，承蒙系上廖志中教授、潘以文教授、黃安斌教授、方 永壽教授與單信瑜教授在學業上的指導，在此致上萬分敬意。 在學研究期間，承蒙宗盛、志忠、士弘、瑛鈞等博士班學長給予 諸多協助，其中，宗盛與志忠學長對小弟的照顧，小弟永遠銘記在心。 育嘉、仁弘學弟及同窗好友南成、証傑、俊宏、又仁等諸多同學給予 研究上的協助與經驗分享，小弟感激不盡。 野外試驗承蒙所有曾參與的同學、學弟幫忙使一切工作得以順利 進行，大家都辛苦了。當然，仁弘學弟對實驗的熱誠，學長感激不盡。 最後，感謝家人對我的栽培，希望你們都看到了。當然，一路上 女朋友的陪伴與建議是我莫大的動力。最後僅以此文來獻給我最愛的 家人。

目錄

中文摘要... I ABSTRACT... III 誌謝... IV 目錄...V 圖目錄...VII 表目錄...X 第一章 序論...1 1.1研究動機 ...1 1.2研究目的 ...2 第二章 文獻回顧...4 2.1 彈性波基本概念與應用...4 2.2 表面波震測法...7 2.2.1 表面波基本性質...8 2.2.2 穩態震動法(SSRW) ...9 2.2.3 表面波譜分析法(SASW)... 11 2.2.4 多頻道表面波量測法(MASW) ...14 2.2.4.1 MSASW ...14 2.2.4.2 MWTSW...16 2.2.5 表面波方法之比較...17 2.2.6 施測參數之影響...20 2.3 表面波震測施測設備...23 第三章 研究方法...49 3.1表面波特性分析 ...49 3.1.1 時間-空間域(t-x domain) ...49 3.1.2 頻率-空間域振幅頻譜(f-A-x domain)) ...50 3.1.3 頻率空間域實部頻譜(f(R)-x) ...52 3.1.4 頻率-速度能量頻譜(f-v energy spectrum) ...52 3.1.5 頻率波長能量頻譜(f-λ energy spectrum) ...53 3.2 震測設備特性探討...54 3.2.1 震源規格...55 3.2.2 受波器改良設計...57 3.2.3 試驗規劃...57

第四章 震源與受波器之特性 ...64 4.1震源特性 ...64 4.1.1 震源...64 4.2受波器特性 ...71 4.2.1 瀝青鋪面...72 4.2.2 軟弱地面...75 第五章 案例分析...90 5.1交通大學博愛校區區域地質 ...90 5.2不同地物量測法於博愛校區之應用 ...91 5.2.1 地電阻探測...91 5.2.1.1 測線位置與施測參數...92 5.2.1.2 試驗結果...93 5.2.2 折射震測...93 5.2.2.1 試驗原理...94 5.2.2.2 測線位置與施測參數...94 5.2.2.3 試驗結果...95 5.2.3 孔內波速量測...95 5.2.3.1 試驗原理...96 5.2.3.2 下孔震測施做參數設定...96 5.2.3.3 試驗結果...97 5.3多頻道表面波震測 ...97 5.3.1 測線位置與施測參數...97 5.3.2 試驗結果...98 第六章 結論與建議... 112 6.1結論 ... 112 6.2建議 ... 113 附錄(一)... 118 附錄(二)... 119

圖目錄

圖 2.1 彈性波運動方式(Bolt,1976) ...31 圖 2.2 波傳行式與路徑(KGS,2000)...32 圖 2.3 波傳遞攜帶之能量 (Woods 1968)...32 圖 2.4 彈性半無限域波傳速度與伯松比(Poison ratio)之關係(Richart 1962) ...33 圖 2.5 表面波震測法(C.P.Lin 2000)...33 圖 2.6 表面波之頻散現象...34 圖 2.7 穩態表面波震動法(Rix,1988) ...34 圖 2.8 受波器距離與波數(Number of cycles)之關係圖(Richart,1970) ...35 圖 2.9 穩態震動法之簡易反算法...35 圖 2.10 表面波譜法現地配置圖...36 圖 2.11 固定受波器中點法...36 圖 2.12 固定震源法...37 圖 2.14 相位角摺開之過程...38 圖 2.15 MWTSW 分析流程，圖上之黑色區域即能量之顛峰值...39 圖 2.16 f-v dormain 測線展距對資料遺漏之影響...39 圖 2.17 近場、遠廠效應影響...40 圖 2.18 震源-正弦震盪器 ...40 圖 2.19 震源-炸葯 ...40 圖 2.20 震源-各式鎚頭重之鐵槌 ...40 圖 2.21 震源-加速度落鎚 ...40 圖 2.22 震源墊片頻譜...41 圖 2.23 4.5Hz 電磁式速度受波器...44

圖 2.23 ETH Landstreamer(Van deer Veen 1998) ...45

圖 2.24 (a)插入式受波器(左側)與 L ...45

圖 2.26 KGS Landstreamer (2000)...46

圖 2.27 Tyren Landstreamer ...47

圖 2.28 2-D Vs-profile by Tyren...47

圖 2.29(a) Gimbal geophone 與 spike geophone...47

圖 2.29(b) Gimbal geophone 內部構造 ...48 圖 3.1 時間域之震波資料與波速範圍...50 圖 3.2 能量頻譜...51 圖 3.3 單一受波器能量頻譜...51 圖 3.4 震波實部頻譜...52 圖 3.5 震波之頻散曲線...53 圖 3.6 震波之 f-λ 剖面 ...54 圖 3.7 鎚頭重 12lb 支大鐵鎚 ...60

圖 3.8 新式落槌系統...61 圖 3.9 震源墊片之鐵板...61 圖 3.10 震源墊片之橡皮墊...61 圖 3.11 新式受波器底座...62 圖 3.12 新式受波器...62 圖 4.1 不同震源對訊號頻譜之影響(1)(震源:BH)...78 圖 4.2 不同震源對訊號頻譜之影響(2)(震源:AF) ...79 圖 4.3 不同震源對訊號頻譜之影響(3)(震源:WD) ...80 圖 4.4 套疊不同種類震源之頻散曲線...81 圖 4.5 不同種類震源之頻率波長曲線(由左至右: BH、AF、WD) ...82 圖 4.6 不同墊片於頻率空間域之能量頻譜(Asphalt,BH,Ip(left),Rb1(right))...83 圖 4.7 不同墊片於頻率空間域之能量頻譜(Asphalt,BH,Ip(left),Rb1(right))...83 圖 4.8 不同墊片於頻率空間域之能量頻譜(Asphalt,BH,Ip(left),Rb1(right))...83 圖 4.9 單一受波器振幅能量頻譜(BH-ip & Rb1-38m)...84 圖 4.10 新式受波器(左)與插入式受波器(左)的震動歷時(Asphalt,BH,Ip) ...85 圖 4.11 新式受波器(左)與插入式受波器(右)的能量頻譜(Asphalt,BH,Ip) ...85 圖 4.12 新式受波器(左)與插入式受波器(右)的 f-v 頻散曲線(Asphalt,BH,Ip)...85 圖 4.13 新式受波器(左)與插入式受波器(右)的 f-λ 頻散曲線曲線(Asphalt,BH,Ip) ...86 圖 4.14 新式受波器與插入式受波器的震動歷時(Asphalt,WD,Ip) ...86 圖 4.15 新式受波器與插入式受波器的能量頻譜(Asphalt,WD,Ip) ...86 圖 4.16 新式受波器與插入式受波器的 f-v 頻散曲線(Asphalt,WD,Ip)...87 圖 4.17 新式受波器與插入式受波器的 f-λ 頻散曲線(Asphalt,WD,Ip) ...87 圖 4.18 左側與右側分別為新式受波器與插入式受波器的震動歷時...88 圖 4.19 左側與右側分別為新式受波器與插入式受波器的能量頻譜...88 圖 4.20 左側與右側分別為新式受波器與插入式受波器的頻散曲線...88 圖 4.21 套疊新式受波器與插入式受波器的頻散曲線...89 圖 5.1 交大博愛校區區域地質圖(中央地質調查所-地質資料整合查詢系統)....103 圖 5.2 交通大學博愛校區施測實驗測線與鑽孔位置配置圖...103 圖 5.3 常見地地表施測電極排列法...104 圖 5.4 測線 1-1 之電阻值剖面 ...105 圖 5.5 折射震測二維波速剖面...106 圖 5.6 下孔震測方法示意圖...107 圖 5.7 下孔震測施測設備示意圖...107 圖 5.8 下孔震測現場配置圖...108 圖 5.9 垂直敲擊...108 圖 5.10 左側敲擊...108 圖 5.11 右側敲擊...108

