剪切波速測(cè)量中地面木板敲擊方法和懸掛式井中測(cè)試方法的結(jié)果比較

高云峰，李惠玲，趙向佳

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025）

0 引言

土層的剪切波速是反映土體動(dòng)力特性的重要參數(shù)［1］。目前，單孔剪切波速測(cè)量中，常用的兩種方法是地面木板敲擊和懸掛式井方法。但對(duì)于類似的場(chǎng)地，不同的方法所得到的測(cè)試結(jié)果有時(shí)似乎存在一定的差異。為此，選取山西地區(qū)不同地質(zhì)條件下的5個(gè)地震鉆孔，分別采用兩種方法對(duì)同一鉆孔進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，以期深入了解這兩種測(cè)試方法在什么情況下結(jié)果比較相近，什么情況下存在較大的差異及與場(chǎng)地條件相關(guān)的方法適宜性。

1 兩種剪切波速測(cè)試方法的測(cè)試原理及施工特點(diǎn)簡(jiǎn)介

（1）地面木板敲擊測(cè)試方法。

測(cè)試原理：將一塊彈性好的木板放在平整的地面上，上面壓上重物，使木板與地面緊密接觸，然后敲擊木板兩側(cè)，這樣，木板就給地面一個(gè)水平?jīng)_擊力，激發(fā)土層的剪切振動(dòng)，井中探頭檢測(cè)到剪切波信號(hào)，以波形圖的方式記錄下來(lái)，探頭每向上提升一段距離，即可得到探頭在該深度的波形圖，通過震相分析方法找到剪切波在各測(cè)試深度的到時(shí)，得到剪切波從激震源到各測(cè)試深度的走時(shí)，利用三角函數(shù)關(guān)系，根據(jù)波傳播的距離和走時(shí)，計(jì)算鉆孔內(nèi)相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)中間土層的平均波速。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)鉆孔的質(zhì)量要求相對(duì)不高，只要探頭能貼緊孔壁就可測(cè)量。缺點(diǎn)是：設(shè)備較為笨重，施工不便；對(duì)探頭相鄰2次提升距離的精度要求較高；在含有卵石地層及需要測(cè)量基巖面以下地層剪切波速情況下，結(jié)果較差。

（2）懸掛式井中測(cè)試方法。

測(cè)試原理：激震源激發(fā)，向井壁作用一沖擊力后，沿井壁地層就有P波、S波分別向前和向下傳播，在震源下方懸掛2個(gè)檢波器，S波傳播到檢波器位置時(shí)，通過井液耦合，檢波器就可以把S波信號(hào)記錄下來(lái)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，根據(jù)相鄰固定間距的兩道檢波器接收到的S波信號(hào)，通過互相關(guān)法，計(jì)算出兩道間地層的波速值。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：擺脫笨重的地面敲擊振源，測(cè)試操作簡(jiǎn)單；振源和檢波器同時(shí)放入井孔中，且2個(gè)檢波器間的距離固定，消除地面木板敲擊測(cè)試方法中，由于2次相鄰提升距離之間的不準(zhǔn)確造成的測(cè)量誤差；現(xiàn)場(chǎng)直接計(jì)算并顯示波速值，工作效率高。缺點(diǎn)是：受鉆孔質(zhì)量的影響較大。測(cè)量時(shí)，鉆孔中必須注滿水，漏水的鉆孔不能使用該方法；測(cè)試設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，故障率也較高。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與分析

在研究中，選擇比較有特點(diǎn)的5個(gè)鉆孔進(jìn)行測(cè)試和分析。

（1）1號(hào)孔的地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要由粉土、粉砂和粉質(zhì)黏土組成，該孔深60m，孔徑為108mm，施工質(zhì)量較好，無(wú)漏水、局部塌孔和縮徑的現(xiàn)象。

根據(jù)圖1所示的測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)看，兩種測(cè)試方法的結(jié)果總體相差不大，除去14～18m誤差較大的3組數(shù)據(jù)外，地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差平均為5.85%。

測(cè)試深度在14～18m誤差相對(duì)較大（14m為48.59%，16m為25.19%，18m 為28.57%），產(chǎn)生的部分原因可能是該段地面木板敲擊測(cè)試時(shí)，探頭提拉距離間隔不準(zhǔn)確（要求間隔2m）造成的，其他原因有待進(jìn)一步研究。

圖1 1號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Fig.1 Measurement results at the No.1measuring point

（2）2號(hào)孔的地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要由粉土、細(xì)砂和粉質(zhì)黏土組成，該孔深60m，孔徑為108mm，鉆孔施工質(zhì)量較好，無(wú)漏水、局部塌孔和縮徑的現(xiàn)象。

