P.S测井技术的工程应用

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 1、概况     P.S测井又称弹性波速度测井，它是地震勘探方法之一，也是地球物理测井技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。     一般来说，P.S测井可原位测定压缩波（Pressure Wave）和剪切波（Shear Wave）在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩(土)体质量等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。本文介绍了P.S测井的工作原理和野外测试方法，并结合工程实例，说明其应用效果。不妥之处，请批评指正。
    2、工作原理                                       以岩(土)体的弹性特征为基础，通过测定不同岩(土)层的剪切波(S波)、压缩波(P波)的传播速度，计算岩(土)体的动弹性参数，据此判定岩(土)体的工程性质，为工程设计提供可靠的科学依据。     实测一般采用单孔检层法，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生剪切波(S波)，利用剪切波震相差180⁰的特性来识别S波的初至时间。图1为正反向激发时由地震仪记录的实测波形图。     3、测试方法                                       实测通常由震源和记录仪器组成，震源设置一般距孔口2～4m，平放一块压重物的木板，测试孔应位于木板长轴的中垂线上，使木板与地面紧密接触。木板长2.5～3.0m，宽0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上压约500～1000kg的重物。当分别水平敲击木板两端时，产生弹性波(此时以S波为主)。记录仪器由井中三分量检波器和工程地震仪构成，三分量检波器放置井中某一深度，接收由震源产生的弹性波信号，并通过连接电缆输送给地震仪，再由地震仪记录并存储以备后期数据处理之用，图2为单孔检层法测试示意图。

 

        单孔检层法测试弹性波时，由于震源板离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波的非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时，计算公式如下：       式中：t’—纵测线旅行时(s);    t—非纵测线旅行时(s);     h—测点孔深(m)；        x—震源板距孔口的距离(m)。

 

   
    由校正后的纵测线旅行时求得各测试地层的弹性波速，进而可根据剪切波速Vs和压缩波速Vp计算岩(土)层的动弹性参数。计算公式如下：

 

 

   
          Ed=2ρVp²(1+μ) ……………………………………(4)

 

          Gd=ρVs²    ……………………………………………(5)     式中：ρ—介质密度(g/cm³)；       Vp—压缩波速度(m/s)；     Vs—剪切波速度(m/s)；      μ—泊松比     Ed—动弹性模量(GPa)；      Gd—动剪切模量(GPa)；     实测过程中应注意以下特征：     (1) 压缩波传播速度较剪切波速度快，压缩波为初至波；     (2) 震源板两端分别作水平激发时，剪切波相位反向，而压缩波相位不变；     (3) 检波器下孔一定深度后，压缩波波幅变小，频率变高，而剪切波幅度大，频率低。     (4) 最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。
    4、工程实例      实例１  天津院综合楼场地评价      根据任务要求，用单孔检层法对建筑场地内一深30m的钻孔，进行了剪切波测试。检测结果见表1。        表1                 剪切波测试成果表 地层 编号 地层代号 岩性简述 剪切波速 V_s(m/s) 备注 ① Qml 素填土：粉质粘土为主，顶部夹有少量碎砖块及灰渣。层厚约2.0m。 116.5 人工填土层 ② Q_h³ 粉质粘土夹少量淤泥质粉质粘土。层厚3.0m。 167.7 第一陆相层 ③ Q_h^2-3 粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粘质粉土、粘土。层厚3.0m。 186.3 第一海相层 ④ Q_h^2-2 淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹淤泥质粘土、粉质粘土。层厚3.5m。 177.3 ⑤ Q_h^2-1 淤泥质粉质粘土夹粉质粘土、粘质粉土、粉砂等。层厚3.0m. 113.8 ⑥ Q_h^1-3 粉质粘土夹砂质粉土、粘质粉土、粘土。层厚4.5m。 245.8 第二陆相层 ⑦ Q_h^1-2 粉砂夹薄层状粉质粘土、粘土、粘质粉土。层厚3.6m。 235.9 ⑧ Q_h^1-1 粉质粘土夹粘质粉土、细砂。层顶埋深22.6m，层厚大于7.4m。 228.5       (1) 场地类别划分     a.平均波速法：勘察分析表明本区地层为中软场地土，且覆盖层厚度大于60m。由表1中各层Vs值，对深度30m范围以内各地层平均的Vs值进行厚度加权平均后得196.8m/s，参照文献(1)(P14页表3.2.1)知该区场地类别属Ⅲ类。

 

   
    b.卓越周期法：卓越周期T可按下式计算，即：

 

