鉆孔剪切波速測試兩種方法的對(duì)比

鹿子林，付海清，胡 超，夏 暖，劉建龍

（山東省地震工程研究院，濟(jì)南 250021）

0 引言

土體的剪切波速是土動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要物理量，在巖土工程、地震工程中得到廣泛的應(yīng)用：劃分建筑場地土類型和場地類別、計(jì)算巖土動(dòng)力學(xué)參數(shù)、砂土液化判別、黃土震陷判別、地震反應(yīng)分析計(jì)算等等［1－5］。因此剪切波速的準(zhǔn)確與否對(duì)工程質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，剪切波速測試最常用的方法是單孔檢層法，該方法又分為2類測試方式：一種是地面激振式，另一種是井中激振式。不同測試方法的原理不同，測試效果亦有差異，許多學(xué)者在測試方法及剪切波速測試結(jié)果的分析、應(yīng)用方面做了較為深入的研究［6－9］，對(duì)該2種方法的測試結(jié)果差異以及測試中存在的問題總結(jié)、研究甚少，作者就2種測試方式進(jìn)行研究，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，探討測試中需要注意的問題，以期得到更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為工程質(zhì)量提供可靠的保障。

1 測試儀器原理及測試方法

1.1 儀器

目前進(jìn)行剪切波速測試的儀器主要有3種，分別是中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RSM系列工程動(dòng)測儀、核工業(yè)部北京地質(zhì)研究院研制的CSA－24工程地震儀、廊坊大地儀器有限公司研制的XG－I波速測井儀。前2種儀器都使用地面敲擊振源，貼壁式三分量井下地震檢波器接收信號(hào)，即地面激振式；后一種儀器當(dāng)采用貼壁式檢波器時(shí)，原理和測試方法與前2種方法一樣，當(dāng)采用懸掛式檢波器時(shí)，使用自身電磁式激振源，井中懸掛式檢波器接收信號(hào)，即井中激振式。3種儀器各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)在了解其測試原理和方法的基礎(chǔ)上，加以甄別選用。

1.2 測試方法及原理

1.2.1 地面激振式

使用該方法測試的儀器主要有RSM 工程動(dòng)測儀和CSA－24工程地震儀，該2種設(shè)備測試原理相同，都是在地面激振，孔中接收。地面震源可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生剪切波（S波）（圖1），利用剪切波相位相反的特性來識(shí)別初至?xí)r間，由測試點(diǎn)的深度值計(jì)算各測點(diǎn)處的S波速。

圖1 實(shí)測正反向S波

測試時(shí)，在距孔一定距離處平放一大小、尺寸合適的摩擦力較大的平板，平板與地面緊貼，平板上壓重物以防止擊板時(shí)移滑，平板的中垂線應(yīng)通過孔口，用錘沿板縱軸分別從2個(gè)相反方向水平敲擊平板一端，激發(fā)S波。測試系統(tǒng)由三分量檢波器、測試儀及電腦組成，三分量檢波器放置在井中預(yù)定深度，接受震源產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，經(jīng)儀器采集，電腦記錄（圖2）。人工激振測試深度一般在60m 以內(nèi)，若孔較深，則必須采用其它震源，如爆破、空氣壓縮槍等。圖1為正反向激發(fā)時(shí)由地震儀記錄的實(shí)測波形圖。單孔法現(xiàn)場測試如圖2所示。圖3為某鉆孔的實(shí)測波形圖。

圖2 地面激振法測試示意圖

圖3 某鉆孔實(shí)測波形圖

1.2.2 井中激振式

使用該方法的設(shè)備主要有XG－I懸掛式波速測井儀，該設(shè)備的測試原理與前2 種儀器不同，XG－I型懸掛式波速測井儀主要由主機(jī)、井中懸掛式探頭及連接電纜等組成。井中懸掛式探頭主要由全密封（防水）電磁式激振源、2個(gè)獨(dú)立的全密封檢波器（間距1m）及高強(qiáng)度連接軟管等組成。當(dāng)震源向井壁作用一沖擊力后，沿井壁地層就有S波傳播，在井孔震源下方懸掛有2個(gè)檢波器，S波傳播到檢波器位置時(shí)，通過井液耦合，檢波器可以把S波的初至?xí)r間和震動(dòng)波形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由儀器記錄下來。由2道S波的初至或同相位的時(shí)間差可計(jì)算出2道間地層的波速平均值。測試時(shí)只需將探頭放到目標(biāo)位置，手動(dòng)觸發(fā)激振開關(guān)即可測得數(shù)據(jù)，并且波形和測得的波速可以實(shí)時(shí)顯示。圖4為測試示意圖，圖5為實(shí)測波形圖。

