路建波，戴梁，盛特奇

（浙江省工程地震研究所，浙江　杭州　310013）

懸掛式測井儀在水域地震安全性評價中的應(yīng)用

路建波，戴梁，盛特奇

（浙江省工程地震研究所，浙江杭州310013）

土層剪切波速是工程場地地震安全性評價工作中場地地震反應(yīng)分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文章介紹了懸掛式測井儀的原理及測試方法，并以懸掛式測井儀在水域地震安全性評價工作中的測試實例來說明儀器滿足測試要求，分析其優(yōu)缺點及測試需要注意的問題。

懸掛式測井儀；剪切波速；地震安評；地震反應(yīng)分析

1　概述

《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第三十五條，新建、擴(kuò)建改建建設(shè)工程，應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗震設(shè)防要求。重大建設(shè)工程和可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建設(shè)工程應(yīng)當(dāng)按照國務(wù)院有關(guān)規(guī)定進(jìn)行地震安全性評價，并按照經(jīng)審定的地震安全性評價報告所確定的抗震設(shè)防要求進(jìn)行抗震設(shè)防?！豆こ虉龅氐卣鸢踩栽u價》（GB17741-2005）規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行分層巖土剪切波速的原位測量和密度的測定。開展鉆孔分層巖土波速的原位測量，是為了獲得實際場地條件與環(huán)境下的土層波速資料，確保場地地震反應(yīng)分析計算中所建立的場地力學(xué)模型的合理性。其測量方法可采用單孔檢層法或跨孔法，測量間距不得大于2m，在地層分界面附近應(yīng)加密測點，以便獲得較為合理的波速剖面（盧壽德，2006）?？缈追ㄊ窃?個或者3個垂直鉆孔中進(jìn)行波速測試的方法，由于鉆孔成本較高，一般地震安全性評價項目采用單孔撿層法進(jìn)行剪切波速測試。單孔檢層法在地面激發(fā)正、反方向彈性剪切波，由孔內(nèi)傳感器接收，利用震相差來識別初值時間。在水域鉆孔中，地表無法激發(fā)有效的彈性剪切波，因此本文介紹了用懸掛式測井儀測試水域場地剪切波速的方法，并分析其優(yōu)缺點及測試需要注意的問題。

2　測試儀器、方法

測試采用北京大地華龍科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XG-Ⅰ波速測井儀。它是一套三通道高分辨率、數(shù)字化的測井儀器，具有分時采樣，迭加、濾波、信號增強(qiáng)、抑制噪聲以及現(xiàn)場實時計算，顯示實測波形和測試結(jié)果等功能。該儀器電路原理框圖如圖1所示，其基本組成有以下6個部分（其中微機(jī)為配套設(shè)備）：濾波放大部分；多路電子轉(zhuǎn)換開關(guān)；A/D轉(zhuǎn)換器；邏輯控制器；微機(jī)控制系統(tǒng)及其屏幕顯示部分；內(nèi)部檢測電路（未列入框圖）。

圖1　電路原理框圖

XG-Ⅰ型懸掛式波速測井儀主要由主機(jī)、井中懸掛式探頭及連接電纜等組成。井中懸掛式探頭（圖2），主要由全密封（防水）電磁式激振源、兩個獨立的全密封檢波器及高強(qiáng)度連接軟管等組成。當(dāng)震源向井壁作用一個沖擊力后，沿井壁地層就有P波和S波傳播，在井孔震源下方懸掛有兩個檢波器，S波傳播到檢波器位置時，通過井液耦合檢波器就可以把S波的初至?xí)r間和振動波形轉(zhuǎn)換成電信號，由記錄儀器記錄下來。由兩道S波的初至?xí)r間差可計算出兩道間地層的波速值。

