声波测井技术在场地勘察及地震安评中的应用

2014-06-27李党民龙鹏伟

物探化探计算技术 2014年4期

单波，李党民，龙鹏伟

(西北电力设计院，西安 710032)

0 引言

声波测井是弹性波速度测井的简称，属于地震勘探方法的范畴，它作为地球物理测井的一个分支，在石油、煤田、固体矿产等资源调查领域广泛应用[1-3]。

声波测井同时也属于原位测试技术[4-5]。在不同的地球物理前提下，它能有效解决许多地质问题[6-7]，可提供断层破碎带、地层厚度、固结特性、软硬程度以及地震折射法难于探测的低俗夹层等资料；可计算剪切模量、动泊松比、杨氏模量等参数；它能进行填土密实度的控制与检查，评价地基的改良效果；测定灌注桩等建筑物的桩底埋深；用纵横波速比来评价岩石的质量和地基的各向异性；因此目前已广泛应用于铁路、公路、电力、水利水电等众多工程地质勘察领域[8-12]。

然而目前应用较多的是利用剪切波速对场地土的类型、建筑场地类别进行划分，并利用P波和S波进行工程力学参数的计算，为场地工程地质评价和工程建筑设计提供参数。

1 声波测井的分类

声波测井根据激发接收装置不同，可以分为单孔法和跨孔法，而单孔法根据振源位置不同又可以分为井地激发接收和同井激发接收。因此声波测井法可以大致分为三类：①井地激发接收方式；②同井激发接收方式；③异井激发接收方式。

1.1 井地激发接收方式

这类测量方式包括地面激发井中接收的井下接收方式(一般所说的声波测井即指此种测量方法，称为检层法)和井中激发地面接收的井上接收方式(如石油勘察中的微测井)。

井上接收方式接收的为井中激发产生的SV波。

井下接收方式被多数采用，使用的是一个三分量检波器，检波器需要贴壁，所以有的带有机械贴壁装置，有的带有橡皮囊，利用气体或者液体使检波器使探头与孔壁耦合。振源位于孔口，距离1 m～2 m左右，垂直敲击铁板产生纵波，横敲与地面紧密耦合的木板产生横波，这里的横波为SH波，有别与井上接收方式。由于为锤击方式，所以探测深度有限。

1.2 同井激发接收方式

这种方式主要有声波测井和悬挂式测井。声波测井振源是一种电-声能转换器，每秒发射10次～20次，产生 20 kHz 左右的电脉冲，检波器接收利用井水与井壁的速度差异产生的折射纵波和折射横波(转换波)，通常依据波到达两个检波器的时间差来求波速。如果地层的横波波速小于井水的纵波波速时，检波器接收不到转换横波信息，另外孔径变换和探头的倾斜对数据质量影响较大，使该方法应用受限。

悬挂式声波测井是一种较为快捷的方法。探头主要由全密封电磁式激振源和两个相距1m的检波器构成，当振源向井壁作用一个冲击力后，沿井壁就有P波和S波传播，根据井液耦合器就可以把振动转换成电信号，根据两道S波的初至计算波速值。

1.3 异井激发接收方式

这种方式通过一口井内激发，其他井内接收。当孔距较小时，可以直接利用直达波测定速度，波形记录通常分为三个部分：平稳段、P 波段、S 波段。该方法抗干扰能力强，但为避免折射波的影响孔距不能太大。

2 技术原理

检层法是较为普遍采用的单孔声波测井方法，其采集方法见图1。如前所述，检层法采集接收的是横波的水平分量 SH 波，所以可以利用其方向性，用重锤在与地面紧密耦合的木板两面分别横向敲击，以获取两个反相的 SH 波记录，利于横波初至的判别读取，计算地层速度。

图1 单孔检层法波速测试示意图Fig．1 The schematic diagram of the principle of wave-velocity test

2.1 土层剪切波速计算

土层剪切波的传播速度按式(1)计算。

v=Δh/ΔT

(1)

T=KiTL

(2)

(3)

式中v为波速层的波速；Δh为波速层的厚度；ΔT为波传到顶面和底面的时间差；T为波从震源到达测点经斜距校正后的时间；TL为波从震源到达测点的实测时间；Ki为斜距校正系数；Hi为测点的深度;L为从板中心到测试孔的水平距离。

2.2 土层的等效剪切波速计算

土层的等效剪切波速按式(4)计算：

Vse=d0/t

(4)

(5)

式中Vse为土层剪切波速；d0为计算深度，取20 m；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；di为计算深度范围内第i土层的厚度；Vsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速；n为计算深度范围内土层的分层数。

2.3 场地类别划分与场地卓越周期计算

在抗震设计中，对拟建场地进行场地类别的划分，其目的是为了考虑场地条件对设计反应谱的影响，以便采取合理的设计参数和抗震措施，划分根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度，具体内容参见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)有关规定。

在地震过程中，场地和地表建筑物都会受到振动，如果场地土的卓越周期与建筑物的自振周期接近，建筑物将与场地土产生共振，使的建筑物振动幅度变大，从而加剧建筑物的破坏。《地震区工程选址手册》中规定，在做抗震设计时，可应用卓越周期划分场地类别(表1)，因此场地卓越周期的测定，也是地震区抗震设计及安全评估的一项重要内容。场地卓越周期除了通过实测手段获取外，也可以通过土层剪切波速度的计算得到。

(6)

