橫波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)數(shù)值模擬

彭珣，郝磊

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州 072751）

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)進(jìn)口油氣資源總量居高不下，原油對(duì)外依存度高達(dá)72%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)44%，加大中國(guó)油氣資源勘探力度、提升油氣資源開(kāi)發(fā)水平迫在眉睫[1-2]。油氣資源開(kāi)發(fā)水平的提高離不開(kāi)勘探技術(shù)的進(jìn)步。隨著油氣勘探的主戰(zhàn)場(chǎng)逐步向深層、致密、隱蔽及非常規(guī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，勘探目標(biāo)日趨復(fù)雜，發(fā)現(xiàn)難度不斷增大，單獨(dú)依靠傳統(tǒng)縱波勘探存在地震分辨率低、地質(zhì)目標(biāo)成像精度不高等問(wèn)題。與縱波相比，橫波對(duì)介質(zhì)的各向異性響應(yīng)更敏感且傳播速度更低，是提高構(gòu)造成像精度與分辨率的勘探利器，更是氣田勘探的最有效方法[3]。但橫波激發(fā)難度大、傳播穩(wěn)定性差，長(zhǎng)期以來(lái)難以獲得品質(zhì)高、頻帶寬、能量強(qiáng)的橫波地震信號(hào)，是深層、非常規(guī)油氣領(lǐng)域橫波勘探的關(guān)鍵性難題。

可控震源是一種高效的地震勘探裝備，其地震信號(hào)連續(xù)可控、激發(fā)能量密集且可任意分配，使高效激發(fā)橫波成為可能[4-7]。橫波可控震源的激發(fā)本質(zhì)是通過(guò)振動(dòng)器與大地之間的相互作用產(chǎn)生地震波，而振動(dòng)器作為橫波可控震源的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其與大地的耦合振動(dòng)直接決定了橫波的激發(fā)效果，是研究橫波可控震源激發(fā)問(wèn)題的基礎(chǔ)。但目前橫波可控震源尚未大規(guī)模投入使用，主要集中在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，鮮有針對(duì)振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)的基礎(chǔ)性研究[8-9]。

相對(duì)而言，對(duì)縱波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)的研究較完善，研究方法及手段可為橫波可控震源振動(dòng)器的相關(guān)研究提供參考。1965年，Castanet 等[10]最先提出了一種線性的彈簧—質(zhì)量—阻尼模型，逐漸發(fā)展為縱波可控震源的主流控制模型[11]。由于該模型過(guò)于簡(jiǎn)化，忽略了振動(dòng)器與大地之間的非線性作用，其局限性也日益顯現(xiàn)。為此，Lebedev 等[12-13]采用一組不同長(zhǎng)度的彈簧模擬了在不同階段由于接觸不均造成的振動(dòng)器—大地接觸剛度的變化，建立了雙線性剛度模型和雙曲正切剛度模型。Wei[14]、黃志強(qiáng)等[15-16]、丁雅萍等[17]利用有限元方法建立了振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)模型，分析了耦合系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)振型以及振動(dòng)響應(yīng)等，發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)參數(shù)顯著影響振動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。上述研究表明，合理地構(gòu)建振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)模型是耦合振動(dòng)的研究基礎(chǔ)。橫波可控震源與大地之間的耦合振動(dòng)關(guān)系更復(fù)雜，涉及非均勻接觸、土壤彈塑性、摩擦、埋深等多種非線性影響因素，但現(xiàn)階段尚未見(jiàn)橫波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)實(shí)用模型及其響應(yīng)特性的系統(tǒng)研究。此外，野外試驗(yàn)表明，橫波可控震源的實(shí)際激發(fā)效果明顯受地表?xiàng)l件參數(shù)影響，因此了解其影響機(jī)理必不可少[3,18]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于有限元法建立了考慮多種非線性影響因素的橫波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)三維數(shù)值仿真模型，從接觸界面應(yīng)力分布與變形、振動(dòng)輸出力、激發(fā)應(yīng)力波傳播以及能量傳遞特性等方面深入分析了振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)特性，同時(shí)研究了土壤類(lèi)別、彈性模量、黏度等地表?xiàng)l件參數(shù)對(duì)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。本文的研究結(jié)果表明，利用數(shù)值模擬可有效分析振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)，可為橫波可控震源振動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等提供理論參考。

