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研究生: 徐政華
Hsu, Cheng-Hua
論文名稱: 複數連續小波轉換應用於下孔式、跨孔式震測法之研究
The Study of Borehole Seismic Test Result Using Complex Continuous Wavelet Transform
指導教授: 倪勝火
Ni, Sheng-Huoo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 120
中文關鍵詞: 鑽孔震測法下孔震測法跨孔震測法複數連續小波轉換複數小波時頻分析
外文關鍵詞: Downhole seismic test, cross-hole seismic test, complex continuous wavelet transform, time-frequency analysis, complex wavelet
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  • 摘要
    為求取真實的土壤動態性質,野外現地試驗是不可缺少的一環,鑽孔震測法在土壤波速檢測中經常被提起,其試驗獲得的剪力波速,可透過彈性波傳理論得到剪力模數,為獲得準確的剪力模數,判斷準確的剪力波速是必要的。傳統上多透過人為判斷應力波傳遞到受波器的時間,波形特徵微弱時,多半含有人為誤差,本研究透過複數連續小波轉換,進行訊號處理,藉由傅利葉轉換得到的最大振幅頻率,並應用於時頻域的時頻分析和相角頻譜圖,企圖降低人為判斷的誤差、實現客觀判斷波傳時間的目的。對於小波轉換使用的參數沒有一定標準,為提高分析結果的效率、準確率,本研究透過可行性調查,分析可用的參數,並透過整體分析,確定合用於鑽孔震測法的函數及參數。研究結果顯示:應力波最大振幅頻率約在50~100 Hz時,下孔式震測法適合使用複數Gaussian、複數Morlet小波,跨孔式震測法適合使用複數Gaussian、複數Morlet小波。上述小波函數與參數的轉換結果與人工判讀誤差< 3 %,甚至在雜訊程度很高的波形也能辨別,並能提供下孔式震測法頻譜-深度關係圖,以達成判斷波傳時間的目的。

    SUMMARY
    In order to obtain the real dynamic properties of soil, the field test is an indispensable method. The borehole seismic test is often mentioned in the detection of soil wave velocity. The shear modulus can be obtained by elastic wave propagation theory and shear wave velocity. In order to obtain accurate shear modulus, it is necessary to judge the shear wave velocity accurately. Traditionally, the time which stress waves transmitted to the receiver is judged artificially. When the waveform characteristics are weak, most of them contain artificial errors. In this study, the signal processing is carried out by a complex continuous wavelet transform. The maximum amplitude-frequency obtained by Fourier transform is applied to time-frequency analysis and phase-angle spectrogram in the time-frequency domain in attempt to reduce the error of artificial judgment and realize the objective judgment of wave propagation time.
    The results show that when the maximum amplitude-frequency of stress wave is about 50 Hz to 100 Hz, the downhole seismic method is suitable to use complex Gaussian, complex Morlet, and the cross-hole seismic method is suitable to use complex Gaussian and complex Morlet. The error between the results of the transformation result and artificial judgment is less than 3%.