圖4 XG－I測試示意圖

圖5 XG－I實(shí)測波形圖

2 存在問題

2.1 地面激振式

（1）要保證激發(fā)出有效的S波。由于測試現(xiàn)場有可能很難找到足夠重的重物，敲擊木板時(shí)，木板滑動(dòng)，導(dǎo)致S波初至不明顯，在測試時(shí)有的測試者在地面挖個(gè)坑，將尼龍板面貼于土坑與孔口連線的坑壁上，然后敲擊尼龍板激發(fā)S波，采用該方法時(shí)，要做好尼龍板與坑壁的耦合，還要保持尼龍板的豎直，可是往往由于土層的塑性，敲擊數(shù)次之后尼龍板就變?yōu)閮A斜，導(dǎo)致激發(fā)的S波分量減少，P 波分量增大，影響測試效果。

（2）測量順序一般習(xí)慣由淺而深，當(dāng)孔深較大且孔中泥漿易于沉淀時(shí)，可采用由深而淺的順序。如果孔內(nèi)泥漿太稠，檢波器浮力增大，而測繩是軟的，有可能導(dǎo)致檢波器未放到位置就激發(fā)，2次測點(diǎn)之間距離變小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，這種情況下要測得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須在檢波器上配重或者先沖孔，但要防止塌孔。測繩上應(yīng)每隔1m 做個(gè)標(biāo)志，防止因?yàn)闇y繩的彈性導(dǎo)致的測點(diǎn)之間的距離差。

（3）檢波器貼壁不緊或者不貼壁時(shí)，會(huì)在井中擺動(dòng)，其震動(dòng)信號(hào)疊加在剪切波信號(hào)中難以區(qū)分，造成初至難以確定，為此，要求三分量檢波器到達(dá)預(yù)定深度時(shí)必須固定，與其相連的電纜及測繩也要固定。

（4）折射波的干擾。在淺層測試情況下，當(dāng)下臥土層波速遠(yuǎn)高于覆蓋土層，且激振點(diǎn)離孔口較遠(yuǎn)時(shí)。剪切波的入射角超過臨界角時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射波。此波可能先于直達(dá)波或透射波到達(dá)檢波器，造成初至波到時(shí)誤差。為了使縱橫波分離，又不至于產(chǎn)生折射，震源距鉆孔中心點(diǎn)的距離要取得合適，不能太小也不宜過大，一般取2.5～5.0m 較合適。

（5）其他雜波的影響。當(dāng)測試深度很淺時(shí)，S波里往往疊加了縱波和面波，導(dǎo)致S波初至模糊，難以判讀，此外，測試時(shí)測繩的擺動(dòng)或者地面震動(dòng)沿測繩、電纜線傳至檢波器的震動(dòng)等都會(huì)影響測試結(jié)果，測試時(shí)應(yīng)保持現(xiàn)場安靜。

（6）套管的影響。鉆探時(shí)往往在容易塌孔的砂層中放置套管，因?yàn)樘坠艿牟ㄋ俦韧翆咏橘|(zhì)波速快，所以會(huì)產(chǎn)生沿管壁傳播的折射波，測試時(shí)可由下往上測，當(dāng)測至套管位置時(shí)，邊測試邊拔套管，避免套管的干擾。

（7）由于該方法激振點(diǎn)離井口有一定距離，所以測得的到時(shí)實(shí)際上是S波由激振點(diǎn)遵循費(fèi)馬原理到達(dá)檢波器的時(shí)間，層速度是把土體看作各向同性模型換算過來的，所以得到的數(shù)值與實(shí)際是有一定誤差的，當(dāng)鉆孔傾斜的時(shí)候，數(shù)據(jù)誤差會(huì)更大。

2.2 井中激振式

與地面激振式相比，該方法明顯的優(yōu)點(diǎn)是改變了S波激發(fā)與接收的方式，2個(gè)檢波器的距離是固定的，只要得到2個(gè)S波的到時(shí)差，就能得到2個(gè)檢波器之間土層準(zhǔn)確的層速度，但該方法在測試中也是存在問題的。

（1）淺部數(shù)據(jù)無法獲得。這是由該儀器的結(jié)構(gòu)決定的，S 波激振探頭到第1 個(gè)檢波器的距離為2m，2個(gè)檢波器的間距是1 m，當(dāng)激振探頭在孔口處時(shí)，最下端的檢波器處在井口以下3m 左右的位置，所以最淺只能測到2～3m 土層的S波速。

（2）淺部數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，尤其是前幾米的數(shù)據(jù)。由于泥漿的沖刷和鉆具上下的碰撞，前幾米孔壁不平直，甚至凹進(jìn)去，呈半圓弧型，當(dāng)前幾米沒有井液時(shí)，無法激發(fā)出沿井壁傳播的S 波，所以XG－I測試時(shí)必須使孔內(nèi)充滿井液，即使充滿井液由于前幾米井壁的原因?qū)е耂波的傳播發(fā)生變化測得的數(shù)據(jù)也是有誤差的。