1 振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)數(shù)值仿真模型

1.1 振動(dòng)器工作原理

橫波可控震源的核心部件為振動(dòng)器，主要由殼體、重錘、活塞桿和平板組成（圖1）。在工作過(guò)程中，提升液壓缸將可控震源運(yùn)載底盤(pán)（震源車(chē)）微微頂起，使震源車(chē)車(chē)身重量壓于振動(dòng)器，從而建立振動(dòng)器與大地的初始接觸。隨后，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)重錘左、右運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的反作用力作用于活塞桿，并由殼體傳遞給平板，最終通過(guò)平板與大地之間的相互作用輸出信號(hào)和傳遞能量。值得一提的是，為提高橫波的激發(fā)強(qiáng)度，要求橫波可控震源振動(dòng)器平板的結(jié)構(gòu)為齒形，以便壓入土壤從而增強(qiáng)平板—大地的相互作用。

1.2 數(shù)值仿真模型建立

1.2.1 幾何模型建立

為了還原橫波可控震源的真實(shí)激發(fā)情況，本文基于有限元法建立了考慮非線性影響因素的橫波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)數(shù)值仿真模型。在保證仿真精度的前提下合理簡(jiǎn)化振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化的振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)模型由上部結(jié)構(gòu)（包含殼體和活塞桿）、平板以及耦合大地三部分組成。確定耦合大地模型的尺寸是模擬振動(dòng)器激發(fā)地震波傳播特性的關(guān)鍵：尺寸過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生邊界效應(yīng)、干涉等；尺寸過(guò)大，則會(huì)大幅增加計(jì)算量。因此，有必要分析大地模型尺寸無(wú)關(guān)性，以確定最合理的模型尺寸。經(jīng)研究，最終確定的大地模型尺寸為：直徑×深度=7000 mm×4000 mm[19]。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響數(shù)值仿真分析的計(jì)算效率及可靠性，為了合理選擇網(wǎng)格類(lèi)型及尺寸，具體操作如下。

（1）振動(dòng)器的網(wǎng)格劃分。平板是振動(dòng)器與大地之間相互作用的媒介，采用較小的網(wǎng)格單元可提高計(jì)算精度，選取單元尺寸為20 mm，單元類(lèi)型為C3D8R（縮減積分六面體單元）。振動(dòng)器上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是當(dāng)殼體為薄壁類(lèi)零件時(shí)，網(wǎng)格劃分容易造成單元過(guò)小、翹曲過(guò)高，因此將其定義為離散剛體并抽殼，通過(guò)設(shè)置集中質(zhì)量分析上部結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，再采用剛體單元類(lèi)型R3D4劃分網(wǎng)格，選取單元尺寸為50 mm。

（2）耦合大地的網(wǎng)格劃分。僅細(xì)化平板與大地的接觸界面，適當(dāng)粗化其余部分，最大網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于激發(fā)應(yīng)力波波長(zhǎng)的1/5～1/4[20]。采用網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析合理選擇接觸界面的網(wǎng)格尺寸，保證大地模型最大網(wǎng)格尺寸不變。通過(guò)不斷調(diào)整接觸界面的網(wǎng)格尺寸，從而生成不同網(wǎng)格數(shù)量的大地網(wǎng)格模型。為方便比較，選取接觸界面相同位置節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移幅值作為評(píng)判參數(shù)（表1）。可見(jiàn)：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量小于309520（Grid 3）時(shí)，增加網(wǎng)格數(shù)量，參考點(diǎn)的位移幅值變化較大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到309520 時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)參考點(diǎn)位移幅值的影響很小，故確定大地網(wǎng)格數(shù)量為309520。

