钻孔剪切波速测试两种方法的对比

鹿子林，付海清，胡 超，夏 暖，刘建龙

（山东省地震工程研究院，济南 250021）

0 引言

土体的剪切波速是土动力学中的一个重要物理量，在岩土工程、地震工程中得到广泛的应用：划分建筑场地土类型和场地类别、计算岩土动力学参数、砂土液化判别、黄土震陷判别、地震反应分析计算等等［1－5］。因此剪切波速的准确与否对工程质量有至关重要的影响，剪切波速测试最常用的方法是单孔检层法，该方法又分为2类测试方式：一种是地面激振式，另一种是井中激振式。不同测试方法的原理不同，测试效果亦有差异，许多学者在测试方法及剪切波速测试结果的分析、应用方面做了较为深入的研究［6－9］，对该2种方法的测试结果差异以及测试中存在的问题总结、研究甚少，作者就2种测试方式进行研究，分析其优缺点，探讨测试中需要注意的问题，以期得到更为准确的基础数据，为工程质量提供可靠的保障。

1 测试仪器原理及测试方法

1.1 仪器

目前进行剪切波速测试的仪器主要有3种，分别是中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM系列工程动测仪、核工业部北京地质研究院研制的CSA－24工程地震仪、廊坊大地仪器有限公司研制的XG－I波速测井仪。前2种仪器都使用地面敲击振源，贴壁式三分量井下地震检波器接收信号，即地面激振式；后一种仪器当采用贴壁式检波器时，原理和测试方法与前2种方法一样，当采用悬挂式检波器时，使用自身电磁式激振源，井中悬挂式检波器接收信号，即井中激振式。3种仪器各有优缺点，应在了解其测试原理和方法的基础上，加以甄别选用。

1.2 测试方法及原理

1.2.1 地面激振式

使用该方法测试的仪器主要有RSM 工程动测仪和CSA－24工程地震仪，该2种设备测试原理相同，都是在地面激振，孔中接收。地面震源可正反向激发，并产生剪切波（S波）（图1），利用剪切波相位相反的特性来识别初至时间，由测试点的深度值计算各测点处的S波速。

图1 实测正反向S波

测试时，在距孔一定距离处平放一大小、尺寸合适的摩擦力较大的平板，平板与地面紧贴，平板上压重物以防止击板时移滑，平板的中垂线应通过孔口，用锤沿板纵轴分别从2个相反方向水平敲击平板一端，激发S波。测试系统由三分量检波器、测试仪及电脑组成，三分量检波器放置在井中预定深度，接受震源产生的震动信号，经仪器采集，电脑记录（图2）。人工激振测试深度一般在60m 以内，若孔较深，则必须采用其它震源，如爆破、空气压缩枪等。图1为正反向激发时由地震仪记录的实测波形图。单孔法现场测试如图2所示。图3为某钻孔的实测波形图。

图2 地面激振法测试示意图

图3 某钻孔实测波形图

1.2.2 井中激振式

使用该方法的设备主要有XG－I悬挂式波速测井仪，该设备的测试原理与前2 种仪器不同，XG－I型悬挂式波速测井仪主要由主机、井中悬挂式探头及连接电缆等组成。井中悬挂式探头主要由全密封（防水）电磁式激振源、2个独立的全密封检波器（间距1m）及高强度连接软管等组成。当震源向井壁作用一冲击力后，沿井壁地层就有S波传播，在井孔震源下方悬挂有2个检波器，S波传播到检波器位置时，通过井液耦合，检波器可以把S波的初至时间和震动波形转换成电信号，由仪器记录下来。由2道S波的初至或同相位的时间差可计算出2道间地层的波速平均值。测试时只需将探头放到目标位置，手动触发激振开关即可测得数据，并且波形和测得的波速可以实时显示。图4为测试示意图，图5为实测波形图。

图4 XG－I测试示意图

图5 XG－I实测波形图

2 存在问题

2.1 地面激振式

（1）要保证激发出有效的S波。由于测试现场有可能很难找到足够重的重物，敲击木板时，木板滑动，导致S波初至不明显，在测试时有的测试者在地面挖个坑，将尼龙板面贴于土坑与孔口连线的坑壁上，然后敲击尼龙板激发S波，采用该方法时，要做好尼龙板与坑壁的耦合，还要保持尼龙板的竖直，可是往往由于土层的塑性，敲击数次之后尼龙板就变为倾斜，导致激发的S波分量减少，P 波分量增大，影响测试效果。

（2）测量顺序一般习惯由浅而深，当孔深较大且孔中泥浆易于沉淀时，可采用由深而浅的顺序。如果孔内泥浆太稠，检波器浮力增大，而测绳是软的，有可能导致检波器未放到位置就激发，2次测点之间距离变小，导致数据不准确，这种情况下要测得准确的数据，必须在检波器上配重或者先冲孔，但要防止塌孔。测绳上应每隔1m 做个标志，防止因为测绳的弹性导致的测点之间的距离差。

（3）检波器贴壁不紧或者不贴壁时，会在井中摆动，其震动信号叠加在剪切波信号中难以区分，造成初至难以确定，为此，要求三分量检波器到达预定深度时必须固定，与其相连的电缆及测绳也要固定。

（4）折射波的干扰。在浅层测试情况下，当下卧土层波速远高于覆盖土层，且激振点离孔口较远时。剪切波的入射角超过临界角时会产生折射波。此波可能先于直达波或透射波到达检波器，造成初至波到时误差。为了使纵横波分离，又不至于产生折射，震源距钻孔中心点的距离要取得合适，不能太小也不宜过大，一般取2.5～5.0m 较合适。

