Transcript 希爾伯特黃轉換(HHT)於地層剪力波速調查之初步應用

希爾伯特黃轉換(HHT)於地層剪力波速
調查之初步應用
水土保持學系碩士班二年級
專題討論(四)-第二次報告
授課老師:陳文福 老師
指導老師:馮正一 老師
學生:蘇楷勛
學號:79842023
報告日期:2011/5/13
報告地點:土石流防災中心LB02
大綱
前言
文獻回顧
研究材料與方法
結果與討論
結論
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前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
結論
 在現地試驗當中，容易受到地形、受測體結構和背景噪音等因素影響而產
生雜訊，這將導致後續互能譜計算相位角展開的正確性。
 本研究首先透過數值模型模擬表面波譜法試驗之數值資料，分別以互能譜
和HHT計算相位速度，藉此證明其適用性，並進一步應用於處理現地試驗
資料與小林村之崩塌訊號當中。
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前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
結論
 表面波譜法為一非破壞性震測試驗，藉由一脈衝震源敲擊受測體表面產生
震波，再透過至少兩顆受波器接收訊號，藉此探求地層之剪力波速，並可
進一步估算剪力模數。此法於1980年代漸漸被應用於道路鋪面與淺層水平
地盤檢測。
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前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
結論
 許惠綺(2007)指出在進行暫態震測現地試驗的過程中，由於無法如穩態震
測試驗可以設定特定的頻率進行施作，必須透過一脈衝震源進行多次敲擊，
藉此產生各種不同頻率的震波。
 Nazarian and Stokoe(1985)透過統計分析的方式，將複合頻散曲線資料數有
效簡化，並且解決複合頻散曲線上離散現象的問題。
 江福壽(2004)使用改良式延伸曲線法進一步將簡化複合頻散曲線資料數進
行簡化，並提出改良式Satoh評估法做反算分析。
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前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
結論
 在表面波譜法現地試驗中，Heisey et al.(1982)指出，設置震源至第二顆受波
器之距離為震源至第一顆受波器之距離(近站支距)的兩倍時，可得到較好
的結果。
 Nazarian and Stokoe(1986)認為震源應遠離第一顆受波器，以避免表面波受
到實體波的干擾，即近域效應，但也不適宜設置過大的距離，以避免高頻
的表面波衰減速度大於低頻表面波，使遠處的受波器接收到更多的雜訊，
此即為遠域效應。
 1998年黃鍔博士(Huang et al,1998)發表Hilbert-Huang Transform(HHT)，是近年
來較為先進的訊號分析技術，適合分析非穩態與非線性資料。
 Chen(2002)指出，利用HHT法來計算表面波之頻散曲線，與傅立葉轉換相
較之下更加準確。
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前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
表面波譜法計算(互能譜法)
Hilbert-Huang Transform (HHT) 理論
FLAC程式數值模擬
現地試驗
應用HHT法求取相位速度
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結論
表面波譜法計算(互能譜法)
 互能譜計算(Heisey,1982):
FFT
FFT
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Hilbert-Huang Transform (HHT) 理論

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FLAC程式數值模擬
 本研究利用林雨婷(2010)透過Fast Lagrangian Analysis of Continua,
FLAC 程式(Itasca, 2008)模擬表面波譜法於現地施測狀況之數值資料。
JOB TITLE : 90*40m
(*10^1)
FLAC (Version 6.00)
2.000
LEGEND
24-Jun-10 15:42
step
0
-5.000E+00 <x< 9.500E+01
-7.000E+01 <y< 3.000E+01
Grid plot
0
Source
s1 s2
s3
s4
s5
s6
0.000
4m
2E 1
8m
-2.000
Receiver spaces
s1_s2 : 4m
s2_s3 : 8m
s3_s5 : 16m
s4_s6 : 24m
16m
24m
-4.000
-6.000
1.000
3.000
5.000
(*10^1)
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7.000
9.000
FLAC程式數值模擬
5m
5m
5m
Case 1( Normal soil profile)
Case 2( Normal soil profile)
5m
Shear velocity=100m/s
Shear velocity=200m/s
Shear velocity=400m/s
Case 3( Inverse soil profile)
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FLAC程式數值模擬
Poisson’s
Shear
ratio,
modulus,
ν
G(N/m2)
Bulk
modulus,
K(N/m2)
Young’s
Modulus,
E(N/m2)
2.00E+07
5.22E+07
5.32E+07
0.33
8.00E+07
2.09E+08
2.13E+08
0.33
3.2E+08
8.35E+08
8.51E+08
Shear
velocity,
Vs(m/sec)
Mass
density,
ρ(kg/m3)
100
2000
0.33
200
2000
400
2000
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現地試驗
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現地試驗
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現地試驗
