劉福興，劉璐，齊靜靜，吳孔兵，張愷

(中國(guó)石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000)

在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)及巖土勘察等工作中，土層剪切波速測(cè)試對(duì)于劃分地層和場(chǎng)地土類別、判斷土的液化、研究土的振動(dòng)特性等具有重要的作用［1－2］．尤其是在地震安全性評(píng)價(jià)工作中，土層剪切波速是場(chǎng)地地震反應(yīng)分析模型中的重要參數(shù)，剪切波速的測(cè)試結(jié)果對(duì)于場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的確定有重要影響［3－4］．目前，常用的測(cè)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(cè)試儀的測(cè)試方法為單孔檢層法，由于懸掛式剪切波速測(cè)試儀震源與檢波器同時(shí)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(cè)試的精度，實(shí)現(xiàn)了波速測(cè)試的自動(dòng)化，且特別適用于較深孔的波速測(cè)試，在地震安全性評(píng)價(jià)波速測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用．筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響懸掛式剪切波速儀測(cè)試結(jié)果的主要因素進(jìn)行分析，給出了記錄波形的響應(yīng)示例，提出了提高波速測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的措施．

1 懸掛式剪切波速測(cè)試原理

懸掛式波速測(cè)試儀是利用放置在鉆孔中的具有一定距離(d)的兩個(gè)檢波器，接收來(lái)自鉆孔中震源的S 波信號(hào)初至?xí)r間(t)，通過(guò)S 波初至?xí)r間差來(lái)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(cè)試儀主要由主機(jī)、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(qiáng)度連接軟管等組成［8］，如圖1 所示．

圖1 懸掛式剪切波速測(cè)試儀信號(hào)傳播示意圖

當(dāng)震源激震時(shí)，在井孔內(nèi)的泥漿中產(chǎn)生以水平向振動(dòng)為主的P 波，P 波到達(dá)孔壁時(shí)，除經(jīng)折射進(jìn)入地層外，還產(chǎn)生沿孔壁傳播、振動(dòng)方向垂直于孔壁的S波，S 波沿孔壁向下滑行的過(guò)程中，還不斷產(chǎn)生水平向振動(dòng)為主的P 波，S 波下行至兩道檢波器處時(shí)，其產(chǎn)生的P 波信號(hào)由兩道檢波器記錄下來(lái)．從圖1 中可以看出，兩道檢波器信號(hào)初至?xí)r間差Δt 為S 波在長(zhǎng)度為兩道檢波器之間距離d 的孔壁的傳播時(shí)間，則兩道檢波器之間對(duì)應(yīng)地層的波速值即為d/Δt．

2 波速測(cè)試影響因素分析

文中波速測(cè)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(cè)井儀采集．

2．1 局部擴(kuò)孔、縮孔對(duì)波速測(cè)試的影響

結(jié)合懸掛式剪切波速測(cè)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(zhì)量的影響． 當(dāng)孔壁存在擴(kuò)孔、縮孔等現(xiàn)象時(shí)，勢(shì)必會(huì)影響S 波沿孔壁的傳播，從而影響波速測(cè)試的結(jié)果．圖2 為擴(kuò)孔時(shí)懸掛式剪切波速測(cè)試儀的信號(hào)傳播示意圖． 從圖中可以看出，當(dāng)孔壁存在擴(kuò)孔時(shí)，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(hào)初至?xí)r間差Δt 要比孔徑一致時(shí)的時(shí)間差大，則波速測(cè)試結(jié)果d/Δt要比實(shí)際波速值偏小．

圖2 孔壁擴(kuò)孔時(shí)懸掛式剪切波速測(cè)試儀信號(hào)傳播示意圖

2．2 塌孔對(duì)波速測(cè)試的影響

在測(cè)試靠近地面的地層波速時(shí)，由于淺表地層松散，易坍塌，塌孔對(duì)波速測(cè)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(nèi)所示初至波、后續(xù)波均不明顯，信號(hào)質(zhì)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(kuò)徑嚴(yán)重，孔壁產(chǎn)生的S 波波速低、振幅衰減快，S 波在泥漿中產(chǎn)生的P 波振幅遠(yuǎn)小于孔壁質(zhì)量好的情況．

圖4 為黃河入?？诟浇硿\海項(xiàng)目孔1 波速測(cè)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(nèi)地層塌孔嚴(yán)重，基本沒(méi)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(hù)，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(cè)試時(shí)的界面顯示(窗口顯示深度范圍3 ～18 m)

圖4 某淺海項(xiàng)目孔1 波速測(cè)試波列圖(測(cè)試深度100 m，測(cè)試方向上→下)

2．3 孔壁縱向均質(zhì)性對(duì)波速測(cè)試的影響

S 波在傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)波速隨頻率或波長(zhǎng)而變化的頻散現(xiàn)象．S 波在孔壁表面?zhèn)鞑r(shí)，由于孔壁縱向孔徑差異變化大、地層的均質(zhì)性差和孔壁的非完全彈性等原因，產(chǎn)生各種類型的波疊加，將造成更嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象．由于頻散現(xiàn)象，S 波波形在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，如在震源處發(fā)出的一個(gè)脈沖，在遠(yuǎn)處就可以散成一個(gè)波列． 嚴(yán)重的頻散往往會(huì)造成波速測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確，且為后期人工干預(yù)波速計(jì)算時(shí)識(shí)別初至波帶來(lái)麻煩．

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

圖6 為某孔波速測(cè)試時(shí)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(hào)頻散現(xiàn)象嚴(yán)重，且距離震源較遠(yuǎn)的2 號(hào)檢波器(②窗口)接收信號(hào)的頻散要比1 號(hào)檢波器(①窗口)嚴(yán)重;④窗口為兩檢波器信號(hào)互相關(guān)函數(shù)關(guān)系，互相關(guān)波形的時(shí)間區(qū)間偏大，說(shuō)明波速測(cè)試誤差較大，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度相對(duì)要低．