1.2.3 材料模型與接觸求解

振動(dòng)器的材料為45 鋼，采用線彈性材料模型。選取大地模型的土壤類(lèi)別為黏土，考慮到工作過(guò)程中土壤的塑性變形，采用Drucker-Prager 彈塑性本構(gòu)關(guān)系描述土壤的非線性特性[21-23]。具體的材料參數(shù)設(shè)置如表2所示。為真實(shí)反映平板與大地之間的相互作用情況，采用運(yùn)動(dòng)接觸算法模擬平板與大地的接觸，允許接觸面存在有限滑移和接觸分離，將平板與大地的法向接觸屬性設(shè)置為硬接觸，切向接觸屬性采用庫(kù)倫摩擦模型。

表2 模型的材料參數(shù)

1.2.4 邊界條件與載荷類(lèi)型

為避免耦合大地在振動(dòng)過(guò)程中整體位移，約束其底面和四周表面的六個(gè)自由度。在實(shí)際工作過(guò)程中，振動(dòng)器激發(fā)的應(yīng)力波會(huì)向無(wú)窮遠(yuǎn)處傳播，而仿真分析中大地模型的計(jì)算域有限，應(yīng)力波會(huì)在人工截?cái)噙吔绠a(chǎn)生反射，從而引入不真實(shí)的反射地震波。為模擬振動(dòng)器激發(fā)地震波的真實(shí)傳播特性，基于波動(dòng)理論，采用黏彈性人工邊界模擬地震波的遠(yuǎn)域能量傳播效應(yīng)。對(duì)于三維數(shù)值仿真模型，黏彈性人工邊界節(jié)點(diǎn)的法向彈簧剛度和阻尼系數(shù)為[24]

切向彈簧剛度和阻尼系數(shù)為

式中：vP為介質(zhì)的縱波波速；vS為介質(zhì)的橫波波速；ρ為介質(zhì)密度；λ、G為介質(zhì)拉梅常數(shù)；r為散射源到人工邊界點(diǎn)的距離。

在Abaqus軟件的基礎(chǔ)上自行編程建立黏彈性人工邊界，各邊界節(jié)點(diǎn)的彈簧剛度和阻尼系數(shù)可以由式（1）、式（2）得到。根據(jù)文獻(xiàn)[25]的方法驗(yàn)證建立的黏彈性人工邊界，驗(yàn)證結(jié)果（圖2）表明，施加黏彈性人工邊界的模型與解析法計(jì)算結(jié)果一致，證明黏彈性人工邊界能夠模擬地震波在無(wú)限域的傳播特性。

圖2 黏彈性人工邊界驗(yàn)證結(jié)果

為充分還原橫波可控震源的加載情況，通過(guò)地應(yīng)力平衡、靜態(tài)載荷加載以及動(dòng)態(tài)載荷順序加載。為保證初始接觸的收斂性，靜態(tài)載荷采用光滑幅值曲線，動(dòng)態(tài)載荷是作用在活塞桿上的周期性液壓力，峰值為1.7×107Pa，激振頻率為50 Hz，共加載10 個(gè)周期。圖3為振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)數(shù)值仿真模型。由圖可見(jiàn)，平板—大地接觸界面由左、右兩側(cè)各三個(gè)不連續(xù)的齒坑組成（白色網(wǎng)格部分），對(duì)應(yīng)振動(dòng)器兩側(cè)平板的六個(gè)齒排。

圖3 振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)數(shù)值仿真模型

1.3 模型有效性分析

為有效研究橫波可控震源振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)特性，需驗(yàn)證建立的仿真模型，其中驗(yàn)證大地模型的有效性是重點(diǎn)。橫波在無(wú)限彈性均勻介質(zhì)中的波速為

式中：E為介質(zhì)彈性模量；ν為泊松比。

為利用式（3）驗(yàn)證仿真模型的有效性，將大地模型設(shè)置為彈性土壤，其密度、彈性模量以及泊松比的取值與表2一致。由式（3）求得的vS理論值為79.33 m/s，而仿真模型中橫波可控震源振動(dòng)器激發(fā)的剪切應(yīng)力波從大地模型表面?zhèn)鞑サ侥Ｐ偷锥耍▊鞑ゾ嚯x為3.6 m）所需時(shí)間為0.0453 s，對(duì)應(yīng)vS=77.47 m/s。理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果相差約2.34%，說(shuō)明所建模型可以有效地模擬橫波可控震源振動(dòng)器的傳播特性。

