剪切波速测量中地面木板敲击方法和悬挂式井中测试方法的结果比较

2014-10-21高云峰李惠玲赵向佳

山西地震 2014年1期

高云峰，李惠玲，赵向佳

（1.山西省地震局，山西太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025）

0 引言

土层的剪切波速是反映土体动力特性的重要参数［1］。目前，单孔剪切波速测量中，常用的两种方法是地面木板敲击和悬挂式井方法。但对于类似的场地，不同的方法所得到的测试结果有时似乎存在一定的差异。为此，选取山西地区不同地质条件下的5个地震钻孔，分别采用两种方法对同一钻孔进行测试，并对结果进行比较和分析，以期深入了解这两种测试方法在什么情况下结果比较相近，什么情况下存在较大的差异及与场地条件相关的方法适宜性。

1 两种剪切波速测试方法的测试原理及施工特点简介

（1）地面木板敲击测试方法。

测试原理：将一块弹性好的木板放在平整的地面上，上面压上重物，使木板与地面紧密接触，然后敲击木板两侧，这样，木板就给地面一个水平冲击力，激发土层的剪切振动，井中探头检测到剪切波信号，以波形图的方式记录下来，探头每向上提升一段距离，即可得到探头在该深度的波形图，通过震相分析方法找到剪切波在各测试深度的到时，得到剪切波从激震源到各测试深度的走时，利用三角函数关系，根据波传播的距离和走时，计算钻孔内相邻2个测点中间土层的平均波速。

该方法的优点是：对钻孔的质量要求相对不高，只要探头能贴紧孔壁就可测量。缺点是：设备较为笨重，施工不便；对探头相邻2次提升距离的精度要求较高；在含有卵石地层及需要测量基岩面以下地层剪切波速情况下，结果较差。

（2）悬挂式井中测试方法。

测试原理：激震源激发，向井壁作用一冲击力后，沿井壁地层就有P波、S波分别向前和向下传播，在震源下方悬挂2个检波器，S波传播到检波器位置时，通过井液耦合，检波器就可以把S波信号记录下来，传输到计算机，根据相邻固定间距的两道检波器接收到的S波信号，通过互相关法，计算出两道间地层的波速值。

该方法的优点是：摆脱笨重的地面敲击振源，测试操作简单；振源和检波器同时放入井孔中，且2个检波器间的距离固定，消除地面木板敲击测试方法中，由于2次相邻提升距离之间的不准确造成的测量误差；现场直接计算并显示波速值，工作效率高。缺点是：受钻孔质量的影响较大。测量时，钻孔中必须注满水，漏水的钻孔不能使用该方法；测试设备相对复杂，故障率也较高。

2 现场测试结果与分析

在研究中，选择比较有特点的5个钻孔进行测试和分析。

（1）1号孔的地层结构较简单，主要由粉土、粉砂和粉质黏土组成，该孔深60m，孔径为108mm，施工质量较好，无漏水、局部塌孔和缩径的现象。

根据图1所示的测试结果对比来看，两种测试方法的结果总体相差不大，除去14～18m误差较大的3组数据外，地面木板敲击相对悬挂式测井的误差平均为5.85%。

测试深度在14～18m误差相对较大（14m为48.59%，16m为25.19%，18m 为28.57%），产生的部分原因可能是该段地面木板敲击测试时，探头提拉距离间隔不准确（要求间隔2m）造成的，其他原因有待进一步研究。

图1 1号测点测试结果Fig.1 Measurement results at the No.1measuring point

（2）2号孔的地层结构较简单，主要由粉土、细砂和粉质黏土组成，该孔深60m，孔径为108mm，钻孔施工质量较好，无漏水、局部塌孔和缩径的现象。

根据第21页图2所示的测试结果对比来看，两种测试方法的结果相差不大，地面木板敲击相对悬挂式测井的误差平均为7.05%。

（3）3号孔的地层由粉土、卵砾石、粉砂组成，该孔深60m，孔径为108mm，钻孔施工质量较好，无漏水、局部塌孔和缩径的现象。

根据第21页图3所示的测试结果对比来看，两种测试方法的结果在8m以上相差不大，自8m以下，地面木板敲击测量数据变化起伏较大，相对悬挂式测井的误差最大达到296.74%，除去8m以下数据，地面木板敲击相对悬挂式测井的平均误差为11.49%。

地面木板敲击方法所测数据变化较大的可能原因是，地面敲击的剪切波在到达卵石层时产生了散射现象，剪切波经过散射后，波的性质发生了变化。所以，地面敲击方法不适合在含有卵石层的场地测量。

（4）4号孔的地层由杂填土、粗砂、中砂、细砂、粉质黏土、黏土组成，该孔深80m，孔径为108mm，钻孔施工质量一般，无漏水现象，10～18m可能有塌孔现象，68～72m可能有轻微缩径的现象。

根据第22页图4所示的测试结果对比来看，悬挂式测井除去10～18m、68～72m误差较大的数据外，两种方法的测试结果相差不大，地面木板敲击相对悬挂式测井的误差平均为6.02%。

图2 2号测点测试结果Fig.2 Measurement results at the No.2measuring point

图3 3号测点测试结果Fig.3 Measurement results at the No.3measuring point

图4 4号测点测试结果Fig.4 Measurement results at the No.4measuring point

该孔10～18m地面木板敲击相对悬挂式测井的误差较大（10m 为47.47%，12m 为618.92%，14m为1 853.33%，16m为337.50%，18m为241.10%），悬挂式测井的测量数据明显偏小，可能是此段砂质地层较为松散，局部塌孔造成的；在68～72m地面木板敲击相对悬挂式测井的误差稍大（68m为20.17%，70m为25.25%，72m 为22.03%），悬挂式测井的测量数据略微偏大，可能是此段发生了缩径现象造成的。因此，钻孔有塌孔和缩径的现象时，不适合用悬挂式测井法测量。

（5）5号孔的地层由细砂、粉质黏土、砂岩组成，该孔深30m，孔径为108mm，钻孔施工质量较好，无漏水、局部塌孔和缩径的现象。

根据第23页图5所示的测试结果对比来看，地面木板敲击方法在22m（基岩）以下无法得到数据，除此之外，两种方法的测试结果相差不大，地面木板敲击相对悬挂式测井的误差平均为6.27%。

从地面木板敲击方法的原理上看，地面木板敲击方法在基岩以下无法得到数据的原因是，由于基岩面为强反射面，能量几乎无法向下传播；而悬挂式测井方法由于是孔中激发孔中接收，所以不存在此问题。因此，测量钻孔内基岩以下地层的剪切波速，只能采用悬挂式测井方法，而不能采用地面木板敲击方法。