圖 5.12 相對位置...108

圖 5.13 表面波震測二維剪力波速剖面...109

圖 5.14 初達波時間點比較... 110

表目錄

表 2. 1 震波探測法分類...6 表 2. 2 表面波震測法...19 表 2.3 試驗之震源...42 表 2.4 測區地質與結果...43 表 3.1 實驗參數配置...60 表 5.1 交大博愛校區測線 1 施測參數...92 表 5.2 折射震測施測參數...95 表 5.4 測線施測參數...98

第一章 序論

1.1 研究動機

傳統工址調查常需藉助地質鑽探、取樣及室內試驗以了解地層之 物理性質及力學特性，但這種試驗往往耗時、耗費、取樣空間小，且 試體擾動後之代表性常有受質疑之處而無法正確的描述現地狀況。地 球物理探測法以提供快速、經濟、非破壞性的方式作為傳統之輔助調 查；其中多頻道表面波震測法利用先進之二维訊號識別計算頻散曲 線，再由頻散曲線透過反算方法求得地層之剪力波速，進而接合量測 範圍下方之剪力波速，形成二維之影像，可以清楚’’看到’’量測範圍地 層之波速分層與趨勢；然而多頻道表面波震測法在目前現地施做程序 下，遭遇到幾個問題;傳統插入式受波器(Plant-geophone)轉換測線通 常都需要耗費相當之時間與人力，為了不使表面波震測，此項有效之 震波探測法轉換測線所耗費之時間與人力成本，製作一快速移動之新 式受波器系統，並兼顧收錄之品質與其適用性，將可提高表面波震測 之使用性並增加研究方面之應用。再則，目前多頻道表面波震測 (MASW)乃同時佈設多各受波器收錄單一震源所產生之震態，在本研 究中，並假設施測區域地層無側向變化，對同一測線接合多炸點所產 生之震波訊號，以模擬一長測線展距所收錄之震波資料，這一施測流 程稱之為 Walkaway;Walk-awayg 施作方法需要不同展距之炸點，遠炸

點提供較大波長之低頻波收錄，然而在目前使用之震源所產生之訊 號，鐵鎚與砲車所提供的訊號能量尚不足以抵銷雜波對訊號之影響， 因此如何改善震源產生足夠的能量，並搭配不同種類墊片改善低頻波 訊號之產生，兼顧移動快速、使用性之要求，組裝一有效之落槌系統， 以改善遭遇之問題。

1.2 研究目的

總結以上所述，遭遇之問題如下所列: (1)採 Walkaway 施測時，遠炸點震源產生的震波能量不足，所產 生 的訊號雜訊比不佳。 (2)低頻波訊號效果不佳，影響空間解析度的能力。 (3)轉換測線時，移動傳統插入式受波器需耗費相當多的時間。 為改善遭遇之問題，本研究提出以下改善的方向。 (1)新式受波器研發: 如何增快資料擷取的速度使施做流程更有效 率，應著眼在改善受波器於測線的佈設，傳統插入式受波器(planting geophone)於試驗使用耗時不便，尤其當試驗場址為瀝青或混凝土鋪 面時，測線轉換須耗費相當多的時間本研究參考國內外獻自行製作以 一方便之受波器(Landstreamer)系統，並討論其在不同場址的適用性與 資料之可性度。 (2)藉由人工震源改良，組裝一操作便利的落槌系統，改善能量不足所

帶來對訊號的影響。

(3)配合震源觀察不同墊片所產生之低頻波的品質，以使收錄之寬頻 訊號更為完整。

第二章 文獻回顧

2.1 彈性波基本概念與應用

在均質(homogeneous)、等向性(isotropic)彈性無限域中之應力波 因無限空間域無邊界存在，故由擾動所產生波動行為只會有實體波 (Body Wave)產生，其中波速較快稱壓力波(Compression Wave、P 波)， 如圖 2.1(a)所示，運動方向與波傳前進方向平行稱為縱波。波速較慢 的剪力波(Shear Wave)，如圖 2.1(b)所示，運動方向與波傳前進方向垂 直，其中剪力波於水平面上震動 稱為水平向剪力波(SH 波);剪力波於 垂直面上震動稱為垂直向剪力波(SV 波)。在均質(homogeneous)、均 向(isotropic)彈性半無限域中之應力波，因邊界之存在，為滿足力學之 平衡條件，除產生實體波以外，亦會產生沿著邊界前進之表面波 (Surface Wave)，又稱為雷利波(Rayleigh Wave、R 波)或地面波(Ground Roll)。如圖 2.1(c)所示，其質點運動方向顯示雷利波在水平向以及垂 直向均有分量，呈橢圓形狀平面之軌跡運動。洛夫波(Love Wave、L 波)為另ㄧ種在層狀界面傳遞之表面波，如圖 2.1(d)所示，此種波發生 在表面層是低速層之介質內,質點運動沿著水平面與波傳前進方向垂 直(倪勝火,2001)。 在均質(homogeneous)、均向(isotropic)的環境下，任一 x 方向， 量測時間 t 之垂直運動u( tx, )，就某ㄧ角頻率w(2πf)而言，任一種波傳

之運動方程式皆可表成: ] [ 0 0 ) , ( ) ( ) , ( ) ( ) , ( k w x t jx x j jkx e x A w U e e x A w U t x u − − = = α α α ...(2-1) 其中U0為初始振幅大小，與震源之能量有關，A 為振幅隨時間 改 變 之 因 子 ， 與 介 質 之 材 料 阻 尼 ( α ) 有 關 ， k 為 空 間 頻 率 (wavenumber)，其倒數λ(=2π_k)即波長大小。式(2-1)可顯示波傳之主 要行為，包括波之衰減與傳遞之速度。波傳之速度(ν )可定義為時間 頻率(w)與空間頻率(k)之比值: k f k w π ν = = 2 ...(2-2) 式(2-2)亦可表為頻率( f )與波長(λ)之乘積: λ ν = f ...(2-3) 波速度與材料之彈性模數有其相關性，故壓力波速(νp)與剪力波 速(νs)根據彈性波傳理論可表為: ρ M v_p = ...(2-4) ρ G v_s = ...(2-5) 其中，G(Shear Modulus)為土壤之剪力模數，M 為土壤之束制模 數(Constrain Modulus)，ρ為土壤之質量密度。如圖 2.4 雷利波波速 和剪力波波速相似，但波速度之比值能需是土壤之柏松比(ν )大小而 決定。如圖 2.4 所示。

當震源或其他的擾動在空間域產生波動時，如圖 2.2，各種擾動 產生之行為將以各種彈性波之運動模式向各方向傳遞，經由地層內部 或表面傳遞，產生各種形式上的波動，如圖 2.3 所示，就其所攜帶能 量而言 P 波、S 波、R 波、分別各佔約 7%、26%、67%，如圖 2.3 所 示，雷利波能量遠大於 P 波與 S 波、且 R 波衰減速度較 P 波、S 波慢。 利用應力波所衍生之震波探測法，依施測方式不同，可分為兩各 項目。(一)破壞性試驗(二)非破壞性試驗，如表 2.1。 表 2. 1 震波探測法分類 破壞性 非破壞性 方法 應用 方法 應用 下孔震測 P、S 波速量測 反射法 地下結構描繪 跨孔震測 P、S 波速量測 折射法 P 波或 S 波速量測 Ps-log P、S 波速量測 表面波 剪力波速量測 所謂破壞性試驗，需要破壞地表或地下土層以利於實驗進行已達 其目的，大致可分為鑽孔式(Bore-hole)探測與貫入(Penertration)式探 測。非破壞性震測檢測，不需要對測區進行鑽孔的工作，可降低施測 成本與提高施測效率。在非破壞檢測中，利用實體波(P 波、S 波)作 為依據的探測法，常見的有折射震測、反射震測。折射震測是利用挑 選初達波走時曲線(Travel Time Curve)，求取土層之壓力波速(P 波)剖 面，可有效應用於斷層破碎帶及表土覆蓋層之探測上，但折射波無法

反應高速層下方之低速層，限制該法應用。反射震測法，接收波速度 在不連續面或地層介面產生之反射訊號；同時利用同中點法(CMP)， 重合同反射點但不同炸點之震波歷時，並將側向走時移除(Normal Moveout Correction，NMP)，使不規則雜波訊號消除，提高震波訊號 強度，以繪出淺部地下土層的結構圖像。藉由所收錄到的震波訊號之 波形，反映出明顯地質變化之區域。但缺點是資料處理過程複雜、施 測耗時且花費昂貴。且無法準確獲得土層之波速剖面。 折射震測與反射震測在淺層地層波速剖面與深層地質構造之研 究與應用已廣為學界與業界所接受，但ㄧ般以 P 波施測，無法獲得與 土層動態行為息息相關的剪力波波速值。