    式中：hi—第i层土的厚度(m)；     Vsi—第i层土的剪切波速(m/s)；     n—土层数；     由表1中各地层的Vsi值计算得：T=0.653(s)，参照文献(2)(P47页表5.2.5)知该区场地类别属Ⅲ类。 由此可见该综合楼场地类别应属于Ⅲ类，以此为依据进行地基处理和结构设计。

 

   
    (2) 地基土液化判别：按公式(7)计算地层的临界剪切波速(Vscr)，当实测地层剪切波速小于Vscr时该地层被判为液化，否则为不液化。
    式中：d—剪切波测点深度(m)；Kv—系数，本区地震基本烈度为Ⅶ度，则取42。
    计算结果表明，在深度12.0～15.0m范围内(即海相层中⑤Q_h^2-1)的淤泥质粉土夹粉砂层Vs＜Vscr，即判定为液化层。 
    实例2  正义峡输水干渠基础评价 
    正义峡输水干渠地处甘肃省酒泉地区金塔县境内，输水干渠自大墩门引水枢纽(渠首)取水，经金塔县芨芨乡、鼎新镇和双城子乡以及东风场区内的荒漠、戈壁滩，向内蒙古自治区的额济纳旗平原供水，线路全长约96.058Km。干渠设计流量55m³/s；加大流量60m³/s。渠道设计纵坡1/1000～1/2000，边坡1：1.75，底宽3～6m，设计水深2.27～3.28m，设计流速1.92～2.43m/s，一般为明挖梯形混凝土预制板衬砌断面。
    渠基多由第四系中、上更新统冲洪积松散堆积物组成，岩性为含砾砂、砂、含砾砂壤土、壤土、粘土等。其中含砾砂、砂广泛分布于干渠沿线各段，且在干渠0+000～0+080及77+500～95+803渠段厚度较小，一般为3～6m，其余地段厚度均较大，一般多大于20m。砂以细砂为主，夹有呈透镜体状分布的粗砂、中砂及极细砂等，砾石多为细砾，含量多小于5%，磨圆度较好。另外在该层中还夹有壤土、粘土等粘性土层，多呈透镜体展布，厚度多小于1.0m；含砾砂壤土，分布于含砾砂、砂层之下，在干渠50+200～69+500渠段揭露，埋深5～10m，厚度大于10m，砾石多为细砾，含量小于5%，土为砂壤土。
    沿线地下水位在干渠上游段埋藏较深，一般大于10m（局部因地势低洼地下水位埋深约5～8m）；中游段埋深较浅，一般小于2～3m；下游段埋藏深度居中，一般为4～7m。同时，地下水位的动态变化受黑河河水的丰枯、田间回灌水的多少和人工开采量的大小等因素的控制较为显著。
    沿渠线实施剪切波测试的钻孔共17个，所测钻孔均分布于渠道中心线上。测试对象均为第四系中、上更新统冲洪积松散堆积物，其岩性主要为中细砂或含砾中细砂，其次为含砾粗砂等；其层间夹有薄层砂砾石、砂壤土、粉质壤土等。从实测结果来看具有以下规律：地表以下地层随深度的增加其剪切波速和动剪切模量等动弹性参数逐渐增大。在测试深度内具体可划分为三个速度带，即深度0～5m范围内地层剪切波速一般为190～240m/s，动剪切模量一般为0.057～0.096GPa；深度5～10m范围内地层剪切波速一般为250～300m/s，动剪切模量一般为0.103～0.143GPa；深度10～15m的第四系中细砂、中粗砂层的剪切波速一般为300～450m/s，动剪切模量一般为0.143～0.320GPa。
    按照《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89)规定，场地土类型宜根据土层剪切波速Vs依表2标准划分。 

 

表2                   场地土类型划分 类别 岩土名称和性状 平均剪切波速(m/s) 坚硬场地土 稳定岩石，密实的碎石土 Vs＞500 中硬场地土 密实、中密的砾、粗、中砂 500≥Vs＞250 中软场地土 稍密的砾、粗、中砂 250≥Vs＞150 软弱场地土 淤泥质土、松散的砂 Vs＜140     由此可知，该输水干渠渠基深度0～5m范围内地层(含砾砂、砂等)属于中软场地土；深度5～10m范围内地层(含砾砂、砂等)属于中硬场地土；深度10～15m的第四系中细砂、中粗砂地层也属于中硬场地土。      5、结语     弹性波在岩(土)层中的传播速度是反映岩(土)体的动力特性的一项重要参数，根据实测岩(土)体的弹性波速，能为抗震设计提供岩(土)体的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。     P.S测井是一种简便、快速、准确的原位测试方法，随着电子技术、信号分析、数据处理等手段的广泛运用，必将为工程设计、施工提供更多的参数和可靠的设计依据。