式中Tc为场地土的卓越周期；Hi为第i层土层厚度，一般应计算至基岩面，当基岩面较深时，可计算至30 m～50 m；Vsi为第i层土的剪切波速；n为土层层数。

表1 依据卓越周期进行场地类别划分

3 工作流程以注意事项

3.1 扫孔

应安排钻探人员根据工作要求打孔，被测孔如果不是刚打的孔，需要在波速测试前进行扫孔，以避免泥浆沉淀，探头无法放置到预定的深度；对某些软弱地层或者卵石地层较易发生缩径或者石块卡孔问题，所有有必要在测试前扫孔，清除探头被卡的隐患。

3.2 震源设置

震源距离井口距离1 m～2 m比较合适，如果井口附近有障碍物，可适当远离，但尽量避免由于板孔距离较远引起的折射波干扰。震源一般选择锤击，为保证有效横波的产生，在木板上需要放置数百公斤的物体，木板下最好有较大摩擦力来增加耦合效果，当探测深度要求较大时，可以用重锤敲击。仪器接收选择普通的浅层地震仪即可。

3.3 测试

首先缓慢将三分量检波器放到预定探测深度，由深到浅测量。对于机械式固定装置探头，当检波器放到位置时松开固定器进行固定，对于橡皮囊固定器需要充气或者充水，以与井壁紧密耦合，可以采取 20 m 以下 2 m 测试一个点，20 m以上1 m一个点的做法进行测量，有时为了获取薄层信息，可以采取加密测点间隔，50 cm 或者 30 cm。

3.4 资料处理

获得完整数据记录后，应该记录板距孔的垂直距离。对数据资料可以有选择性的进行滤波处理，然后根据每个测点两个反相的横波初至来判读时间，并利用公式(1)到公式(5)计算获取等效剪切波速和每层的波速，最后结合钻孔资料判断场地分类，也根据公式(6)计算卓越周期，根据表1来判断场地分类。

4 实例分析

某一重大建设工程场地需要进行地震安全性评价工作，为场地设计地震动参数估计和场地地震地质灾害评价提供资料和数据，需要进行波速测试工作，进行场地评价。

4.1 场地分类和动力学参数

通过对记录数据的计算，获得剪切波速曲线见图2。计算 20 m 以上的等效剪切波速为 310.3 m/s，覆盖层厚度大于 5 m，可以判定该场地类别为Ⅱ类。求取的动力参数见表2。

图2 剪切波速度随深度变化的关系曲线Fig．2 The relationship of shearing-wave velocity to depth

地层名称动泊松比动剪切模量/MPa动弹性模量/MPa黄土10.17117.4266.2黄土20.17180.5430.2粉细砂0.15223.5524.1园砾0.21364.4865.1泥岩0.17512.61202.4

4.2 场地卓越周期计算

根据公式(6)计算出来的卓越周期为0.257 8，根据表1可以判定场地为Ⅱ类，与通过剪切波速划分的场地类别一致。本次计算卓越周期取的深度为20 m，因为该深度基本已达基岩面，在某些场地，如果覆盖层较厚，那么选择的计算深度就要相应加大，不然用依旧用20 m计算出来的卓越周期可能偏小，场地分类会与剪切波速划分的类别不一致。

5 结论和建议

在上述介绍中，对单孔检层法的采集处理和实例进行了详细说明和讨论分析。虽然目前各种方法都较为成熟，但是各有优劣之处，跨孔法直观，但成本较高，如果下层波速较高，也容易受到折射波的干扰；单孔悬挂法速度较快，但测量离不开水，干孔不能测量，其激发波长较小，在井壁破碎严重，孔径变化大时，波形记录质量较差；单孔检层法速度稍慢，采集稍烦琐，但其抗干扰能力较强，干孔也可测量。所以在选择声波测井方式时，可以根据现场情况、技术要求选择测井方式。

目前声波测井应用逐渐广泛，除了提及的场地类别划分、卓越周期求取等方面，还可应用于依据剪切波速判别液化情况等，但许多领域并不完善，还有待于进一步的研究，以发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 王振东.浅层地震勘探应用技术[M]. 北京：地质出版社,1988.

[2] 张华，曹军，龚育龄，等.波速测试技术在场地抗震评价中的应用研究[J].物探化探计算技术,2010,32(1):68-71.

[3] 王俊茹．波速测试在高层建筑地基勘察中的应用[J]．物探与化探，2000，24(3)：219-223.

[4] 龚湘湖．剪切波速测试及其在地震安全性评价工作中的应用[J]．岩土工程界，2000，3(1O)：52-56．

[5] 周竹生，蒋晶晶，徐建明．PS测井在公路隧道勘察中的应用[J]．工程地球物理学报，2004，1(5)，395-398．

[6] 建设部．GB50011—2001，建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.

[7] 郑柱坚．场地卓越周期的测定及其在建筑抗震设计中的应用[J]．工程抗震，2000，5(12)：36-40．

[8] 张华，肖卫国，龚育龄，等．PS测井在地基勘察中的应用[J]．工程勘察，2009，37(7)：76-80．

[9] 姜若愚，杨弘．昆明地区建筑工程抗震设计场地土条件划分方法的研究与评价[J]．物探化探计算技术，2001，23(4)：328-331．

[10] 陶莅宁，侯广春．波速测试技术在工程地质勘察中的应用[J]．山东煤炭科技，2008，2：20-22．