懸掛式剪切波速測試儀測試結果影響因素分析

劉福興，劉璐，齊靜靜，吳孔兵，張愷

(中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 技術檢測中心，山東 東營 257000)

在工程場地地震安全性評價及巖土勘察等工作中，土層剪切波速測試對于劃分地層和場地土類別、判斷土的液化、研究土的振動特性等具有重要的作用［1－2］．尤其是在地震安全性評價工作中，土層剪切波速是場地地震反應分析模型中的重要參數(shù)，剪切波速的測試結果對于場地地震動參數(shù)的確定有重要影響［3－4］．目前，常用的測試方法有檢層法、交孔法和表面波法［5］，本次探討的懸掛式剪切波速測試儀的測試方法為單孔檢層法，由于懸掛式剪切波速測試儀震源與檢波器同時放入井孔中，擺脫了笨重的地面敲擊震源［6］，受環(huán)境影響較小，提高了波速測試的精度，實現(xiàn)了波速測試的自動化，且特別適用于較深孔的波速測試，在地震安全性評價波速測試中得到了廣泛的應用．筆者結合實際工作經驗，對影響懸掛式剪切波速儀測試結果的主要因素進行分析，給出了記錄波形的響應示例，提出了提高波速測試結果準確度的措施．

1 懸掛式剪切波速測試原理

懸掛式波速測試儀是利用放置在鉆孔中的具有一定距離(d)的兩個檢波器，接收來自鉆孔中震源的S 波信號初至時間(t)，通過S 波初至時間差來確定兩檢波器之間的地層剪切波速的一種方法［7］． 懸掛式剪切波速測試儀主要由主機、孔中懸掛式探頭及連接電纜組成，懸掛式探頭主要由全密封式(防水)電磁式激震源、檢波器、阻尼器及高強度連接軟管等組成［8］，如圖1 所示．

圖1 懸掛式剪切波速測試儀信號傳播示意圖

當震源激震時，在井孔內的泥漿中產生以水平向振動為主的P 波，P 波到達孔壁時，除經折射進入地層外，還產生沿孔壁傳播、振動方向垂直于孔壁的S波，S 波沿孔壁向下滑行的過程中，還不斷產生水平向振動為主的P 波，S 波下行至兩道檢波器處時，其產生的P 波信號由兩道檢波器記錄下來．從圖1 中可以看出，兩道檢波器信號初至時間差Δt 為S 波在長度為兩道檢波器之間距離d 的孔壁的傳播時間，則兩道檢波器之間對應地層的波速值即為d/Δt．

2 波速測試影響因素分析

文中波速測試影響因素分析所用的數(shù)據(jù)均利用XG－1 型剪切波速測井儀采集．

2．1 局部擴孔、縮孔對波速測試的影響

結合懸掛式剪切波速測試的原理可知，兩道檢波器之間的距離是固定不變的，但S 波沿兩道檢波器之間的孔壁傳播路徑受孔壁質量的影響． 當孔壁存在擴孔、縮孔等現(xiàn)象時，勢必會影響S 波沿孔壁的傳播，從而影響波速測試的結果．圖2 為擴孔時懸掛式剪切波速測試儀的信號傳播示意圖． 從圖中可以看出，當孔壁存在擴孔時，S 波在兩道檢波器之間的孔壁傳播路徑要大于兩道檢波器之間的距離d，在S波速度一致的情況下，兩道檢波器信號初至時間差Δt 要比孔徑一致時的時間差大，則波速測試結果d/Δt要比實際波速值偏?。?/p>

圖2 孔壁擴孔時懸掛式剪切波速測試儀信號傳播示意圖

2．2 塌孔對波速測試的影響

在測試靠近地面的地層波速時，由于淺表地層松散，易坍塌，塌孔對波速測試影響極為明顯，很難采集到良好的波形，甚至采集不到波形．

圖3 中黑色方框內所示初至波、后續(xù)波均不明顯，信號質量明顯比其下方和上方的差．其原因是埋深7 ～10 m 的松散粉土少量坍塌，擴徑嚴重，孔壁產生的S 波波速低、振幅衰減快，S 波在泥漿中產生的P 波振幅遠小于孔壁質量好的情況．