2 振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)特性分析

2.1 接觸界面應(yīng)力分布與變形

振動(dòng)器平板—大地接觸界面的應(yīng)力分布與平板和大地的相對(duì)運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。圖4為振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)曲線與界面應(yīng)力分布。由圖可見(jiàn)：①在靜態(tài)載荷的作用下，高應(yīng)力區(qū)（紅色）呈線性分布在接觸界面的底端（時(shí)刻1）；隨著振動(dòng)器在動(dòng)態(tài)載荷的作用下向z軸正向運(yùn)動(dòng)（時(shí)刻2和時(shí)刻4），高應(yīng)力區(qū)逐漸由接觸界面的底端移向左側(cè)面，而低應(yīng)力區(qū)（藍(lán)色）則出現(xiàn)在接觸界面的右側(cè)面。②同理，當(dāng)振動(dòng)器向z軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，高、低應(yīng)力區(qū)分別出現(xiàn)在接觸界面的右側(cè)、左側(cè)。③振動(dòng)器兩側(cè)平板與大地的接觸應(yīng)力并不對(duì)稱(chēng)，即一側(cè)平板的接觸應(yīng)力明顯小于另一側(cè)（時(shí)刻2、時(shí)刻3、時(shí)刻4、時(shí)刻6）。上述現(xiàn)象與振動(dòng)器所受力矩的不平衡有關(guān)，由于振動(dòng)器所受驅(qū)動(dòng)力與大地對(duì)平板的反作用力不在同一水平面上，由此產(chǎn)生的力矩使振動(dòng)器繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，造成平板被周期性地抬起、放下，進(jìn)而導(dǎo)致平板與大地的不對(duì)稱(chēng)接觸。④振動(dòng)器繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨加載時(shí)間的變化曲線（圖4 藍(lán)色曲線）表明，振動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度在瞬態(tài)響應(yīng)階段（t= 0.012 s）達(dá)到最大值，隨后進(jìn)入較平穩(wěn)的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)幅值約為1.14×10-4rad。在仿真過(guò)程中，動(dòng)態(tài)載荷的激發(fā)頻率為50 Hz，理論上振動(dòng)器應(yīng)在t= 0.01 s達(dá)到最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，但實(shí)際上振動(dòng)器在t= 0.012 s 才達(dá)到最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即振動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)稍晚于激發(fā)力（動(dòng)態(tài)載荷），存在一定滯后。

圖4 振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)曲線與界面應(yīng)力分布

結(jié)合大地模型的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D（圖5），進(jìn)一步分析平板與大地接觸界面的變形情況。在靜態(tài)加載結(jié)束后（t= 0），大地模型的初始塑性變形主要集中在接觸界面的兩端以及外側(cè)面的邊緣處。隨著動(dòng)態(tài)載荷加載時(shí)間的增加，大地模型發(fā)生塑性變形的區(qū)域逐漸向整個(gè)接觸界面擴(kuò)散，并進(jìn)一步蔓延至鄰近接觸界面的其余部分。平板與大地之間齒坑的尺寸也隨著動(dòng)態(tài)加載時(shí)間的增加而增大，在振動(dòng)過(guò)程中，可能導(dǎo)致平板齒的某一側(cè)面脫離與大地的接觸——平板脫耦。脫耦將加劇平板與大地接觸的不均勻性，降低橫波可控震源的有效輸出，不利于系統(tǒng)能量的傳遞。

圖5 大地模型的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.2 振動(dòng)輸出力特性

為研究橫波可控震源振動(dòng)器的輸出強(qiáng)度，提取平板與大地之間沿水平方向的接觸力——振動(dòng)器的振動(dòng)輸出力（圖6）。受齒形結(jié)構(gòu)的影響，平板與大地的接觸面與水平方向存在夾角，其在水平方向的輸出力僅為平板與大地接觸力的一部分。圖6 表明，平板與大地之間存在較明顯的接觸分布不均，同時(shí)由于最小接觸壓力為零，說(shuō)明確有局部脫耦，可能引起平板與大地之間的沖擊，產(chǎn)生“落重”脈沖，從而顯著影響橫波可控震源振動(dòng)器激振性能及其能量傳遞特性。