2.2 表面波震測法

表面波震測(Seismic Surface Wave)法乃採用表面波中之雷利波或 洛夫波來探測地下地層，因雷利波是利用地表擾動所產生的震波法中 量測到最容易產生且震幅最大的波(表面波約佔 70%、P 波、S 波合佔 30%)。表面波之深度影響範圍約侷限於一個波長大小，當表面波在地 層內傳遞時，表面波受到不同深度地層剪力模數改變，不同頻率(或 波長)的波會對應不同的相位速度，稱之為頻散現象，其相對應的相 位速度與頻率之關係曲線稱為頻散曲線，經反算後可獲得地下結構剪 力波波速分層。表面波震測法在最終獲得剪力波速剖面(勁度剖面)之

過程，主要分為三個不同驟:現地試驗、頻散曲線頻估及反算分析。 如圖 2.5。 式(2-1)可表示表面波在單一模態下傳遞與衰減的行為。嚴格來 講，表面波在傳遞時，為多種震態的疊加，可表示為:

∑

− − = m x k wt j m m e x w S t x u( , ) ( , ) ( ) ...(2-6) m 為震態數，S 為振幅因子，包含震源、受波器、幾何阻尼及材 料阻尼之影響。式(2-4)可改寫成: )) , ( ( 0( ) ( , , ) ) , (x t U w A x w e j wt xw u = α − −φ ...(2-7) 其中振幅因子，A 受到材料阻尼(α )之影響，為頻率之函數。φ(x,w) 為複合之相位函數，表示相位角隨空間變化所呈現之波傳現象。簡諧 波任一特徵點可表示為: const w x wt−φ( , )= ...(2-8) 因此，上式對時間微分，某特徵點的區域性相位速度(local phase velocity)可表示為: x w x w x v ∂ ∂ = ) , ( ) ( _φ ...(2-9) 依上式所呈現，雷利波之波速不但是頻率之函數和受波器與震源 之距離也相關，是ㄧ區域性的物理量。 2.2.1 表面波基本性質

波傳影響範圍約一個波長之深度之內，因此表面波之探測深度會隨著 震源產生之頻域特性不同而有所差異。當土層之剪力模數(G)隨著深 度而改變時，波傳速度會隨著頻率或波長之不同而改變，稱之為表面 波之頻散現象，其相位波速和頻率或是波長之關係曲線稱之為頻散曲 線(Despersion Curve，簡稱 DC)。如圖 2.6(a)，長波長穿透地層之深度 會比短波長深(Barbuska V,Cara M 1991)。如圖 2.6(b)，當地層之波速 為常數(材料性質不變)，地層並不會有頻散之現象。如圖 2.6(c)、(d)， 當地層波速不同，隨深度漸減或漸增時，透過地層，不同大小之波長 就會對應到不同層面的相位速度，結果就會反映在頻散曲線上，其頻 率(波速)在不同地層參數影響所對應之相位速度，稱之為表面波之頻 散現象。根據式(2-3)之關係，即可獲的地層之波速度之剖面。 表 面 波 震 測 按 其 施 測 與 分 析 方 法 的 不 同 ， 可 分 為 單 頻 道 的 SSRW、雙頻道的 SASW 及多頻道的 MASW。以下將就這些方法做 進一步的介紹。 2.2.2 穩態震動法(SSRW) 穩態震動表面波法(SSRW)，由 Jones(1958)提出，並由美國水陸 試驗所所採用(Waterways Experimental Station,USA)。首先採用高頻之 震源(Ultrasonics)用以檢測混凝土板之厚度與變形之行為，隨後進一 步使用低頻之震源用以評估土層之性質。如圖 2.7 所示，SSRW 係利

用一垂直震動之正弦波震盪器，產生單一頻率 f 之震波，藉由一垂直 受波器收錄表面波訊號，並持續調整受波器之位置，直至受波器收錄 之波形與前面某一個位置震盪一致。受波器間移動之距離即為該震盪 頻率所對應之波長，持續以不同之頻率震盪，重覆上述步驟，獲得多 個頻率對應之波長，利用式(2-3)，計算各頻率對應之表面波相位速度 (VR)，藉以繪製頻散曲線(f-λ or VR-λ)。一般為提高量測準確度， 通常受波器會移動數個波長距離，由受波器量測位置與波數(Number of cycles)之關係，回歸分析波長，如圖 2.8 所示。 此外，土壤之動態參數-勁度(Stiffness)與表面波波速(VR)相關， 其剪力波波速約為 1.1 倍之表面波波速(Richart,1962)。但無法以明確 的公式來描述，因此，由 SSRW 所繪製的頻散曲線，利用一簡易反算 法來推估地層之勁度剖面(stiffness profile)。簡易反算法考慮地下每一 土層的權重關係，由 SSRW 所計算之剪力波速對應之深度約等同 1/2~1/3λR，此對應之過程，由圖 2.9 所示，重覆此一過程，則可獲得 土層之勁度剖面。當 SSRW 提出簡易反算法時，簡易反算法缺乏詳盡 的數值模擬，因此有相當多的限制。該法有效的使用在地層勁度隨土 層深度增加的區域，若上方地層勁度大於下方地層，則會造成相當大 的錯誤;但對於初步評估勁度剖面，做為進一步反算分析之初始值， 則有相當大的貢獻。此外，穩態震動法在施測程序上，需使用不同頻

率與不斷移動受波器間距，直到獲得相同之相位，施測相當耗時與不 便，且簡易反算法不適用在地層波速變化大的情形。

2.2.3 表面波譜分析法(SASW)

表面波譜法(SASW)於 80 年代由 Heisey(1982)、Narzarian and Stokoe(1984,1988)提出，根據穩態震動法(SSRM)的理念，藉由新式的 數位震波擷取儀器與強大的計算工具，使現場的施作效率獲得改善， 反算的過程更為精確，針對土壤特性的評估能力大為提升，截至今 日，表面波譜法已廣泛的應用在現地調查的範疇上，對於表面波震測 的改善功不可沒。 表面波譜法施測上，使用一衝擊式震源於地表產生一暫態訊號之 擾動，藉由兩個佈設於測線上之低頻受波器收錄表面波之訊號，如圖 2.10 所示，由於近場與遠場效應，每一施測幾何只能準確獲得某一頻 率寬帶內之資料，因此必須改變不同的施測幾何以增加資料頻率寬 帶。其中，小受波器間距使用小鐵槌產生高頻的訊號，大受波器間距 使用大鐵鎚甚至炸藥等震源以提高低頻資料的品質。 表 面 波 譜 法 測 線 配 置 主 要 有 (1) 固 定 受 波 器 中 點 法 (Common Receiver midpoint Method)，(2)固定震源法，依試驗之要求與場址之 地質條件而採用不同之儀器佈設方法。

固定受波器中點法，如圖 2.11，佈設一等受波器間距之測 線，沿著兩受波器之中點往兩側展延，兩受波器間距一般為 0.5、 1、2、4、8、16、32、64 公尺，震源與受波器之近站支距一般等 同於施測時之受波器間距。該施測方式並於線外兩側設置一正向 與反向之炸點，改變不同之施測幾何使測線長度涵蓋到欲探測之 土層深度為止，一般只需施作 1、4、16、64 公尺之受波器展距， 即可獲得足夠之資料。 (二)固定震源法 固定震源法，如圖 2.12，佈設一等受波器間距之測線，通常 兩相鄰受波器之間距為 0.5、1、2、4、8、16、32、64 公尺，震 源與受波器之近站支距一般等同於施測時之受波器間距。該施測 方式於線外兩側設置一正向或反向之炸點，並於該處產生一震波 訊號，此後，保持該炸點之位置，往遠離炸點之方向依次增加受 波器間距，以逐步進行正向或反向震測試驗，直到測線之展距涵 蓋欲探測之地層深度為止。 一般表面波譜法施測以採用固定受波器中點法為主，該法對同一 測線施以正反向之資料擷取，可以有效的印證資料的可信度，並減少 土層局部不連續與側向變化對訊號產生之干擾。 表面波之頻散曲線，最重要的即是決定相位速度與頻率的關係。

表面波譜分析法利用頻譜分析計算不同頻率的相位速度之流程如下: 兩受波器的資料經一次快速富利葉變換，兩受波器之相位角差等同於 相位角之平均互能頻譜(Average Cross-Spectral Density)的相位角:

[

( ( ), ( ))