圖4 為黃河入?？诟浇硿\海項目孔1 波速測試的波列圖． 由于淺層沉積物松散，海底泥面下10 ～25 m 范圍內地層塌孔嚴重，基本沒有記錄到有效波形;海底泥面下0 ～10 m 范圍雖然有套管保護，但因套管與地層間耦合差，記錄的波形也極差．

圖3 某孔波速測試時的界面顯示(窗口顯示深度范圍3 ～18 m)

圖4 某淺海項目孔1 波速測試波列圖(測試深度100 m，測試方向上→下)

2．3 孔壁縱向均質性對波速測試的影響

S 波在傳播過程中會出現(xiàn)波速隨頻率或波長而變化的頻散現(xiàn)象．S 波在孔壁表面?zhèn)鞑r，由于孔壁縱向孔徑差異變化大、地層的均質性差和孔壁的非完全彈性等原因，產生各種類型的波疊加，將造成更嚴重的頻散現(xiàn)象．由于頻散現(xiàn)象，S 波波形在傳播過程中會發(fā)生變化，如在震源處發(fā)出的一個脈沖，在遠處就可以散成一個波列． 嚴重的頻散往往會造成波速測試結果的不準確，且為后期人工干預波速計算時識別初至波帶來麻煩．

圖5(a)所示為孔壁均質性良好的情況下檢波器記錄的信號，初至及后續(xù)信號呈現(xiàn)單個的波峰，為脈沖信號;圖5(b)所示為孔壁均質性差的情況下檢波器記錄的信號，初至及后續(xù)信號頻散現(xiàn)象嚴重，表現(xiàn)為由2 ～3 個子波組成的波列．

圖6 為某孔波速測試時的顯示界面．從圖6 中①、②窗口可以看出，兩道檢波器接收的初至信號頻散現(xiàn)象嚴重，且距離震源較遠的2 號檢波器(②窗口)接收信號的頻散要比1 號檢波器(①窗口)嚴重;④窗口為兩檢波器信號互相關函數(shù)關系，互相關波形的時間區(qū)間偏大，說明波速測試誤差較大，測試結果的準確度相對要低．

圖5 檢波器記錄的正常信號與S 波頻散嚴重的信號

圖6 某孔波速測試時的界面(測試深度26 ～40 m)

2．4 泥漿中鐵磁性物質含量對波速測試的影響

懸掛式剪切波速測試儀的電磁式激震源在井孔中下放時，其內部的永磁體將泥漿中的鐵磁性物質吸附在橡皮墊上．在激震時，吸附的鐵磁性物質抵消了部分永磁體的磁性，會減弱永磁體撞擊膠皮墊的速度，從而降低震源的能量，影響波速測試的精度．泥漿中的鐵磁性物質主要包括來自于鉆進地層中的磁性礦物和鉆頭磨損產生的鐵屑．

圖7 為某工程k1 孔波速測試的波列圖．可以看出，在從上往下的測試過程中，除深度10 m 以上松散粉土、粉砂層因坍塌、擴孔等原因導致初至波較弱甚至沒有外，其余深度段初至波振幅自上而下逐漸減弱．在波速測試過程中，泥漿停止循環(huán)，內部基質(包括砂屑、黏土、鐵磁性物質等)逐漸往下沉淀，在深度80 m 以下，吸附的鐵磁性物質迅速增多，導致震源能量迅速下降，兩檢波器初至波振幅明顯減弱．

圖7 某工程k1 孔波速測試波列圖和成果圖(測試深度100 m)

2．5 儀器設備故障時波速測試響應

在波速測試過程中，儀器設備故障也是影響波速測試結果的一個重要因素，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，將影響波速測試結果．常見的儀器設備故障有電磁激振器橡皮墊老化、破裂和檢波器故障．