圖6 振動(dòng)器水平方向接觸力曲線及接觸壓力分布

2.3 激發(fā)波傳播特性

為分析橫波可控震源振動(dòng)器激發(fā)波的傳播特性，提取大地模型的剪切應(yīng)力云圖（圖7）?？梢?jiàn)：①高、低剪切應(yīng)力區(qū)分別出現(xiàn)在平板—大地接觸界面的兩側(cè)，伴隨著振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)，高、低剪切應(yīng)力區(qū)交替向大地模型底端傳播。②在xOy平面內(nèi)，由于激發(fā)波為SH 波，波形較簡(jiǎn)單；在yOz平面內(nèi)，激發(fā)波為SV波耦合縱波，因此波形更復(fù)雜。結(jié)合不同深度參考點(diǎn)剪切應(yīng)力曲線（圖8）可知，振動(dòng)器激發(fā)應(yīng)力波的幅值隨著傳播深度的增加而降低，同時(shí)應(yīng)力波曲線存在明顯的波形畸變，畸變程度也隨傳播深度的增加而減弱。

田園社區(qū)是以鄉(xiāng)土文化、田園生態(tài)和自然基底為支撐，從建筑形態(tài)、居民生活、社區(qū)文化、基礎(chǔ)設(shè)施、社區(qū)環(huán)境、公共服務(wù)及社區(qū)管理等方面來(lái)塑造的生態(tài)宜居宜業(yè)的新型農(nóng)村社區(qū)。以生態(tài)作為田園社區(qū)的根本點(diǎn)，尊重社區(qū)居民的主體地位，統(tǒng)籌推進(jìn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)協(xié)同發(fā)展，綜合當(dāng)?shù)靥飯@社區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件、自然地理狀況、歷史文化傳統(tǒng)等多種因素，突出創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展的新理念。

圖7 大地模型剪切應(yīng)力云圖（S23為剪切應(yīng)力）

圖8 不同深度參考點(diǎn)剪切應(yīng)力曲線

2.4 耦合系統(tǒng)能量傳遞特性

工作過(guò)程中大地實(shí)際吸收能量決定了橫波可控震源振動(dòng)器激發(fā)地震波的傳播深度。為進(jìn)一步分析振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞特性，計(jì)算了系統(tǒng)中各部分能量隨動(dòng)態(tài)加載時(shí)間的變化（圖9）。可見(jiàn)，系統(tǒng)的能量傳遞分為兩個(gè)階段：在第一階段，外載荷做功迅速增加，同時(shí)土壤塑性變形造成的能量損失也迅速增加，但兩者的增速存在差異，因此大地獲得的有效能量先略微減小后增加；當(dāng)系統(tǒng)的能量傳遞進(jìn)入第二階段后，外載荷做功以及塑性變形的能量耗散雖繼續(xù)增加但增速放緩，振動(dòng)器的輸出與大地的消耗達(dá)到一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，因此該階段大地獲得的有效能量的變化量較小。此外，摩擦作用造成的能量損失在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中也逐漸增大，但其能量耗散量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性變形。此外，有效能量傳遞率表明，振動(dòng)器輸出能量的有效轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的增加先迅速增大后減小，但總體維持在一個(gè)較低的水平，系統(tǒng)的平均有效能量傳遞率不足10%。

圖9 耦合系統(tǒng)的能量傳遞特性

由上述分析可知，土壤塑性變形是造成能量耗散的主要原因，導(dǎo)致振動(dòng)器的有效輸出十分有限，系統(tǒng)的有效能量傳遞率很低。而增加振動(dòng)器的工作時(shí)間，僅能增加振動(dòng)器的總輸出能量，無(wú)法明顯提高大地獲得的有效能量，也難以改善系統(tǒng)的有效能量利用率。