]

) ( ) ( ) (w = 2 w − 1 w = AngleCSD u1 t u2 t Δφ φ φ ...(2-10) 根據式(2-9)及(2-10)，不同頻率之視相位速度(apparent phase velocity)可定義為: x w w w va Δ Δ = ) ( ) ( _φ ...(2-11) 其中，Δx是受波器間距。真實的相位角差變化隨著頻率增加而 增加，但互能頻譜的相位角差僅能在正π與負π震盪隨時間震盪。互 能頻譜之相位角須先摺開(un-wrap)，才能呈現實際相位角差，並套用 在(2-11)，計算該頻率之相位速度。此外，。為求得高頻之相位差， 必須先求得可靠之低頻相位差，以避免摺開時產生錯誤，然而，由於 震源訊號有一定之頻率範圍（band-limited），因此非常低頻與非常高 頻之訊號雜訊比不佳，因此在低頻處之相位角摺開容易出現錯誤，尤 其當受波器間距較大時，相位角差隨頻率之變化較大，此一步驟使得 表面波譜法之自動化不易且容易產生錯誤。因此，通常表面波譜法需 要極低頻之震源及受波器以收錄較可靠之低頻訊號。由於近場與遠場 效應，每一施測幾何(如震源及兩受波器之相對位置)僅能得到某一頻 率範圍內之資料，因此必須改變不同的受波器間距重複施測，此外，

為增加頻譜分析之準確性並評估訊號雜訊比（或相關函數），每一施 測幾何必須重複施測以得到多筆訊號資料，施測方法繁瑣費時。此 外，當地層之變化複雜時，所量測到之頻散曲線為基態與高次模組疊 加而成之有效頻散曲線，如式(2-9)所示，有效相位速度為區域性之物 理量，不同受波器間距所量測到之頻散曲線不同，如何將不同施測幾 何所得到之資料整合起來以得到單一整合頻散曲線，常需要繁瑣的人 為判斷以維持資料之合理性。表面波譜法對於表面波應用於地質調查 之推廣扮演舉足輕重之角色，但其施測方式與分析方法並非最佳，表 面波譜法亦可採用可控式簡諧震源，可提高各頻率之訊號品質，但無 法解決上述之問題。以下將探探討多頻道表面波震測法以改善表面波 譜法以改進表面波譜法的不足。 2.2.4 多頻道表面波量測法(MASW) 由於電子技術進步，多頻道震測儀器逐漸普遍，利用多頻道的同 時多點的震波量測，配合多頻道的分析方法，可以改進單頻道(SSRW) 與雙頻道(SASW)的缺點。多頻道表面波震測之現地施測方式如圖 2.13 所示，包含一個鎮源及數個受波器，因不同之解析方法可分為多 頻道表面波譜法及多頻道波譜轉換法。 2.2.4.1 MSASW 表面波譜法僅利用空間上兩點之資料求得φ-x 之斜率（即Δφ/

Δx），再利用式(2-9)求得有效相位速度，多頻道表面波波譜法則採 用數個受波器，在空間上增加其取樣數目以提高相位速度估計之準確 度，其分析原理與表面波譜法雷同，首先將時間空間訊號u( xt, )沿時 域作傅立葉轉換為頻率空間訊號(f-x domain)，如下式:

∑

− = − = 1 0 ) 2 exp( ) , ( 1 ) , ( M m m i n m n i u t x j ft M x f U π ...(2-12) 式中 ] ) 1 [( , , , 1 t M i f i f x n x t m t j= − m = Δ n = Δ i = Δ = − Δ m、n 分別代表時間和空間中第 m 及第 n 各取樣點，M 為時間軸 之取樣總點數，Δt與Δx分別代表時間之取樣率(sample rate)和空間取 點間隔(受波器間距)。由(2-11)可獲得在頻率域下空間軸上每一點受波 器之相位角[(φ(x))]，經頻譜分析，空間軸上每一點相位角只在 π 至 –π間震盪，因為具有多點之資料，可以在空間域，將連續收錄之 相位角[(φ(x))]摺開，利用線性迴歸求取 φ−x之斜率，根據(2.11)求得 某頻率對應之相位速度。相位角摺開之過程如圖 2.14。 多頻道表面波譜法同樣地面臨相位角摺開之問題，當頻率增加 時，相位角隨空間之變化較大，使得相位角摺開之自動化較不易且可 能產生錯誤，因此必須使用較小之受波器間距以避免高頻相位角摺開 之錯誤。雖然相位角之摺開步驟仍然無可避免，但由於多點之線性回 歸分析可降低因摺開錯誤所產生之誤差；此外，多點之回歸分析可以 得到單一較為平滑之頻散曲線，而無須將不同施測幾何之頻散曲線經

過特殊之處理合而為一。當地層之變化複雜時，在某些頻率（通常為 高頻）高次模組之貢獻不能忽略，而造成φ-x 理論上並非成線性關係 （φ-x 沿主要模態之線性關係上下震盪），則線性回歸所得到之頻散 曲線仍為有效頻散曲線。但若測線展距夠長，則其線性回歸可得到各 頻率之主要模態之相位速度，因此多頻道表面波譜法所得到之頻散曲 線可能為包含不同模態頻散曲線之不連續曲線，亦即在某些頻率可能 由某一模態跳至另一模態，因此在反算分析時必須考慮其波傳模式所 求得之頻散曲線與量測得到之頻散曲線之相容性。現場測線的佈置方 式如圖 2.14，現場施測人員也能有效率的執行資料收集減少施測的時 間。 2.2.4.2 MWTSW 多頻道波場轉換法常見於地球物理領域之濾波處理， 包括頻率 波數轉換法 Frequency-Wavenumber Transform, f-k Transform）及慢度 頻率轉換法（Slowness- FrequencyTransform, p-w Transform），用以 區隔表面波與實體波，本研究使用多頻道波場轉換法(MWTSW)之頻 率波數轉換法(f-k Transform)，作為震波資料影像分析。來求取表面 波之頻散曲線。

多頻道震波資料 U(t,x)經由快速富麗葉轉換(FFT)，轉換至頻率-空間域(f-x dormain)如式(2-12)，在經離散空間域富麗葉變換(DSFT)，

轉換至頻率-波數域(f-k dormain)如式(2-13)。快速傅麗葉變換(FFT)和 離散空間傅立葉變換(DSFT)不同，因空間域的資料點數(受波器數 目 ， N) 遠 少 於 時 間 域 取 樣 點 數 (M) ， 經 由 離 散 空 間 傅 立 葉 變 換 (DSFT)，使波數[k(f)]维持連續，波速軸之解析度不因空間取樣點數 少而喪失。

∑

− = − = 1 0 ) exp( ) , ( ) , ( N n n n i i k U f x jkx f Y ...(2-13) ] ) 1 [( , 1 t M i f i f x n x t m t j i n m Δ − = Δ = Δ = Δ = − = 如圖 2.15 顯示 DSFT 對U(f_i,x_n)在空間域的波數變換，圖上黑色 影像區即為該震盪訊號頻譜的尖峰值;尖峰值的曲線即為現地頻散曲 線(Despersion Curve)。 2.2.5 表面波方法之比較 利用表面波頻散特性作為資料分析的依據，主要分為上述幾種方 法。最早使用的穩態震動法(SSRW),利用一受波器與一正弦振盪器， 收錄某單一頻率下所對應的波長，完成一寬頻波段所對應的表面波波 速頻散曲線。此沒有複雜的訊號分析過程，雖然施測過程複雜，但已 提出了一新的概念，帶給了往後研究的無限可能。Stoke 提出一新的 表面波施測的方法以及訊號分析的流程,稱為表面波譜法(SASW),使 用一對受波器以及一脈衝式震源，提升了表面波施測的效率與便利

性，但是，SASW 每一施測幾何只能得到一部分頻率範圍的訊號，仍 需改變受波器間距以收錄寬頻的訊號，彙整每一施測幾何所得到的頻 散曲線，組合成一寬頻的頻散曲線再予已進行地層剪力波速反算。此 外，表面波譜法存在著實體波感染，無法有效區分實體波對表面波的 影響，尤其在低頻的訊號部份，內業處理過程，低頻訊號的錯誤會影 響在高頻訊號的計算，影響頻散曲線的組成。SASW 另一項限制是， 當地層變化複雜(如夾弱層)時，將有多重模態控制，SASW 並沒有處 理多重模態的機制。，隨著震測儀器的進步，多頻道震測儀的使用漸 為廣泛。開啟了進一步改善表面波震測的契機，藉由同一炸點收錄多 點的訊號，配合 2 维波譜轉換分析，可以有效的區隔實體波的影響、 提高訊號品質以及區分基態與高次模組訊號。各種表面波震測方法的 特性與限制，整理如表 2.2，該表之比較可知，多頻道表面波震測是 分析頻散曲線最佳的方法，本研究將進一步針對多頻道表面波震測進 行施測上的改良。