根據(jù)第21頁(yè)圖2所示的測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)看，兩種測(cè)試方法的結(jié)果相差不大，地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差平均為7.05%。

（3）3號(hào)孔的地層由粉土、卵礫石、粉砂組成，該孔深60m，孔徑為108mm，鉆孔施工質(zhì)量較好，無(wú)漏水、局部塌孔和縮徑的現(xiàn)象。

根據(jù)第21頁(yè)圖3所示的測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)看，兩種測(cè)試方法的結(jié)果在8m以上相差不大，自8m以下，地面木板敲擊測(cè)量數(shù)據(jù)變化起伏較大，相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差最大達(dá)到296.74%，除去8m以下數(shù)據(jù)，地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的平均誤差為11.49%。

地面木板敲擊方法所測(cè)數(shù)據(jù)變化較大的可能原因是，地面敲擊的剪切波在到達(dá)卵石層時(shí)產(chǎn)生了散射現(xiàn)象，剪切波經(jīng)過散射后，波的性質(zhì)發(fā)生了變化。所以，地面敲擊方法不適合在含有卵石層的場(chǎng)地測(cè)量。

（4）4號(hào)孔的地層由雜填土、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、黏土組成，該孔深80m，孔徑為108mm，鉆孔施工質(zhì)量一般，無(wú)漏水現(xiàn)象，10～18m可能有塌孔現(xiàn)象，68～72m可能有輕微縮徑的現(xiàn)象。

根據(jù)第22頁(yè)圖4所示的測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)看，懸掛式測(cè)井除去10～18m、68～72m誤差較大的數(shù)據(jù)外，兩種方法的測(cè)試結(jié)果相差不大，地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差平均為6.02%。

圖2 2號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Fig.2 Measurement results at the No.2measuring point

圖3 3號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Fig.3 Measurement results at the No.3measuring point

圖4 4號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Measurement results at the No.4measuring point

該孔10～18m地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差較大（10m 為47.47%，12m 為618.92%，14m為1 853.33%，16m為337.50%，18m為241.10%），懸掛式測(cè)井的測(cè)量數(shù)據(jù)明顯偏小，可能是此段砂質(zhì)地層較為松散，局部塌孔造成的；在68～72m地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差稍大（68m為20.17%，70m為25.25%，72m 為22.03%），懸掛式測(cè)井的測(cè)量數(shù)據(jù)略微偏大，可能是此段發(fā)生了縮徑現(xiàn)象造成的。因此，鉆孔有塌孔和縮徑的現(xiàn)象時(shí)，不適合用懸掛式測(cè)井法測(cè)量。

（5）5號(hào)孔的地層由細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、砂巖組成，該孔深30m，孔徑為108mm，鉆孔施工質(zhì)量較好，無(wú)漏水、局部塌孔和縮徑的現(xiàn)象。

根據(jù)第23頁(yè)圖5所示的測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)看，地面木板敲擊方法在22m（基巖）以下無(wú)法得到數(shù)據(jù)，除此之外，兩種方法的測(cè)試結(jié)果相差不大，地面木板敲擊相對(duì)懸掛式測(cè)井的誤差平均為6.27%。

從地面木板敲擊方法的原理上看，地面木板敲擊方法在基巖以下無(wú)法得到數(shù)據(jù)的原因是，由于基巖面為強(qiáng)反射面，能量幾乎無(wú)法向下傳播；而懸掛式測(cè)井方法由于是孔中激發(fā)孔中接收，所以不存在此問題。因此，測(cè)量鉆孔內(nèi)基巖以下地層的剪切波速，只能采用懸掛式測(cè)井方法，而不能采用地面木板敲擊方法。

3 結(jié)論

通過對(duì)5個(gè)鉆孔用地面木板敲擊和懸掛式測(cè)井兩種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)比較，結(jié)果表明：

（1）鉆孔地層只含土、砂且施工質(zhì)量較好的情況下，用兩種方法測(cè)量所測(cè)結(jié)果差異不大，一般相差在10%以內(nèi)。

（2）鉆孔中有卵石層時(shí)，懸掛式測(cè)井方法的結(jié)果較為可靠，而地面木板敲擊方法的結(jié)果離散性很大，最大差約296.74%，明顯不合理。

（3）鉆孔質(zhì)量較差，局部有輕微塌孔、縮徑的情況時(shí)，地面木板敲擊法不受影響，而懸掛式測(cè)井方法的結(jié)果則誤差較大。

（4）對(duì)于測(cè)量鉆孔內(nèi)基巖以下地層的剪切波速，只能采用懸掛式測(cè)井方法。

圖5 5號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Measurement results at the No.5measuring point

［1］李自紅.太原地區(qū)土動(dòng)剪切模量和阻尼比幾種值的合理性比較［J］.山西地震，2006（1）：29－37，46.