3 振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)影響機(jī)理分析

3.1 土壤類(lèi)別的影響

為模擬不同地表環(huán)境對(duì)振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)的影響機(jī)理，保持其他參數(shù)不變，選取松砂、緊砂、黏土等三種常見(jiàn)的土壤建立振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)模型，具體的材料參數(shù)如表3所示。

表3 不同土壤的材料參數(shù)

提取不同土壤的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D（圖10），分析振動(dòng)器在不同土壤環(huán)境的塑性變形情況?？梢?jiàn)，砂土模型發(fā)生塑性變形的區(qū)域明顯大于黏土模型，且砂土模型的最大等效塑性應(yīng)變（6.4867）遠(yuǎn)大于黏土模型（0.1639），因此振動(dòng)器在砂土環(huán)境工作時(shí)，平板與大地之間的擠壓、剪切作用更易造成齒坑尺寸變大，進(jìn)而影響振動(dòng)器的輸出精度。圖11 為不同土壤的振動(dòng)器接觸力曲線。由圖可知：①振動(dòng)器在緊砂中輸出力最大，在黏土中次之，在松砂中最小。②同一時(shí)刻振動(dòng)器左側(cè)平板與大地之間的接觸壓力分布云圖表明，在砂土中平板—大地接觸壓力分布更不均勻，且不同砂土的不均勻程度也不一致，即振動(dòng)器在緊砂和黏土中平板均會(huì)局部脫耦，但在緊砂中脫耦情況尤為嚴(yán)重。

圖10 不同土壤的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖11 不同土壤的振動(dòng)器接觸力曲線

圖12 為不同土壤的系統(tǒng)能量傳遞特性。由圖可知：①在松砂中Ew最大，但相較而言，Ee卻并未明顯增加。②在緊砂或黏土中Ew相差無(wú)幾，且前者的Ee略大于后者。③在松砂中耦合系統(tǒng)的η最低，在黏土中次之，在緊砂中最高。

圖12 不同土壤的系統(tǒng)能量傳遞特性

3.2 土壤彈性模量的影響

為研究土壤彈性模量對(duì)振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)理，保持其余參數(shù)不變，建立不同土壤彈性模量的振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)模型。圖13 為不同彈性模量的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖可見(jiàn)，振動(dòng)器在較大彈性模量的土壤中工作時(shí)，平板與大地接觸界面的塑性變形更小，齒坑尺寸的變化幅度也更小。進(jìn)一步提取不同彈性模量的振動(dòng)器接觸力曲線（圖14），可見(jiàn)：①振動(dòng)器的輸出力隨著土壤彈性模量的增加而增大，但變化幅度減小。②同一時(shí)刻平板—大地接觸壓力分布云圖表明，當(dāng)土壤彈性模量分別為10、20、30、40 MPa 時(shí)，最大接觸壓力分別為4.78×105、5.01×105、5.44×105、6.15×105Pa，最小接觸壓力分別為2.52×102、1.89×102、0、0 Pa，因此隨土壤彈性模量的增加，接觸界面的最大接觸壓力增大、最小接觸壓力減??；當(dāng)土壤彈性模量大于30 MPa時(shí)，接觸界面的最小接觸壓力為0，說(shuō)明平板與大地之間存在局部的接觸脫耦。因此，土壤彈性模量的增加雖有助于提高振動(dòng)器的輸出強(qiáng)度，但過(guò)硬的土壤會(huì)造成平板脫耦，從而降低平板與大地的接觸均勻性，進(jìn)而影響振動(dòng)器輸出信號(hào)的精度。

圖13 不同彈性模量的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖14 不同彈性模量的振動(dòng)器接觸力曲線

圖15 為不同模量的系統(tǒng)能量傳遞特性。由圖可知：①改變土壤的彈性模量對(duì)Ew的影響較小，Ew隨土壤彈性模量的增加而略微增大。②Ee受土壤彈性模量的影響也較小，當(dāng)t＜0.12 s時(shí)，Ee隨土壤彈性模量的增加而略微減??；當(dāng)t＞0.12 s、彈性模量為20 MPa時(shí)大地模型的Ee明顯大于其他模型。③當(dāng)土壤彈性模量分別為10、20、30、40 MPa 時(shí)，η分別為9.78%、10.96%、10.62%、9.86%，因此在剛度適中的土壤中振動(dòng)器的能量傳遞效果更好。