表 2. 2 表面波震測法 表面波震測法 (Surface Wave Method)

穩態震動法 (SSRW) 表面波譜法 (SASW) 多頻道表面波譜法 (MSASW) 表面波多頻道分析 (MASW) 震源種類 (Sources) ¾ 震盪器(Vibrator) ¾ 震盪器(Vibrator) ¾ 衝擊式震源 (Impulsive or Explosive) ¾ 震盪器(Vibrator) ¾ 衝擊式震源 (Impulsive or Explosive) ¾ 震盪器(Vibrator) ¾ 衝擊式震源 (Impact or Explosive) 受波器數目/種類 (Receiver No/items) ¾ 1 個/低頻受波器 ¾ 2 個/非常低頻受波 器 ¾ 2 個以上/低頻受波 器 ¾ 2 個以上/低頻受波 器 分析域/方法限制 (Analysis domain/Limitation) ¾ λR-x for each frequency ¾ 施測繁瑣 ¾ 不容易進行訊號控 制 ¾ 無法處理多重模態 的情形

¾ Δφ-f for a few fixed Δx ¾ 容易產生相位角摺 開錯誤 ¾ 不易進行雜訊控制 ¾ 無法處理多重模態 的情形 ¾ φ-x for each f ¾ 小波長仍有折開錯 誤的可能 ¾ 無法處理多重模態 的行為 ¾ f-k,f-p,或 f-v 頻譜

2.2.6 施測參數之影響 多頻道表面波震測在野外施測時，單一測線直線展開如圖 2.13 所示，為了要提高訊號雜訊比，同一個炸點可反覆疊加，用以消除隨 機雜訊突顯表面波訊號。為得到地層之側向變化，必須沿施測方向移 動測線展開，每次測線展開移動之距離視側向解析度之需求而定，測 線總長度等於第一測線展開到最後一個測線展開之距離。 影響現地收錄訊號品質的因素除了測線周遭之背景雜訊與環境 之影響外，在空間解析度與與探測深度的要求下，測線展距(nΔx)、 受波器間距(Δx)與等施測參數的配置，對訊號在頻譜分析的過程中； 在空間域上的離散化(decretization)與截斷(truncation)將會對波數域上 產生資料映頻(Aliasing)與資料遺漏(Leakage); 近站支距(x0)的設定將

會造成近、遠場效應(Near field、Far field effect)等影響。以下將分別 對這些影響與施測參數的選擇做進一步的說明。 (1)映頻干擾(Aliasing) z 時域(Temporal domain) 進行 Fourier 轉換資料時，根據取樣理論，準確表示頻譜的 頻率範圍是 1/2Δt，稱為 Nyquist frequency。因此Δt的倒數將 必須大於 2 倍訊號量測之最大頻率( fmax)，如式(2.14)所示; 為避免映頻干擾造成頻譜失真的影響，此一部分已可由現代

化震測儀選用夠小之Δt與反映頻率波設備解決。 max 2 1 f t > Δ ...(2-14) z 空間域(Spatial dormain) 當進行 MSASW 分析時，空間域受波器間距(Δx)不夠小可能 導致某些波長在進行x−φ 摺開時產生錯誤，因此受波器間距 x Δ 必須小於 0.5 倍欲探測之最小波長(λmin,最小空間解析度) 式(2-15)，使小波長之相位角摺開之過程不產生錯誤，提高 頻散曲線之正確性。 2 min λ < Δx ...(2-15) 進行 MWTSW 分析資料時，受波器間距Δx不夠小，在 f-x dormain

轉換至 f-k domain 時，將對波數 (k，wave number)產生映頻影響，造 成在 f-k domain 錯誤的能量頻譜分布，導致錯誤的尖峰值挑選。滿足 (2-15)可避免因離散造成的能量頻譜分布。 (2) 資料遺漏(Leakage) z 時間域 當收錄時間 T 式(2-16)，大於衝擊式震源產之震波延時 t M − )1Δ ( (duration)大於訊號長度，將不會發生頻率域上資料 遺漏。若對一穩態簡諧訊號，頻率域上資料遺漏可以降至一 可接受範圍，如果(M − )1Δt使用以下準則:

min 1 ) 1 ( f t M − Δ > ...(2-16) 其中， fmin為震源所能產生之最低頻頻率。 以現行使用之資料擷取系統而言，其取樣率及取樣點數大多可避 免映頻與資料遺漏的問題。 z 空間域 當以波場轉換法(如 f-k 分析法)分析頻散曲線時，因為計算 相位速度震波資料之空間展距(測線長度)無法無限延伸，有 限的展距相當於空間域的截斷(truncation)，使得轉換後的頻 譜產生頻譜遺漏的現象，因此測線長度必須滿足下式(2-17) 避免資料遺漏發生。 max ) 1 ( − Δ >λ = N x L ...(2-17) 其中，L 為測線長度，λmax為最大波長亦即最大探測深度。 頻率波數頻譜分析法能對震態訊號做有效的區分，尤其當 訊號由多重模態所組成，然而限制是需要足夠的側線展距 (2-17)與鄰近兩震態之波數須滿足式(2-18)才能使模態辨別 解析度提高(Lin and Chang,2004)。

k

L> 2π ...(2-18)

其中，k =k0 −k1，k0與k1為鄰近之兩震態波數，若無法足(2-17)與(2-18)

譜影像成暈開的現象，使多重震態不易區分。如圖2.16，dx = 4 m， 測線展距分別為256 m 及60 m，若測線之展距夠長，在f-v 頻譜可以 分辨不同振態之頻散曲線。

(3) 近場、遠場效應(Near-Far filed effect)

如圖 2-17，因近場效應的干擾，雷利波在傳離震源某一距離 後，方能將其視為平面波(Plane Wave)。在多數的情況下，表 面波之平面波傳僅在近站之距大於二分之ㄧ最大欲求波長時 發生。近站之距越大則收錄資料之低頻部份品質越佳，亦即 可量測的頻率越低。雖然表面波的能量遠大於實體波，但高 頻波(小波長)傳導於衰減效應顯著的表面層，使長支距所收錄 的訊號遭受到實體波干擾，稱之為遠場效應。

2.3 表面波震測施測設備

現地量測設備主要分為三部份:震測儀、震源與受波器。經過不 斷地技術改進，震測儀的功能越益強大，使資料之收錄更加完備。新 式之震測儀更可將訊號分析軟體整合於儀器之上，可立即對現場收錄 之訊號加以評估，免除因訊號效果不佳而造成後續判讀之困難。根據 試驗要求以及施測區域環境之影響，不同形式之震源產生之脈衝波訊 號有不同之頻譜特性，因此優先選用一合適之震源於測線施測相當重 要(Richard 1992,1994)。震源產生之擾動經由地層傳遞後，攜帶之資

訊在地表由受波器接收。根據不同之震測法，受波器的選用，要求亦 不相同。表面波震測之探測深度取決於是否可得到足夠低頻之訊號， ㄧ般使用低共振頻率之速度型受波器於資料收錄，避免低頻訊號失 真。 本研究將對低頻訊號之產生與施測程序加以改善，以下將對著眼 之震源與受波器加以介紹: (1) 震源: 震波能量的產生方式，有一般之手持式榔頭、炸藥、自由落槌(類 似 SPT 落槌)、空氣槍及可控式之震盪器(Vibrator)產生，了解每一種 震源產生之能量頻率範圍之頻譜特性與整個可用頻寬帶的範圍，有助 於在不同地質條件與施測要求下，選擇合適的設備，作良好的施測與 資料擷取，以獲得清晰的資料品質(Richard D.Miller 1992,1994 )。一 般正弦震盪器如圖 2.18，可以逐一針對單一頻率進行資料收錄，訊號 重複性高，可反覆檢核以獲得良好的訊號品質，但所耗費的量測時間 將較長。炸藥如圖 2.19 所示，和其他震源比較，具有最佳的穿透能 力，但施測時須先預鑽炸葯孔，炸射後會對炸點位置產生破壞，使用 上，若操作不當，必定造成相當之危險性。此外，使用炸藥當震源， 是一項耗費昂貴的項目，故常用於深層震測試驗上。不同鎚頭重量的 鐵鎚，如圖 2.20 所示，是淺層震測作業中最常使用的震源，具有便