圖8 為激震器橡皮墊破損時的波形響應(測試方向從上到下)．某孔波速測試過程中，孔內壓力將電磁激震器老化的橡皮墊壓裂，泥漿進入電磁激震器內部，影響激震器激發(fā)，使得兩檢波器記錄的波形雜亂無章．

圖8 某孔波速測試過程中橡皮墊破裂后的波列圖

圖9 為檢波器出現(xiàn)故障時的波形響應．①窗口(1 號檢波器)初至及后續(xù)波形由多個子波組成，類似頻散現(xiàn)象;②窗口(2 號檢波器)記錄波形相對正常．一般情況下，2 號檢波器記錄波形的頻散要較1號檢波器的明顯，排除了頻散現(xiàn)象的影響．

圖9 檢波器出現(xiàn)故障的記錄波形

經儀器廠家檢修確定，此類波形響應是由檢波器故障引起的．在更換正常懸掛式探頭后，在同一鉆孔、同一深度采集到了良好的波形，如圖10 所示．

圖10 更換正常探頭后的記錄波形

3 提高波速測試質量的對策

1)提高孔壁質量．鉆探過程中，針對不同地層，控制好鉆進速度、鉆具轉速，選擇合適的泥漿配比等，保證鉆探的成孔質量．

2)采用分段測試方式．0 ～20 m 地層的剪切波速是影響場地地震動參數(shù)確定、場地類別劃分的重要參數(shù)，恰恰該段是塌孔、擴孔最嚴重的孔段． 波速測試可在0 ～20 m 段鉆探完成、尚未塌孔或塌孔較輕時進行．

3)人工干預波速計算．通過對記錄波形進行濾波，人工識別初至波形，計算剪切波速值． 若經濾波后仍不能識別初至波形，應結合各因素對波速測試的影響結果，適當調整波速值．

4)提高測試人員技術水平．在波速測試過程中，不同的人測試結果都有可能不同［9］．測試人員必須時刻注意各類因素改變所帶來的影響，隨時調整參數(shù)或測試方案，及時發(fā)現(xiàn)和排除儀器設備故障等．

4 結 語

1)影響懸掛式剪切波速測試結果的因素有孔壁質量(擴孔、塌孔、孔壁的縱向均質性)、泥漿中鐵磁性物質含量、儀器故障等．

2)擴孔、塌孔時剪切波速值要小于實際值;孔壁質量良好時剪切波速的測試質量要好于孔壁縱向均質性差時;泥漿中鐵磁性物質含量高時，會降低電磁式激震器的激震能量，影響剪切波速測試結果．

3)采取提高孔壁質量、分段測試方式、人工干預波速計算等措施，可提高剪切波速測試的質量．

［1］張磊，徐放明，吳社慶． 場地剪切波速測試及其應用［J］．電力勘測設計，2006(6):9 －11．

［2］中華人民共和國建設部． 巖土工程勘察規(guī)范(2009 年版):GB 50021—2001［S］． 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［3］中國地震局． 工程場地地震安全性評價:GB 17741—2005［S］．北京:中國標準出版社，2005．

［4］齊靜靜．山東東營城區(qū)剪切波速回歸分析及應用［J］．勘察科學技術，2011(2):23 －26．

［5］郭明珠，賈連軍，鐵瑞，等．剪切波速測試方法的現(xiàn)狀分析［J］．西北地震學報，2011，33(增刊1):21 －23．

［6］高云峰，李惠玲，趙向佳． 剪切波速測量中地貌木板敲擊方法和懸掛式井中測試方法的結果比較［J］．山西地震，2014(157):19 －23．

［7］龔湘湖．剪切波速測試及其在地震安全性評價工作中的應用［J］．巖土工程界，2000，3(10):52 －54．

［8］林鳳仙，段繼平，楊江華． 懸掛式測井儀在場地地震反應剪切波速測試中的應用［J］． 云南大學學報(自然科學版)，2012，34(增刊2):256 －259．

［9］董林，夏坤，鄭龍． 甘肅地區(qū)波速測試中的問題分析［J］．震災防御技術，2013，8(1):81 －89．