圖2　信號傳播示意圖

波速測試成孔質(zhì)量的好壞，會給所測的地層波速造成很大的實際誤差，另外，鉆孔的垂直度、套管與地形的接觸程度（下沉漿粉會使套管與地層接觸良好）等都會影響地層的波速。地下水徑流較大、塌孔形成孔壁擴(kuò)徑、孔中無耦合液，使檢波器無法與井壁接觸時，就很難采集到良好的剪切波形，有時甚至采集不到波形（孔壁擴(kuò)徑檢波器懸空，又無泥漿介質(zhì)）；遇到這種情況應(yīng)加大泥漿濃度且充滿整個鉆孔候進(jìn)行波速測試。測試順序自下而上逐點進(jìn)行，測點每次向上平移1.0m（林鳳仙，2012）。在測試時選擇震源發(fā)射幅度，分別確定第一、二道增益，以波形起始清晰、振幅盡可能大、但又未被限幅（削波）為宜。主機(jī)對信號機(jī)芯數(shù)據(jù)處理，采用兩道互相關(guān)分析方法，自動計算剪切波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道剪切波傳播速度。對于可能失準(zhǔn)的點進(jìn)行人工標(biāo)定計算。

3　水域場地剪切波速測試成果實例

根據(jù)《浙江省防震減災(zāi)條例》要求，舟山某跨海大橋需要進(jìn)行地震安全性評價，現(xiàn)場進(jìn)行了兩個水域剪切波速的測試工作。

圖3和圖4給出了ZK1和ZK4兩個鉆孔的實測波形記錄圖，根據(jù)波形圖可以看出，從下到上波形起始清晰，各道前后兩個波峰時差可以準(zhǔn)確的讀取。對于少量記錄不清波形，經(jīng)過調(diào)整增益及相關(guān)分析，也可準(zhǔn)確讀取前后2個波到時差。這樣就可準(zhǔn)確測定每1m波速。從實測波形圖直觀地看出，初至波由上至下逐步左移，這標(biāo)志著剪切波速由上至下逐漸增大。

圖3　ZK1鉆孔實測波形

圖4　ZK4鉆孔實測波形

ZK1鉆孔波速成果表　表1

ZK4鉆孔波速成果表　表2

表1和表2給出了兩個鉆孔波速測試成果表，兩個鉆孔數(shù)據(jù)顯示剪切波速由上至下逐漸遞增大，說明巖性越往下土層越密實，與土層的沉積有較好的一致性。兩個鉆孔測點間隔為1m，試深度均達(dá)到100m，能夠滿足工程場地地震安全性評價工作的規(guī)范要求，可作為土層地震反應(yīng)分析的輸入數(shù)據(jù)。另外根據(jù)鉆孔波速成果表，兩個鉆孔的覆蓋層厚度均大于80m，等效剪切波速分別為134m/s和149m/s，判定擬建場地為Ⅳ類場地。

4　結(jié)論與討論

剪切波速是工程場地地震安全性評價工作中土層地震反應(yīng)分析的輸入數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確與否直接影響地表設(shè)計地震動參數(shù)結(jié)果。由于在水域鉆孔地表無法激發(fā)有效的剪切波，懸掛式測井儀采用孔內(nèi)自激發(fā)方式有效的解決了這一問題。

從前述結(jié)果看出，由于懸掛式波速測井儀震源和檢波器距離固定且很近，并且在測試時震源和接收器都在鉆孔中，因此大大減少了噪聲，增強(qiáng)了有效信號，提高了所測地層波速值的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果能夠滿足工程場地地震安全性評價工作的規(guī)范要求。

本儀器對檢測人員和鉆孔的成孔質(zhì)量要求較高，檢測人員必須時刻注意測試條件改變所帶來的影響，隨時監(jiān)測調(diào)整參數(shù)以保證記錄圖像質(zhì)量。隨著電子技術(shù)、信號分析、數(shù)據(jù)處理等手段的廣泛運用，鉆探技術(shù)人員和波速測試人員水平的不斷提高，會越來越接近實際地層波速值，為今后工程建設(shè)需要提供可靠的參數(shù)和設(shè)計依據(jù)。

［1］安建，張穹，劉玉辰.2009.中華人民共和國防震減災(zāi)法釋義［M］.北京：法律出版社.

［2］GB1741-2005，工程場地地震安全性評價［S］.

［3］盧壽德.2006.《工程場地地震安全性評價》宣貫教材［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［4］林鳳仙，段繼平，楊江華.2012.懸掛式測井儀在場地地震反應(yīng)剪切波速測試中的應(yīng)用.［J］云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），34（S2）：256-259.

［5］GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

P315.3+1

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.104

路建波（1984-），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事工程地震方面研究工作。