利性高耗費低且可以不斷疊加訊號的能量，提高訊號雜訊比，但較缺 乏足夠的彽頻能量穿透地層。加速度落槌系統如圖 2.21 則可以產生 比鐵槌大、但較炸藥小的能量傳遞，但兼顧了時效性與減少對環境的 傷害，此外亦可疊加訊號，直到要求之訊號雜訊比。 為了解不同種類震源的適用性與其特性，學者(Richard 1992,1994) 以法反射震測為主要探討的標的，對當時反射震測法所常用之多種震 源表 2.3 於三個不同地質條件之區域做了一系列震源之研究。並對該 測區提供適合施測之震源建議，如表 2.4 顯示地下水位高，膠結良好 細粒料地質適合以孔內震源施測。中等顆粒不良膠結之地質適合以鐵 鎚或落槌施測。細顆粒膠結尚可之地質條件適合以孔內震源施測。根 據 Richard(1992,1994)與 Miller(1986)的研究指出: 地層水位高之地質 適合以孔內震源或鐵鎚施測，若地表情況乾燥且堅硬使用落槌或是投 射式震源將可獲得較佳的資料。 執行表面波震測，選擇一適當之震源形式及了解其擾動所傳達的 頻譜特性，是現地施測重要的一環。本研究所目前所使用的震源設備 有小鐵槌(3lb)、大鐵鎚(12lb)與彈力加速度重槌(EWG)。配合 Walkaway 施測，在不同近站支距選用不同之震源產生震波供受波器收錄已獲得 較寬之頻寬帶。ㄧ般小鐵槌提供較高頻的頻寬訊號，大鐵鎚與彈力加 速度重槌提供中高頻之訊號。此外搭配不同震源種類分析其整合後的

訊 號 ， 可 獲 得 比 單 一 震 源 產 生 之 訊 號 ， 得 到 好 的 分 析 結 果 (Richardson,1998)。 表面波震測藉以分析的是其特有的頻散現象，若收錄之訊號分析 後之頻率範圍在高低頻有高可信度的訊號資料產生，將有助於提升淺 層之空間解析度與探測深度。雖然可以震盪器來產生各頻率的訊號， 但此法耗費時間不具效益。戴源昱(2003)以橡皮墊作為衝擊式震源與 地面接觸之界面物產生擾動，與沒有墊片產生之擾動，結果比對，顯 示前者在低頻之延伸比後者之結果佳。因此，選擇一項適當的震源配 合合適的墊片，可提高頻寬帶的呈現，如圖 2.22 所示。 能量大的震波可避免遠場效應所造成之高頻訊號衰減的現象，亦 可延伸近站支距增加收錄長波長之低頻訊號。炸藥可以產生大能量的 震波，震波所穿透的深度深，但使用上卻會對使用之區域產生嚴重之 破壞，亦對超作人員造成嚴重安全影響，此外，本島使用炸藥做為震 源所受之管制相當嚴苛，因此擁有一項移動快速、輕便且能產生大能 量訊號之震源將有助於提升頻寬帶的組成。 (2) 受波器 表面波為ㄧ低頻、低速之震波，使用高自然頻率之受波器不易接 收到表面波之訊號，本研究使用 OYO Geosapce 公司出產之 GS-11D 型電磁式速度受波器，如圖 2.23 所示。其自然頻率為 4.5HZ，震波頻

率低於受波器之自然頻率則該型受波器不易接收震此低頻部份之訊 號，類同一低切率頻。該型受波器尾端為ㄧ圓錐鋼釘(具磁性)，長 6 公分，用以插入並固定於地表，受波器尾端有一正負極接頭用以連接 震測纜線。 傳統之多頻道表面波震測施測，是將長釘式電磁式速度受波器插 在地表，如圖 2.23 所示，以獲得與地面良好的束制行為。當測線位 置是在道路鋪面上，受波器位置需先以電鑽在地面上鑽洞後插入。因 此在測線施測之前的前置鑽洞作業與測線展移的程序將耗費相當多 的時間。Steeples et al(1997)指出﹕減少震波探測所耗費之時間，受波 器佈設在測線上需更為快速，因此，設計具有移動性與收錄高品質訊 號資料之新式受波器系統，將有助於改善施測之效率使試驗程序更加 完善，並減少震波探測所耗費之金額與時效性。以下將介紹一些新式 受波器形式，將有效減少耗費的金錢與人力，並改善施測之效率。 Land streamer 為將多個受波器束制在皮帶上，拖著移動來擷取 震 波 資 料 。 Streamer 名 稱 的 由 來 ， 源 自 於 施 作 海 洋 震 測 時 將 hydrophone 拖曳在船尾，稱為 marine streamer，以接收大量的震波資 訊，如此施作的效率及判讀之結果，就海洋震測應用具有良好價值。 Marine streamer 良好的施做效率，及其方便的特性施做模式，經過發 展而有 land streamer 的出現。目前 land streamer 已有諸多研究，設計

上也有不同樣本，應用上，可使用於震波探測法中的反射法、折射法 和表面波震測上。(Geomatrics,2000) 陸地上使用的 streamer 需要面對地質構造複雜、地形崎嶇、背景 雜訊大擾亂資料收集等限制。早期極地震測使用 snowstreamer 在多方 的改革下 land streamer 應用在ㄧ般地質調查的廣度能見度也相對增 加，針對 landstreamern 所做得資料擷取判讀和傳統使用 spike 接收器 接收的震測資料的研究也愈益成熟。

目 前 Land streamer 已 有 多 種 創 新 的 製 作 模 式 (Geometrics 2003)，新式受波器系統和傳統的插入式受波器資料之可靠度與系統 適用性已漸成熟(Van der veen 1998，Geoprofiles 2003)，landstreamer 現地施測也以廣泛應用至折射與反射震測之震波探測上(Van der veen 1998,2001)。land streamer 適用在多種方面，在施作震測上，是一種” 可行又經濟的調查方式，相較於大量工作而昂貴的傳統的施測程序” 是為一更好的選擇(Geometrics 2003)。以下將介紹由不同研究單位與 商業機構所製作之 Land streamer 與資料比對。

(1) ETH,Switzerland

Van der Veen et al(1998,2001)，針對 land streamer 與傳統之插入式 受波器(spike geophone)所收錄之震波資料做了一完整的研究報告。該 研究所使用之 Land streamer，如圖 2.24。將多個 self-orienting gimbal

geophone(定位式平衡環受波器)，束制在橡皮帶上，藉由橡皮帶本身 之自重提供 gimbal geophone 良好的正向力與地表接觸，並避免訊號 纜線拖曳所造成之摩擦。(Krohn,1976 研究指出，插入式受波器與地 表束制之情況，將影響高頻波之遞減與訊號品質，未插入地表之受波 器可藉由增加受波器之重量加強與地面之接觸，減少束制不佳造成之 訊號減弱)。該研究將傳統式插入式受波器與 Land streamer 比對在不 同之地面環境所收錄之震波資料(草地、柏油路、砂礫石路面)，結果 顯示，可藉由增加受波器之重量或挖掘一小型溝槽放置受波器提高與 地面之接觸，改善震波資料品質，也證實該新式受波器系統有效的收 錄地下結構所傳遞出之訊息，與傳統插入式之受波器所收錄之資料只 有些微的差別，如圖 2.25 所示。

(2) KGS(Kansas Geological Survey)

KGS 所研發之 Landstreamer 和 Van der Veen et al 所使用之系統不 同，如圖 2.26，將插入式之受波器與類似雞爪釘之三角鑄鐵盤(Weight cutter)焊在一起，藉由該設計，可以在鬆軟之砂礫石或植被表面上的 到比較好的地面接觸，整組受波器乃束制在消防水管內，並於管內放 置鐵鍊，以增加受波器與地表之接觸與穩定性，消防管可減少因拖曳 對儀器所形成之破壞。 (3) Tyrens,Sweden 使用由 OYO 出產之 4.5Hz 受波器固定在 4kg 重之鐵板上，藉以

增加正向力與地面接觸，如圖 2.27 所示。圖 2.28 為該機構使用其 Landstreamer 施作 MASW 所描繪之 2-D 地下剪力波速剖面。 上述新式受波器設備，都藉由增加重量來改善受波器與地面之束 制行為，提高資料收錄的完整性。設備主要之差異在於受波器形式的 不同如圖 2.29(a)所示。Gimbal geophone 內具有傳統插入式受波器內 之速度感測器(三向度)，並放置在一黏滯性流體內(viscous fluid) 如圖 2.30(b)，減少雜訊對震波資料收錄的影響。並藉由流體的流動維持感 測器與地面的垂直度，該受波器亦可由施測者於實驗進行中，將位在 黏滯性流體之感測器固定，因此得以減少雜訊對震波的影響。 表面波能量遠大於實體波，使用 land streamer 收錄表面波訊號是 非常適合的，對於淺層地層探測的需要及解析度的要求，測線的長度 以及受波器的間距都很小，傳統插入式接收器作業上需耗費相當大的 時間和人力，因而限制了震波探測的適用性，使用 land streamer 可以 使震波探測法更具有效率使其更人性化。