    目錄 摘要 I Extended Abstract III 致謝 XV 目錄 XVII 表目錄 XXI 圖目錄 XXIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法 1 1.3 研究內容 2 第二章 文獻回顧與相關理論 5 2.1 前言 5 2.2 文獻回顧 5 2.3 震測法之回顧 8 2.3.1 基本波傳理論 8 2.3.2 震測法簡介 21 2.4 小波相關理論 32 2.4.1 傅立葉轉換 32 2.4.2 小波轉換 33 2.4.3 連續小波轉換 34 2.4.4 複數連續小波轉換 37 2.4.5 母小波介紹 38 第三章 現地試驗與分析方法 43 3.1 試驗地點 43 3.2 試驗儀器與設備 45 3.2.1 受波器 45 3.2.2 應力波源 45 3.2.3 氣壓供應系統 47 3.2.4 信號調節器 47 3.2.5 電腦與軟體 47 3.2.6 擷取卡 47 3.3 試驗步驟與方法 55 3.3.1 儀器架設 55 3.3.2 Novian分析軟體設定 56 3.3.3 試驗步驟 56 3.4 分析步驟與方法 57 3.4.1 EDAA介面介紹 57 3.4.2 訊號分析方法與流程 58 第四章 母小波函數選擇 61 4.1. 母小波函數及參數選擇 61 4.1.1. 母小波函數選擇原則 61 4.1.2. 母小波函數參數篩選 62 4.2. Complex Gaussian小波函數參數篩選 67 4.2.1. 下孔式震測法complex Gaussian參數篩選結果 68 4.2.2. 跨孔式震測法complex Gaussian參數篩選結果 71 4.3. Complex Morlet小波函數參數篩選 74 4.3.1. 下孔式震測法complex Morlet參數篩選結果 76 4.3.2. 跨孔式震測法complex Morlet參數篩選結果 79 4.4. 母小波參數選擇小結 82 第五章 分析結果與討論 83 5.1 前言 83 5.2 跨孔式震測法分析簡介 83 5.2.1 乙地試驗場結果 85 5.3 下孔式震測法分析簡介 90 5.3.1 甲地試驗場結果 92 5.3.2 乙地試驗場結果 96 第六章 結論與建議 103 6.1 結論 103 6.2 建議 104 參考文獻 105 附錄A 甲現地試驗場B1孔鑽探報告 109 附錄B 乙現地試驗場BH4鑽探報告 111 附錄C 甲現地試驗場下孔式震測法記錄 115 附錄D 乙現地試驗場下孔式震測法記錄 117 附錄E 乙現地試驗場跨孔式震測法記錄 119   表目錄 表2.1 K值內插表 23 表2.2 墊塊距離回顧 29 表2.3 砂性土壤SPT-N值與相對密度之關係 44 表2.4 黏性土壤SPT-N值與單壓強度之關係 44 表4.1 下孔式震測法complex Gaussian初達波峰時間 68 表4.2 下孔式震測法complex Gaussian初達波峰誤差 68 表4.3 跨孔式震測法complex Gaussian初達波峰時間 71 表4.4 跨孔式震測法complex Gaussian初達波峰誤差 71 表4.5 下孔式震測法complex Morlet初達波峰時間 76 表4.6 下孔式震測法complex Morlet初達波峰誤差 76 表4.7 跨孔式震測法complex Morlet初達波峰時間 79 表4.8 跨孔式震測法complex Morlet初達波峰誤差 79 表4.9 母小波函數參數選擇結果與分析方法 82     圖目錄 圖1.1 研究流程 3 圖2.1 壓力波波傳示意圖 (Bolt, 1993) 11 圖2.2 剪力波波傳示意圖 (Bolt, 1993) 11 圖2.3 雷利波波傳示意圖 (Bolt, 1993) 11 圖2.4 拉夫波波傳示意圖 (Bolt, 1993) 11 圖2.5 側向束制一維桿件示意圖 14 圖2.6 一維桿件扭轉示意圖 14 圖2.7 三維空間下x方向的應力狀態 17 圖2.8 Snell’s law 示意圖 20 圖2.9 入射波造成的折射、反射波情形示意圖 20 圖2.10 現地試驗和實驗室動態試驗的剪應變範圍比較 24 圖2.11 正規化剪力模數 (G/Gmax)與剪應變關係 25 圖2.12 下孔式震測法設置剖面圖 (ASTM D7400/D7400M, 2019) 28 圖2.13 跨孔式震測法設置剖面圖 (ASTM D4428/D4428M, 2014) 30 