圖5 檢波器記錄的正常信號(hào)與S 波頻散嚴(yán)重的信號(hào)

圖6 某孔波速測(cè)試時(shí)的界面(測(cè)試深度26 ～40 m)

2．4 泥漿中鐵磁性物質(zhì)含量對(duì)波速測(cè)試的影響

懸掛式剪切波速測(cè)試儀的電磁式激震源在井孔中下放時(shí)，其內(nèi)部的永磁體將泥漿中的鐵磁性物質(zhì)吸附在橡皮墊上．在激震時(shí)，吸附的鐵磁性物質(zhì)抵消了部分永磁體的磁性，會(huì)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(cè)試的精度．泥漿中的鐵磁性物質(zhì)主要包括來(lái)自于鉆進(jìn)地層中的磁性礦物和鉆頭磨損產(chǎn)生的鐵屑．

圖7 為某工程k1 孔波速測(cè)試的波列圖．可以看出，在從上往下的測(cè)試過(guò)程中，除深度10 m 以上松散粉土、粉砂層因坍塌、擴(kuò)孔等原因?qū)е鲁踔敛ㄝ^弱甚至沒(méi)有外，其余深度段初至波振幅自上而下逐漸減弱．在波速測(cè)試過(guò)程中，泥漿停止循環(huán)，內(nèi)部基質(zhì)(包括砂屑、黏土、鐵磁性物質(zhì)等)逐漸往下沉淀，在深度80 m 以下，吸附的鐵磁性物質(zhì)迅速增多，導(dǎo)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(cè)試波列圖和成果圖(測(cè)試深度100 m)

2．5 儀器設(shè)備故障時(shí)波速測(cè)試響應(yīng)

在波速測(cè)試過(guò)程中，儀器設(shè)備故障也是影響波速測(cè)試結(jié)果的一個(gè)重要因素，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，將影響波速測(cè)試結(jié)果．常見(jiàn)的儀器設(shè)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(shí)的波形響應(yīng)(測(cè)試方向從上到下)．某孔波速測(cè)試過(guò)程中，孔內(nèi)壓力將電磁激震器老化的橡皮墊壓裂，泥漿進(jìn)入電磁激震器內(nèi)部，影響激震器激發(fā)，使得兩檢波器記錄的波形雜亂無(wú)章．

圖8 某孔波速測(cè)試過(guò)程中橡皮墊破裂后的波列圖

圖9 為檢波器出現(xiàn)故障時(shí)的波形響應(yīng)．①窗口(1 號(hào)檢波器)初至及后續(xù)波形由多個(gè)子波組成，類似頻散現(xiàn)象;②窗口(2 號(hào)檢波器)記錄波形相對(duì)正常．一般情況下，2 號(hào)檢波器記錄波形的頻散要較1號(hào)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(jīng)儀器廠家檢修確定，此類波形響應(yīng)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(cè)試質(zhì)量的對(duì)策

1)提高孔壁質(zhì)量．鉆探過(guò)程中，針對(duì)不同地層，控制好鉆進(jìn)速度、鉆具轉(zhuǎn)速，選擇合適的泥漿配比等，保證鉆探的成孔質(zhì)量．

2)采用分段測(cè)試方式．0 ～20 m 地層的剪切波速是影響場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)確定、場(chǎng)地類別劃分的重要參數(shù)，恰恰該段是塌孔、擴(kuò)孔最嚴(yán)重的孔段． 波速測(cè)試可在0 ～20 m 段鉆探完成、尚未塌孔或塌孔較輕時(shí)進(jìn)行．

3)人工干預(yù)波速計(jì)算．通過(guò)對(duì)記錄波形進(jìn)行濾波，人工識(shí)別初至波形，計(jì)算剪切波速值． 若經(jīng)濾波后仍不能識(shí)別初至波形，應(yīng)結(jié)合各因素對(duì)波速測(cè)試的影響結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整波速值．

4)提高測(cè)試人員技術(shù)水平．在波速測(cè)試過(guò)程中，不同的人測(cè)試結(jié)果都有可能不同［9］．測(cè)試人員必須時(shí)刻注意各類因素改變所帶來(lái)的影響，隨時(shí)調(diào)整參數(shù)或測(cè)試方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除儀器設(shè)備故障等．

4 結(jié) 語(yǔ)

1)影響懸掛式剪切波速測(cè)試結(jié)果的因素有孔壁質(zhì)量(擴(kuò)孔、塌孔、孔壁的縱向均質(zhì)性)、泥漿中鐵磁性物質(zhì)含量、儀器故障等．

2)擴(kuò)孔、塌孔時(shí)剪切波速值要小于實(shí)際值;孔壁質(zhì)量良好時(shí)剪切波速的測(cè)試質(zhì)量要好于孔壁縱向均質(zhì)性差時(shí);泥漿中鐵磁性物質(zhì)含量高時(shí)，會(huì)降低電磁式激震器的激震能量，影響剪切波速測(cè)試結(jié)果．

3)采取提高孔壁質(zhì)量、分段測(cè)試方式、人工干預(yù)波速計(jì)算等措施，可提高剪切波速測(cè)試的質(zhì)量．

［1］張磊，徐放明，吳社慶． 場(chǎng)地剪切波速測(cè)試及其應(yīng)用［J］．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2006(6):9 －11．

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

［3］中國(guó)地震局． 工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià):GB 17741—2005［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

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

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

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

［7］龔湘湖．剪切波速測(cè)試及其在地震安全性評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用［J］．巖土工程界，2000，3(10):52 －54．

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