圖 2.2 波傳行式與路徑(KGS,2000)

圖 2.4 彈性半無限域波傳速度與伯松比(Poison ratio)之關係(Richart 1962)

圖 2.6 表面波之頻散現象

圖 2.8 受波器距離與波數(Number of cycles)之關係圖(Richart,1970)

圖 2.10 表面波譜法現地配置圖

圖 2.13 MASW 現場佈線 圖 2.14 相位角摺開之過程 xo L dx xo dx L : 側線展距 ：炸點 ：受波器 ：近站支距 ：受波器間距

圖 2.15 MWTSW 分析流程，圖上之黑色區域即能量之顛峰值

圖 2.16 f-v dormain 測線展距對資料遺漏之影響

圖 2.17 近場、遠廠效應影響

圖 2.18 震源-正弦震盪器 圖 2.19 震源-炸葯

表 2.4 測區地質與結果

Site Item

New Jersey Califonia Texas

Water Table 0.8m >30m 7m Target Depth 80m clay 11m 7m/15m General geology

Grain size Fine to midium Fine to coarse Fine Soring Well Poor Medium to well Material Type Sands,clays.gravels Sand and gravel Sands,clays,gravels Average Velocity 1600m/s 320m/s 390-470m/s

Drilling Firm/moist Hard/loose Firm/dry Best source for

Targe and condition

Downhole,high Explosive Sledgehammer/weight Drop Downhole/weight Drop Primary positive Characteristic of Best source Highest frequency And broadest bandwidth Most coherent Reflected energy Highest frequency Most coherence Best atternate source Subsurface projectile/weight drop projectile projectile

Worst source for Site and condition

Subsurface Projectile

圖 2.23 ETH Landstreamer(Van deer Veen 1998) 圖 2.24 (a) 插 入 式 受 波 器 ( 左 側 ) 與 Landstreamer 所收錄之震波資料。(b)、(c) 為經過描線處理後之剖面。(d)為兩者頗 面之差異性

a

b

c

d

圖 2.27 Tyren Landstreamer

圖 2.28 2-D Vs-profile by Tyren

第三章 研究方法

多頻道表面波震測法為一快速、有效的非破壞性地球物理探測 法，經由訊號處理與反算分析，可獲得與淺層地質材料強度息息相關 的剪力波速值。但多頻道表面波震測法之探測深度侷限於一個波長長 度之範圍，根據波傳特性，長波長乃一低頻率的訊號，受限於地質材 料與儀器的限制，低頻波訊號品質往往不佳，再則頻率範圍不夠低， 影響探測之深度，本研究將探討並改善低頻波之效果，首先將探討本 研究使用之震源的頻譜特性，進而搭配不同種類之鎚墊，改善低頻波 訊號品質。此外，為了增加現地施測的效率性，使用新式受波器以替 代傳統插入式受波器的可行性，將由ㄧ試驗組資料的比對驗證在不同 場址之適用性。 此外，為校合比對新式研發之震源、採用之墊片與新式受波器系 統所收錄之資料是否達到預期之需求，前人對於震源與受波器之探討 主要針對反射震測，本研究將以表面波分析為主，從不同的分析域， 進行資料分析與比較，以獲得最佳的資料解釋。以下將對所採用之表 面波訊號分析作一系統性的介紹。

3.1 表面波特性分析

3.1.1 時間-空間域(t-x domain) 時間-空間域的訊號的資料呈現即是以震測收錄的原始波場資

料，由 t-x domain 雖然無法直接分析頻散曲線，但可初步判斷表面波 訊號速度頻散的範圍，作為後續分析頻散曲線之速度範圍的參考值。 如圖 3.1 圖 3.1 時間域之震波資料與波速範圍 3.1.2 頻率-空間域振幅頻譜(f-A-x domain)) 多頻道表面波時間域震波資料於時間軸做一次快速傅利葉轉 換，為一複複頻譜，針對每一頻率延測線展距範圍繪制複數頻譜之振 幅頻譜或能量頻譜，呈現出之影像可清楚看到不同受波器與震源之頻 率內涵，對不同震源支距的波傳所能產生的訊號頻寬進行了解。頻率 -空間域之振幅頻譜，如圖 3.2 所示，由 f(A)-x domain 可以清楚了解 高頻訊號隨近站之遽增加而衰減的現象(亦即遠場效應)。

圖 3.2 能量頻譜

有時影像不易分辨能量頻譜的大小，為比較不同震源或受波器的 頻譜特性，本研究將針對某些震源支距，受波器收錄之資料，繪制其 能亮頻譜。如圖 3.3。

3.1.3 頻率空間域實部頻譜(f(R)-x) 多頻道表面波時間域震波資料於時間軸做一次快速傅利葉變為 一複數頻譜。針對每一頻率延測線展距範圍繪制複數頻譜之實部，對 每一頻率可了解其呈現良好平面波行為之展距範圍，如圖 3.4 所示， 由 f(R)-x 之影像，可以清楚發生近場效應與遠場效應之展距範圍。 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F requency Offset (m) real part spectrum

圖 3.4 震波實部頻譜 3.1.4 頻率-速度能量頻譜(f-v energy spectrum) 多頻道震波資料 U(t,x)經由快速富麗葉轉換(FFT)，轉換至頻率-空間域(f-x dormain)如式(2-12)，在經離散空間域富麗葉變換(DSFT)， 轉換至頻率-波數域(f-k dormain)如式(2-13)。圖(3.5)上黑色影像區即為 該震盪訊號頻譜的尖峰值，組合多點則為頻散曲線。圖 3.5，f-v 能量 頻譜可以了解頻率與波速之頻散行為。

圖 3.5 震波之頻散曲線 3.1.5 頻率波長能量頻譜(f-λ energy spectrum) 表現頻散曲線的方式有很多種，例如 f-v，f-p 或 f-λ，藉由表面 波 f-v 能量頻譜，可以觀察表面波訊號的頻散行為，但與地層探測深 度直接相關的波長(λ)，卻無法由 f-v 能量頻譜上直接觀察。在此， 本研究亦提出表面波之 f-λ能量頻譜，如圖 3.6 所示。呈現訊號頻率 與波長對應的關係，並與前述一節之 f-v 能量頻譜互相較核比對，以 更清楚表現表面波訊號頻率與波速的頻散行為。根據 2.2.1 所述，表 面波的探測深度影響範圍約侷限在一個波長波長λ，在未經反算的訊 號處理程序下，藉由 f-v 與 f-λ能量譜的較核比對，可定性的了解地 層速度的分佈，亦可以簡易反算法直接初步估計剪力波速剖面，做為 進一部反算分析的初始值。 Phase Velocity, v ph (m/s) F requenc y , f ( H z ) 100 200 300 400 500 600 700 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

圖 3.6 震波之 f-λ 剖面

3.2 震測設備特性探討

多頻道表面波震測法現地施測時，選定合適的或不同震源種類可 以產生良好的表面波訊號，供訊號分析及反算之用。因此了解試驗使 用之震源本身所能產生之頻譜及其於不同的地質條件下能量集中之 範圍，可定性描述在不同施測條下，適用之震源種類。此外，不良頻 率訊號可再藉由不同之施測參數與儀器配置，提升資料品質，增加其 應用性。 隨著多頻道震測儀的改良，訊號資料收錄的完整性與可靠度獲得 有效的改善。然而，現存之現場施測方式與儀器的配置，往往耗費相 當多的人力與時間。Steeples(1997)指出:隨著震測儀的進步，如何改 善施測效率在於如何快速地將受波器佈置於測線上。 傳統之多頻道表面波震測施測，是將長柄式速度受波器，圖(2.22)