圖2.14 Morlet小波受尺度及平移參數的影響變化圖 (盧家鋒,2013) 36 圖2.15 高斯零階導數實部曲線比較圖 (repaint from Wiki) 40 圖2.16 高斯差與高斯二階比較圖 (未考慮Cn係數) 40 圖2.17 Complex Morlet母小波函數 ( fb = 2, fc = 0.5) (Matlab wavemenu) 41 圖3.1 三向受波器與感應器分配頻道 49 圖3.2 鋁管與受波器相連情形 49 圖3.3 受波器設置情形 50 圖3.4 垂直向速度計 L28B 50 圖3.5 鋼筋水泥墊塊觸發設置 51 圖3.6 衝擊錘 Model 086D50 51 圖3.7 鋼筋混凝土墊塊 52 圖3.8 跨孔式震測法落錘及擷取卡連結情形 52 圖3.9 自製氣壓供應系統 53 圖3.10 氣壓供應系統內部示意圖 53 圖3.11 信號調節器 Model 480D06 54 圖3.12 USB單模組16位元四頻道A/DC轉接器 NI USB-9162 54 圖3.13 EDAA程式分析界面 58 圖3.14 波形疊合示意圖 60 圖4.1 下孔式震測法SH波歷時圖 62 圖4.2 跨孔式震測法SV波歷時圖 62 圖4.3 Matlab小波展示介面 64 圖4.4 時頻分析示意圖 65 圖4.5 最大振幅頻率之相角分析示意圖 65 圖4.6 複數連續小波參數選擇流程 66 圖4.7 cgau小波函數之實部、虛部、幅值與相角圖形 67 圖4.8 下孔式震測法complex Gaussian-1 69 圖4.9 下孔式震測法complex Gaussian-2 69 圖4.10 下孔式震測法complex Gaussian-3 70 圖4.11 下孔式震測法complex Gaussian-4 70 圖4.12 跨孔式震測法complex Gaussian-1 72 圖4.13跨孔式震測法complex Gaussian-2 72 圖4.14跨孔式震測法complex Gaussian-3 73 圖4.15跨孔式震測法complex Gaussian-4 73 圖4.16 cmor小波函數之實部、虛部、幅值與相角圖形 (fb皆為1) 75 圖4.17 下孔式震測法complex Morlet-ω0 = 1 77 圖4.18 下孔式震測法complex Morlet-ω0 = 2 77 圖4.19 下孔式震測法complex Morlet-ω0 = 3 78 圖4.20 下孔式震測法complex Morlet-ω0 = 4 78 圖4.21 跨孔式震測法complex Morlet-ω0 = 1 80 圖4.22 跨孔式震測法complex Morlet-ω0 = 2 80 圖4.23 跨孔式震測法complex Morlet-ω0 = 3 81 圖4.24 跨孔式震測法complex Morlet-ω0 = 4 81 圖5.1 時間域分析:(a)初達波(b)初達波峰 84 圖5.2 最大振幅頻率相角分析 (橫虛線100 Hz為剖面線) 84 圖5.3 乙地跨孔式震測法S波行進歷時圖 0-15m 86 圖5.4 乙地跨孔式震測法S波行進歷時圖 16-30m 87 圖5.5 乙地跨孔式震測法S波波速-深度關係圖 88 圖5.6 乙地跨孔式震測法S波波速土層剖面圖 89 圖5.7 時間域分析:(a)初達波(b)初達波峰 91 圖5.8 最大振幅頻率相角分析 (橫虛線62 Hz為剖面線) 91 圖5.9 時頻分析法 91 圖5.10 甲地下孔式震測法S波行進歷時圖 0-15 m 93 圖5.11 甲地下孔式S波歷時-深度關係圖 (時頻分析法) 94 圖5.12 甲地下孔式S波歷時-深度關係圖 (相角頻譜分析) 94 圖5.13 甲地下孔式震測法S波波速-深度關係圖 95 圖5.14 乙地下孔式震測法S波行進歷時圖 0-15 m 97 圖5.15 乙地下孔式震測法S波行進歷時圖 15-30 m 98 圖5.16 乙地下孔式S波歷時-深度關係圖 (時頻分析法) 99 圖5.17 乙地下孔式S波歷時-深度關係圖 (相角頻譜分析) 100 圖5.18 乙地下孔式震測法S波波速-深度關係圖 101

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    下載圖示 校內:2024-07-30公開
    校外:2024-07-30公開
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