現地試驗相關施測參數 :
Impulsive source
Near
offset
Geophone
interval
Experimental data (1)
Hammer (10Kg)
4m
4m
Experimental data (2)
Drop hammer (35Kg)
6m
6m
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小林村崩塌之振動訊號分析
33.01km
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應用HHT求取相位速度
 Chen(2002)指出，在時頻圖當中每個頻率之下，以其發生最大震幅的時間
點做為群波到達的時間。
Second geophone data/signal
First geophone data/signal
0.0001
5e-05
0
0
-0.0001
-5e-05
0.05
0.1
0.15 0.2 0.25
time ( sec )
0.3
0.35
0
0.4
frequency ( Hz )
First geophone time-frequency plot
100
80
60
40
20
0
8e-06
6e-06
4e-06
2e-06
0
8e-06
6e-06
4e-06
2e-06
0
0
0.05
0.1
0.15 0.2 0.25
time ( sec )
0.3
0.35
0.4
frequency ( Hz )
0
100
80
60
40
20
0
0.05
0.1
0.15 0.2 0.25
time ( sec )
0.3
0.35
0.4
Second geophone time-frequency plot
0
Here comes your footer
8e-06
6e-06
4e-06
2e-06
0
8e-06
6e-06
4e-06
2e-06
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
time ( sec )
應用HHT求取相位速度
 根據Papoulis(1962)提出的相位角計算公式:
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前言
文獻回顧
結果與討論
材料與方法
結論
FLAC數值模擬之分析結果 :
Dispersion Curve (Case 1)
Shear Wave velocity (m/s)
200
HHT
Cross Power Spectrum
300
250
300
350
400
0
200 m/s
5
250
depth (m)
Phase Velocity (m/s)
350
(Case 1)
200
15
20
150
0
10 20 30 40 50 60 70 80
Frequency (Hz)
400 m/s
10
25
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HHT
Cross Power Spectrum
文獻回顧
前言
結論
結果與討論
材料與方法
FLAC數值模擬之分析結果 :
Dispersion Curve(Case 2)
HHT
Cross Power Spectrum
400
(Case 2)
0
400
100
200
300
500
0
100 m/s
5
300
Depth (m)
Phase Velocity (m/s)
500
Shear Wave Velocity (m/s)
200
100
200 m/s
10
15
0
0
20
40
60
80
100 120
20
Frequency (Hz)
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HHT
Cross Power
Spectrum
400 m/s
文獻回顧
前言
材料與方法
結果與討論
結論
FLAC數值模擬之分析結果 :
Dispersion Curve (Case 3)
Shear Wave Velocity (m/s)
100 120 140 160 180 200 220
180
160
140
120
HHT
Cross Power Spectrum
100
80
0
20
40
60
80
100
Depth (m)
Phase Velocity (m/s)
200
(Case 3)
0
2
4
6
8
10
12
14
Frequency (Hz)
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200 m/s
100 m/s
HHT
Cross Power Spectrum
文獻回顧
前言
結果與討論
材料與方法
結論
表面波譜法現地試驗之分析結果 :
140
0
Shear Wave Profile
(hammer)
Shear Wave Profile
(Drop hammer)
Shear Wave Velocity (m/s)
Shear Wave Velocity (m/s)
150
160
170
180
190
140 150 160 170 180 190 200 210
0
2
Depth (m)
Depth (m)
2
4
6
8
10
HHT
Cross Power Spectrum
4
6
8
10
12
14
Here comes your footer
HHT
Cross Power Spectrum
前言
文獻回顧
材料與方法
小林村崩塌訊號之分析結果 :
Here comes your footer
結果與討論
結論
前言
文獻回顧
材料與方法
結果與討論
結論
 數值模擬的部分，本研究將假設的土層分成三種情況。在正向土層的部分
(Case 1與Case 2)，分析結果顯示，以HHT法求得的結果皆比互能譜法更
接近假設狀態，然而反向土層(Case 3)的計算結果，HHT的計算結果則沒
有互能譜來的好，剪力波速值隨土層的變化並不如互能譜法的結果明顯，
但就以HHT應用於反向土層求取相位速度的適用性來說，還是有其適用的
價值。
 現地試驗的部分，本研究將表面波譜法現地試驗分別以不同震源得到的現
地資料應用於HHT的訊號處理中，並與互能譜法的結果比較。結果顯示，
HHT法求得的剪力波速值隨土層深度的變化趨勢皆小於互能譜法的計算結
果，由於此現地試驗的施測對象為均質的泥岩地形，因此從結果大致皆可
看出，HHT法的計算結果較符合現地的實際情況。
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 小林村崩塌之振動訊號分析結果的部分，還需要找一些相關參考文獻來進
行驗證。
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謝謝聆聽
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