圖15 不同模量的系統(tǒng)能量傳遞特性

3.3 土壤黏度的影響

為探究土壤黏度對(duì)振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)理，保持其余參數(shù)不變，將土壤的黏聚力分別設(shè)置為50、60、70、80 kPa。圖16為不同土壤黏度的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖可見(jiàn)，耦合大地的最大等效塑性應(yīng)變隨土壤黏度的增加而顯著降低，發(fā)生塑性變形的區(qū)域以及平板與大地之間齒坑尺寸的變化也明顯減小，因此平板—大地相互作用更平穩(wěn)、均勻。由不同土壤黏度的振動(dòng)器接觸力曲線（圖17）可知：①當(dāng)土壤黏度取值為50、60、70、80 kPa時(shí)，最大接觸壓力分別為5.55×105、5.44×105、4.96×105、4.82×105Pa，而最小接觸壓力均為0，說(shuō)明接觸界面的最大接觸壓力隨土壤黏度的增加而減小，并且不同土壤黏度的平板均存在局部脫耦，但脫耦面積隨黏度的增加而減小。②由于此時(shí)土壤彈性模量的取值均大于30 MPa，且平板均發(fā)生局部脫耦，說(shuō)明土壤彈性模量才是決定平板是否脫耦的主控因素。③土壤黏度對(duì)振動(dòng)器的輸出強(qiáng)度影響不顯著，整體而言，振動(dòng)器的輸出力隨土壤黏度的增加而略微增大。

圖16 不同土壤黏度的大地等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖17 不同土壤黏度的振動(dòng)器接觸力曲線

圖18 為不同土壤黏度的系統(tǒng)能量傳遞特性。由圖可知：①隨土壤黏度的增加Ew顯著減小、Ee、增大，因此η隨土壤黏度的增加而明顯增大。②當(dāng)土壤黏度取值為50、60、70、80 kPa 時(shí)，系統(tǒng)的η平均值分別為4.57%、9.68%、9.29%、30.44%，說(shuō)明振動(dòng)器在較大黏度的土壤中工作時(shí)，系統(tǒng)的能量利用率更高，有利于地震波向深層傳播。

圖18 不同土壤黏度的系統(tǒng)能量傳遞特性

4 結(jié)論

（1）由于不平衡力矩的存在，振動(dòng)器兩側(cè)平板與大地的接觸應(yīng)力分布不對(duì)稱(chēng)；土壤的塑性變形會(huì)加劇平板與大地接觸的不均勻性，造成平板與大地之間齒坑尺寸變大，引發(fā)平板局部脫耦。

（2）振動(dòng)器激發(fā)剪切應(yīng)力波的幅值隨傳播深度增加而降低，其諧波成分也隨傳播深度增加而逐漸耗散。

（3）橫波可控震源振動(dòng)器傳遞給大地的有效能量十分有限，導(dǎo)致耦合系統(tǒng)的有效能量傳遞率低，增加振動(dòng)器工作時(shí)間也無(wú)法改善系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化情況，其平均能量傳遞率不足10%。

（4）不同土壤參數(shù)對(duì)振動(dòng)器—大地耦合振動(dòng)的影響各異，振動(dòng)器在黏土中的激發(fā)效果更好，土壤彈性模量是振動(dòng)器平板是否脫耦的主控因素，土壤黏聚力的增加能顯著改善系統(tǒng)的能量傳遞特性。

綜上所述，橫波可控震源振動(dòng)器的輸出強(qiáng)度和精度還有待提高，在振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)盡可能減小或消除不平衡力矩的影響，以增強(qiáng)平板與大地接觸的均勻性。此外，通過(guò)優(yōu)化平板齒結(jié)構(gòu)（齒形、齒高、齒數(shù)等），可優(yōu)化不同土壤參數(shù)的振動(dòng)器響應(yīng)特性，有助于在復(fù)雜勘探區(qū)推廣、普及橫波可控震源。