Multichannel Analysis of Surface Waves for Soil Site Characterization

Abstract

Shear wave velocity is a fundamental parameter in soil dynamics and geotechnical earthquake engineering. The Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method is a relatively new non-invasive technique to evaluate the near-surface shear wave velocity profile by utilizing the dispersive properties of surface waves in a heterogeneous medium. The method is both time and cost efficient and can be applied at a wide variety of soil sites, including locations where conventional invasive techniques are difficult to apply.

The main objectives of the project were (i) to develop an open software to acquire, process and analyse MASW field data, (ii) to validate and calibrate field observations by comparison with results obtained by other measurement techniques and alternative software packages, and (iii) to implement and adapt MASW for analysis of the stiffness properties of Icelandic soil sites and man-made fillings.

Alongside software development, an effort has been made to develop methods for combining dispersion curves from a number of records gathered at a given site, with the aim of increasing the range in investigated depths, get more reliable results, and assess experimental uncertainties. Furthermore, a simple but effective Monte Carlo-based technique has been developed for use in the MASW inversion analysis.

To date, MASW has been applied at over twenty natural locations in Iceland, ranging from sites characterized by peat and loosely compacted sand to cemented soil materials and soft rock. Where available, the results were compared to existing measurements. The method has also been successively applied for analysis of earth dams. In order to benchmark results obtained by the new software, field measurements were carried out at Norway’s National GeoTest Sites. The shear wave velocity profiles obtained by the new software (MASWaves) agreed well with results of existing measurements, thus verifying the performance of the set of data acquisition and analysis tools.

Þekking á jarðtæknilegum eiginleikum setlaga og jarðvegsfyllinga, svo sem þykkt og stífni einstakra laga, er mikilvæg í jarðtæknilegri hönnun og jarðtæknilegri jarðskjálftaverkfræði. Fjölnemagreining á yfirborðsbylgjum (MASW) er nýleg aðferð sem byggir á tvístrunareiginleikum yfirborðsbylgna og tengslum milli útbreiðsluhraða þeirra og fjaðureiginleika jarðvegs. Yfirborðsbylgjur eru framkallaðar með höggi á yfirborð jarðar og útbreiðsla þeirra er mæld. Mæligögnin eru, ásamt eðlisfræðilegu reiknilíkani, notuð til að ákvarða skúfbylgjuhraða sem fall af dýpi. MASW mælingar eru hagkvæmar og fljótlegar í framkvæmd og valda ekki raski. Þá hentar MASW vel í grófum jarðvegi þar sem erfitt eða ómögulegt er að þrýsta niður kónískum nemum.

Meginmarkmið þessa verkefnis voru að (i) þróa opinn hugbúnað fyrir feltmælingar og úrvinnslu mæligagna, (ii) sannreyna niðurstöður með samanburði við mælingar sem framkvæmdar hafa verið af óháðum rannsakendum og (iii) aðlaga og þróa MASW til mælinga á íslenskum jarðvegi.

Samhliða gerð hugbúnaðar hefur verið þróuð aðferðafræði til að flétta saman tvístrunarferla, sem ákvarðaðir hafa verið með endurteknum höggum á yfirborð jarðar, með það fyrir augum að auka könnunardýpi MASW aðferðarinnar, meta gæði mæligagna og áætla óvissu í afleiddum stærðum. Líkan til bakreikninga á skúfbylgjuhraða, sem byggt er á Monte Carlo hermun, hefur einnig verið þróað.

Til þessa hafa MASW mælingar verið framkvæmdar á rúmlega tuttugu náttúrlegum stöðum hérlendis, auk þess sem mælingar hafa verið gerðar á jarðstíflum með góðum árangri. Enn fremur voru MASW mælingar framkvæmdar á prófunarstöðum í Noregi þar sem erlendir rannsóknahópar hafa mælt skúfbylgjuhraða með fjölda annarra aðferða. Niðurstöðum mælinga ber mjög vel saman við fyrirliggjandi niðurstöður. Því má álykta að aðferðafræðin og sá hugbúnaður sem hefur verið þróaður (MASWaves) skili áreiðanlegum niðurstöðum.