插在地表上，以獲得與地面良好的束制行為。當測線位置是在道路鋪 面上，受波器位置需先以電鑽在地面上鑽洞後插入。因此在測線施測 之前的前置鑽洞作業與測線展移的程序將耗費相當多的時間。所以設 計具有移動性與資料可靠度之新式受波器系統，將有助於改善施測之 效率使試驗程序更加完善。以下將對本研究所使用之震源與新式受波 器及試驗規畫作一系統性描述，並於第四章對本章節所得到之試驗結 果進行呈現與討論。 3.2.1 震源規格 本研究經常所使用之震源種類有: (1) 大鎚:鎚頭重 12lb 之鐵鎚(3.7b) (2) 彈力加速度器:Gisco 公司出產之震源系統，使用 0.5 英吋寬 之橡皮帶提供作用力，重槌落距最大達 18 英吋，如圖 2.21。 經由現場試驗累積之經驗發現，目前本研究所使用之震源在遠炸 點施炸有能量不足之處，雖然疊加數次炸測資料可稍微提高訊號雜訊 比，但低頻訊號之能量不佳。製作一套移動便利且可產生大能量之震 源系統將可增進資料品質，增加資料贅餘性，提供更多的參考資料。 此外，低頻表面波訊號難以收錄，如何搭配不同震源與墊片或其他不 同之方式以改善低頻波訊號，亦是本研究將探討之項目之ㄧ。 參考 SPT 落槌系統的設計，本研究所製作之自由落槌系統，相

較於大型的震源種類，更具經濟性且機動性佳。該系統包含支撐部份 的三腳架，懸吊重槌的手拉式吊臂與聯接懸吊機制與落槌的安全滑扣 及落槌本體。描述如下: (1) 三腳架:連桿接合長度為 3.5 米。腳架在許可範圍下展開，中 點重鎚垂直落距可達 2.5 米。改變落距，觀察其頻譜特性。 懸吊機制: 採用日本 VITAL 公司所出產之手拉式吊臂，安全荷重 500 公斤。 (2) 安全係數 1.5。安全滑扣最大荷重 500 公斤。 (3) 重鎚: 材質為碳鐵，非原生鐵，不易脆化。重鎚直徑為 30 公 分之球體，重量 125 公斤，球體上部有一 U 型扣環宇懸吊系統連 接。 (4) 移動: 以立式推車作為移動在距，如圖 3.8(a)，機動性佳。現 地組裝完成，如圖 3.8(b)。 此外，根據戴源昱(2004)研究報告指出，藉由震源配合不同鎚 墊，可有效改善低頻波訊號頻率範圍，如圖 2.22。改善低頻波訊號範 圍，將有效提高表面波震測探測深度。本研究使用墊片規格如下: (1)鐵板:直徑 25 公分之圓鐵板，厚 4 公分。如圖 3.9 (2)橡膠墊片:30 公分見方之鎚墊，分別採用厚度為 0.5、1，2 公 分與 3 公分之橡皮墊，如圖 3.10。

3.2.2 受波器改良設計

參考 Kansas Geological Survey(USA)與 Tyrens(Swedens)所使用之 設計，本研究使用鋁合金鈑，該材料具有如下特性:質輕、高強度、 高耐蝕性、易加工與環保等優點。加工處理後做為新式受波器之底 座 ， 如 圖 3.11 ， 上 盤 尺 寸 為 16*10*0.6cm^3; 下 盤 尺 寸 為 12*10*0.6cm^3，上、下盤分別以 4 組 1/8 英吋螺帽緊扣，總重為 0.6 公斤，並以 5 公分寬之聚酯纖維皮帶連接整組受波器，作為移動該受 波器系統之用。鄰近受波器間距可依施測目的做不同間距調整以配合 要求。如圖 3.12。 3.2.3 試驗規劃 試驗目的在於了解本研究所使用之震源所產生震波，能量衰減之 情形與不同鎚墊組合產生之訊號頻譜特性及新式受波器與傳統插入 式受波器收錄資料之比對。 新式受波器系統與傳統插入式受波器所收錄之資料比較，為檢測 新式受波器收錄震波資料之可靠性與不同地表面該系統之適用性，將 以傳統插入式受波器收錄之資料作為真值與新式受波器系統之資料 作為試驗組比對。 目前本研究所使用之受波器底座加上 4.5Hz 受波器，重量約 0.7 公斤，為了解重量參數對訊號品質的影響，尤其在軟弱地表之表現。

將以不同重量之砝碼漸次增加在本研究所使用之受波器底座上，觀察 重量多寡與受波器底座與地面束制行為以及對訊號品質產生的影響。 為求證以上所提之項目，所規劃的測線參數，現地測線配置如圖 3.13。並列 12 組傳統插入式受波器與 12 組新式受波器於同一條測線 上，受波器間距因試驗所需可因應調整，本試驗組採用 1m 之受波器 間距，因此本測線測線展距 L 長 11m，近站之距X0採用 5m 之展距。 此外，本試驗組，施測採 Walk-away 方式進行，於第一炸點施測後， 第二炸點往後展延一條測線之長度 L，近站之距則為X₀ +L，於此類 推，第三炸點，近站之距為X₀ +2L，第 n 炸點，近站之距為X₀ +nL。 為了解鎚墊的特性，不同震源與不同鎚墊的組合將於每一炸點施作， 對擷取的資料全都錄，並於第四章中對不同之目的對資料作詳細的解 釋。實驗參數設計如表 3.2。表 3.2 列有本研究所常使用之震源種類 以及不同施測之區域之地面條件和不同之鎚墊，藉由不同的組合對不 同之測線作資料擷取的工作，進而由頻譜分析解釋不同震源的頻譜特 性以及不同鎚墊對訊號頻譜的影響，尤其著重在低頻訊號的改善。此 外不同測區測線接觸面對新式受波器訊號收錄的影響，施測項目一併 列舉於表 3.2。本研究所考慮的地表接觸面主要有瀝青鋪面與軟弱地 表面，軟弱地表面又細分一般砂礫為主的表面與草地接觸面。目前本 研究所以使用之受波器底座加上 4.5Hz 受波器，重量約 0.7 公斤，為

了解新式受波器重量參數對受波器於軟弱地面束制之行為以及訊號 品質之影響程度，將以不同重量之砝瑪漸次增加在本研究所使用之受 波器底座上，藉由不同頻譜分析法觀察重量多寡對訊號品質影響程 度。

表 3.1 實驗參數配置 圖 3.7 鎚頭重 12lb 支大鐵鎚 震 源 鎚 擊 接 觸 面 小鎚 大鎚 彈力加 速度器 自由落 槌 自由落 槌 落 距 1.5 米 2.5 米 鐵板 Ο Ο Ο Ο Ο 1cm 橡皮墊 Ο Ο Ο Ο Ο 瀝 青 2cm 橡皮墊 Ο Ο Ο Ο Ο 鐵板 Ο Ο Ο Ο Ο 1cm 橡皮墊 Ο Ο Ο Ο Ο 軟 落 地 表 2cm 橡皮墊 Ο Ο Ο Ο Ο

圖 3.8 新式落槌系統

圖 3.9 震源墊片之鐵板 圖 3.10 震源墊片之橡皮墊

3cm 2cm

1cm 0.5cm

圖 3.11 新式受波器底座

圖 3.12 新式受波器

正視(上盤)

側視

dx 1st 2nd 3rd nth L 0 X L X0+ L X0+2 nL X0+ 震測儀 震源 ˊ 新式受波器 插入式受波器 鎚墊 圖 3.13 現地配置圖

第四章 震源與受波器之特性

4.1 震源特性

本章節將針對目前本論文所使用的震源種類按其其能量大小、頻 譜特性進行了解，再則觀察震源與不同鎚墊組合所產生的訊號頻譜， 以及低頻訊號之資料品質。並藉由一系統化的震源頻譜解釋不同種類 震源的特性，作為野外施測配置時，選用震源種類之參考。 4.1.1 震源 測線一位於博愛校區瀝青鋪面施測項目如表 3.1 所示，選擇三種 類型的震源種類，分別為鎚頭 12 磅重之大鐵鎚(BH)、彈力加速度器 (AF)及自由落槌(WD)做為施測震源；以直徑 25cm、4 公分厚之鐵板 (Ip)作為墊片，採用傳統插入式受波器收錄的資料進行資料分析。 大鐵鎚與彈力加速度器之 Walk-Away 施測資料接合後得到測線 展距範圍 16m~104m 的震波歷時資料；自由落槌施測資料接合後得到 測線展距範圍為 38m~104m 的震波歷時資料，將接合後之的資料經由 訊號分析處理後為頻率空間域(f-x)資料，繪製經沿受波器方向正規化 之 不 同 展 距 及 所 對 應 不 同 頻 率 的 實 部 頻 譜 (f(R)-x) 、 能 量 頻 譜 f(A)-x，及頻散曲線 f-v。 震源 BH 所產生之相關訊號處理結果，如圖 4.1 所示，圖 4.2 與 圖 4.3 為彈力加速度器與自由落槌所對應的資料，格式與圖 4.1 相同。 以下分別就不同的分析域作討論: 圖 3.13 現地配置圖