（5）其他杂波的影响。当测试深度很浅时，S波里往往叠加了纵波和面波，导致S波初至模糊，难以判读，此外，测试时测绳的摆动或者地面震动沿测绳、电缆线传至检波器的震动等都会影响测试结果，测试时应保持现场安静。

（6）套管的影响。钻探时往往在容易塌孔的砂层中放置套管，因为套管的波速比土层介质波速快，所以会产生沿管壁传播的折射波，测试时可由下往上测，当测至套管位置时，边测试边拔套管，避免套管的干扰。

（7）由于该方法激振点离井口有一定距离，所以测得的到时实际上是S波由激振点遵循费马原理到达检波器的时间，层速度是把土体看作各向同性模型换算过来的，所以得到的数值与实际是有一定误差的，当钻孔倾斜的时候，数据误差会更大。

2.2 井中激振式

与地面激振式相比，该方法明显的优点是改变了S波激发与接收的方式，2个检波器的距离是固定的，只要得到2个S波的到时差，就能得到2个检波器之间土层准确的层速度，但该方法在测试中也是存在问题的。

（1）浅部数据无法获得。这是由该仪器的结构决定的，S 波激振探头到第1 个检波器的距离为2m，2个检波器的间距是1 m，当激振探头在孔口处时，最下端的检波器处在井口以下3m 左右的位置，所以最浅只能测到2～3m 土层的S波速。

（2）浅部数据不准确，尤其是前几米的数据。由于泥浆的冲刷和钻具上下的碰撞，前几米孔壁不平直，甚至凹进去，呈半圆弧型，当前几米没有井液时，无法激发出沿井壁传播的S 波，所以XG－I测试时必须使孔内充满井液，即使充满井液由于前几米井壁的原因导致S波的传播发生变化测得的数据也是有误差的。

（3）如果泥浆浓度很大，导致连接探头的软管弯曲，测得的数据会不准，尤其是孔底数据，所以测试时最好冲孔，降低泥浆的浓度。对于深孔，最好钻探深度要超过目标测试深度数米，以保证获得目标层位的准确波速。

（4）泥浆的浓度会影响波的传播，激发的S波在水中和浓泥浆中的传播速度是不同的，尤其是当泥浆浓度大时，更容易导致检波器和激发探头悬在泥浆中，离孔壁较远，激发的S波要经过浓泥浆才到达孔壁，继而沿着孔壁传播S波，这就导致2个检波器测得的信号的时间差是不准确的

（5）当井壁有套管时，测得的是波沿套管滑行的时间差，数据是不准确的。

3 两类方法实测数据分析

3.1 数据选取

为了尽可能减小钻孔不同土层的波速对数据分析的影响，应当选用地层水平分布较均匀的地区的资料，作者选用东营地区某地震小区划中钻孔波速测试的结果，该地区是黄河长期稳定沉积层，自上而下分为素填土、粉土、粉质粘土等，土层横向变化较小，钻孔分布在一个较小的区域内，且选取的钻孔数量较大，这样就将土层横向不连续对数据分析的影响降到最低，甚至可以忽略。以往地面激发S波测试时，一般在只测得20 m 以内的数据，为便于比较，统一选用20m 以内2类方法的实测数据进行分析，地面激发S 波测试时使用的采集仪为CSA－24工程地震仪，使用钻孔数为31个，井中激振悬挂式检波器测试时使用的采集仪器为XG－I，使用钻孔数为38个。

图6 两种测试方法波速数据比较

3.2 数据分析

通过图6中对波速数据的对比可以看出，CSA－24测试的波速数据离散性较大，深度大于10m 时，剪切波速大于200m／s的数据所占百分比较高，且15～20 m 还有剪切波速大于300 m／s的数据，而XG－I测试的数据离散性较小，土层深度15m 以内的波速数据基本在200m／s以内，20m 深度范围内波速鲜有超过250m／s的。有学者研究东营城区场地土剪切波速与土层深度的关系，在30m 以浅土层符合线性函数分布［10］，随着土层深度的增加，土层剪切波速成线性增长，作者用线性函数拟合了各类波剪切速数据随深度变化的关系，CSA－24 实测数据的拟合直线斜率较大，反映了土层随深度的变化较快，深部的波速数据较大，XG－I实测数据的拟合直线斜率较小，反映了土层随深度变化较平缓，深部的波速数据较小。2组数据所处的相近地区，土层变化甚微，然而波速数据却有不小的差别，由于实测时的状况无从得知，故产生差距的原因也不能确定，有可能是多方面的，有测试方法引起的差异，也有测试者素质、技术水平引起的差异。

4 结语

2种测试方法分别使用了不同的原理，测试过程中S波的传播路径是不同的，地面激振式方法是地面激发的S波传至井中检波器，利用每个相邻深度S波的到时差计算其波速，该数值是间接的；井中激振式方法是直接测得S波在每米土层中的传播时间，所以2种方法测得的结果存在一定的差异也是正常的，尤其是地层横向变化较复杂的场地，有可能测试结果会有较大的差异。2类方法都是目前主流的波速测试手段，每一种方法都有其存在的问题，无论使用什么方法，都要保持科学、严谨的态度，切实规避各种不利因素，扬长避短，测得真实可靠的数据。

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