（3）如果泥漿濃度很大，導(dǎo)致連接探頭的軟管彎曲，測得的數(shù)據(jù)會(huì)不準(zhǔn)，尤其是孔底數(shù)據(jù)，所以測試時(shí)最好沖孔，降低泥漿的濃度。對(duì)于深孔，最好鉆探深度要超過目標(biāo)測試深度數(shù)米，以保證獲得目標(biāo)層位的準(zhǔn)確波速。

（4）泥漿的濃度會(huì)影響波的傳播，激發(fā)的S波在水中和濃泥漿中的傳播速度是不同的，尤其是當(dāng)泥漿濃度大時(shí)，更容易導(dǎo)致檢波器和激發(fā)探頭懸在泥漿中，離孔壁較遠(yuǎn)，激發(fā)的S波要經(jīng)過濃泥漿才到達(dá)孔壁，繼而沿著孔壁傳播S波，這就導(dǎo)致2個(gè)檢波器測得的信號(hào)的時(shí)間差是不準(zhǔn)確的

（5）當(dāng)井壁有套管時(shí)，測得的是波沿套管滑行的時(shí)間差，數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。

3 兩類方法實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)選取

為了盡可能減小鉆孔不同土層的波速對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，應(yīng)當(dāng)選用地層水平分布較均勻的地區(qū)的資料，作者選用東營地區(qū)某地震小區(qū)劃中鉆孔波速測試的結(jié)果，該地區(qū)是黃河長期穩(wěn)定沉積層，自上而下分為素填土、粉土、粉質(zhì)粘土等，土層橫向變化較小，鉆孔分布在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，且選取的鉆孔數(shù)量較大，這樣就將土層橫向不連續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響降到最低，甚至可以忽略。以往地面激發(fā)S波測試時(shí)，一般在只測得20 m 以內(nèi)的數(shù)據(jù)，為便于比較，統(tǒng)一選用20m 以內(nèi)2類方法的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，地面激發(fā)S 波測試時(shí)使用的采集儀為CSA－24工程地震儀，使用鉆孔數(shù)為31個(gè)，井中激振懸掛式檢波器測試時(shí)使用的采集儀器為XG－I，使用鉆孔數(shù)為38個(gè)。

圖6 兩種測試方法波速數(shù)據(jù)比較

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過圖6中對(duì)波速數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，CSA－24測試的波速數(shù)據(jù)離散性較大，深度大于10m 時(shí)，剪切波速大于200m／s的數(shù)據(jù)所占百分比較高，且15～20 m 還有剪切波速大于300 m／s的數(shù)據(jù)，而XG－I測試的數(shù)據(jù)離散性較小，土層深度15m 以內(nèi)的波速數(shù)據(jù)基本在200m／s以內(nèi)，20m 深度范圍內(nèi)波速鮮有超過250m／s的。有學(xué)者研究東營城區(qū)場地土剪切波速與土層深度的關(guān)系，在30m 以淺土層符合線性函數(shù)分布［10］，隨著土層深度的增加，土層剪切波速成線性增長，作者用線性函數(shù)擬合了各類波剪切速數(shù)據(jù)隨深度變化的關(guān)系，CSA－24 實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合直線斜率較大，反映了土層隨深度的變化較快，深部的波速數(shù)據(jù)較大，XG－I實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合直線斜率較小，反映了土層隨深度變化較平緩，深部的波速數(shù)據(jù)較小。2組數(shù)據(jù)所處的相近地區(qū)，土層變化甚微，然而波速數(shù)據(jù)卻有不小的差別，由于實(shí)測時(shí)的狀況無從得知，故產(chǎn)生差距的原因也不能確定，有可能是多方面的，有測試方法引起的差異，也有測試者素質(zhì)、技術(shù)水平引起的差異。

4 結(jié)語

2種測試方法分別使用了不同的原理，測試過程中S波的傳播路徑是不同的，地面激振式方法是地面激發(fā)的S波傳至井中檢波器，利用每個(gè)相鄰深度S波的到時(shí)差計(jì)算其波速，該數(shù)值是間接的；井中激振式方法是直接測得S波在每米土層中的傳播時(shí)間，所以2種方法測得的結(jié)果存在一定的差異也是正常的，尤其是地層橫向變化較復(fù)雜的場地，有可能測試結(jié)果會(huì)有較大的差異。2類方法都是目前主流的波速測試手段，每一種方法都有其存在的問題，無論使用什么方法，都要保持科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，切實(shí)規(guī)避各種不利因素，揚(yáng)長避短，測得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

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