范偉順

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826)

技術(shù)方法

PS測井在機(jī)場隧道地基勘查中的應(yīng)用

范偉順

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826)

PS測井技術(shù)是地震勘探方法之一，也是一種簡便、快速、準(zhǔn)確的原位測試技術(shù)。該文介紹了單孔法PS測井的原理及其在鐵路工程勘察中的應(yīng)用，主要包括根據(jù)等效剪切波，進(jìn)行建筑抗震場地類別劃分，鐵路工程抗震場地類別劃分。根據(jù)巖土動(dòng)力學(xué)參數(shù)，達(dá)到評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量和劃分圍巖類別目的,利用剪切波速法估算巖土的承載力基本值。通過青島機(jī)場隧道場地的工程實(shí)例說明了PS測井技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況及應(yīng)用效果。

彈性波測井；等效剪切波速；場地類別；巖土動(dòng)力學(xué)參數(shù)

PS測井是P波(縱波Pressure Wave),S波(橫波Shear Wave)速度測井的簡稱,亦稱波速檢層[1]。是采用先進(jìn)的電子元件及傳感器、計(jì)算機(jī)信息論、層析成像和數(shù)據(jù)處理等技術(shù),借助專門的探測儀器設(shè)備,將地質(zhì)信息轉(zhuǎn)換成物理數(shù)字信號(hào),然后再把物理信號(hào)反演回地質(zhì)信息的一種技術(shù)[2]。通過巖石物理性質(zhì)差異，確定場地土類型、建筑場地類別，提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度，評(píng)價(jià)巖(土)體質(zhì)量等；并可計(jì)算工程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)剪切模量、動(dòng)彈性模量等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、水利水電工程、鐵路工程、機(jī)場隧道等領(lǐng)域,取得了良好的應(yīng)用效果。

1 彈性波測試的工作原理

彈性波[3-6]是應(yīng)力波的一種，是擾動(dòng)或外力作用引起的應(yīng)力和應(yīng)變在彈性介質(zhì)中傳遞的形式。彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間存在著相互作用的彈性力。某一質(zhì)點(diǎn)因受到擾動(dòng)或外力的作用而離開平衡位置后，彈性恢復(fù)力使該質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)，從而引起周圍質(zhì)點(diǎn)的位移和振動(dòng)，于是振動(dòng)就在彈性介質(zhì)中傳播，并伴隨有能量的傳遞?？v波在地震學(xué)中稱P波，它的傳播方向同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致；橫波又稱畸變波或剪切波，在地震學(xué)中也稱為次波或S波。它的傳播方向同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相垂直，波速小于縱波波速。且?guī)r石破碎對(duì)兩者傳播速度影響不同，橫波波速衰減比縱波波速衰減要快，這都是科學(xué)應(yīng)用彈性波速的理論基礎(chǔ)。

彈性波測井主要利用測試彈性波速度，計(jì)算巖土體的動(dòng)彈性參數(shù)，據(jù)此評(píng)價(jià)巖土體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。巖土層剪切波速測試一般采用單孔檢層法，即利用單個(gè)孔，通過地面激發(fā)以產(chǎn)生剪切波，孔內(nèi)由檢波器接收剪切波。當(dāng)?shù)孛嬲鹪催蛋鍟r(shí)，需要水平錘擊，可產(chǎn)生剪切波，通過枕木兩側(cè)錘擊，可生成波相差180度的特性，從而有助于識(shí)別S波的初至?xí)r間。當(dāng)重錘垂直叩擊鐵板時(shí)，孔內(nèi)由檢波器可接收P波(圖1)。

P波計(jì)算公式[7-15]為：

式中：Vpi為第i-1點(diǎn)到第i點(diǎn)土層的縱波波速(m/s);Hi為第i點(diǎn)深度(m);S為激震板至孔口距離(m);ti為第i點(diǎn)縱波初至?xí)r間(ms)。

S波計(jì)算公式[7-15]為：

圖1 彈性測井系統(tǒng)示意圖

2 測試方法及數(shù)據(jù)采集

木板安置在平整的地面上，使之與地面完全接觸。震源板[16]，一般為木板或枕木，寬300～400mm，厚150～300mm，長1.8～2.0m，兩端以鐵絲箍牢，兩端截面宜貼聚胺脂塑料板。孔口至震源板中心距離一般為2～5m，震源板兩端應(yīng)與鉆孔中心構(gòu)成等腰三角形，避免震源板傾斜，易造成反向剪切波初至識(shí)別誤差。壓置震源板的重物一般用汽車前輪或汽車鉆的液壓設(shè)備代替，如場地不具備進(jìn)車條件，可用麻袋裝砂土重物方法壓置震源板，重物一般為300～500kg，不可用木板站人等簡易方法叩擊剪切波，非特殊因素不能叩擊鉆機(jī)機(jī)臺(tái)激發(fā)剪切波。重物壓重不足，剪切波初至識(shí)別困難，會(huì)導(dǎo)致解譯精度下降。

圖2 彈性波初至波形圖

故數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)在地面檢查場地的環(huán)境噪聲，注意觀察場地周圍汽車、火車等震動(dòng)干擾，應(yīng)盡量避免各種震動(dòng)干擾。檢查檢波器是否正常，一切正常后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。深孔、砂層和含鐵質(zhì)地層中工作時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理檢波器上吸附的鐵屑，以保證檢波器正常工作。工作過程中必須記錄鉆孔及地層情況(巖土層名稱、土的狀態(tài)、砂的密實(shí)度等)、測試日期、工程名稱、鉆孔編號(hào)、鉆孔里程、套管深度、儀器工作參數(shù)、文件號(hào)等，方便解譯過程中與實(shí)測資料比對(duì)(圖2)。

3 工程實(shí)例

濟(jì)青高鐵所設(shè)計(jì)的機(jī)場地下隧道，地處青島膠州市膠東街道，全長7.25km，北起汪家莊村，向南依次經(jīng)過周王莊村、前店口村、二鋪村、朱家屯村，南至膠東村，隧道自北向南主要經(jīng)過在建公路、大沽河支流、擬建青島新機(jī)場、膠濟(jì)線、膠東鎮(zhèn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路及龍發(fā)熱電廠區(qū)。隧道剪切波速測試起止里程DK286+580左8m～DK293+359.8，鉆孔起止編號(hào)15-ZD-7102～15-ZD-7139，共9個(gè)測試孔。巖性主要由0～1m粉質(zhì)粘土，1～4m泥巖(W4)，4～12m泥巖(W3)，12～40m泥巖(W3)，巖性變化差異性較小。

在測試深孔度內(nèi)具體可劃分為3個(gè)速度帶，即深度0～6m范圍內(nèi)地層剪切波速一般為240～270m/s，動(dòng)剪切模量一般為0.157～0.164GPa；深度5～10m范圍內(nèi)地層剪切波速一般為400～420m/s，動(dòng)剪切模量一般為0.479～0.481GPa；深度10～20m范圍內(nèi)地層剪切波速一般為780～860m/s，動(dòng)剪切模量一般為1.459～1.479GPa。

3.1 場地類別劃分

依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010規(guī)定，土層的等效剪切波速Vse[17]，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：Vse—場地土層的等效剪切波速度(m/s)；d0—場地評(píng)定的計(jì)算深度(m)，取覆蓋層厚度(d0)和20m兩者的較小值。

式中：t—剪切波由地表到達(dá)計(jì)算深度處的時(shí)間(ms)；di—計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土的厚度(m)；n—計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)；Vsi—計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土的剪切波速(m/s)。

依據(jù)中華人民共和國國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等效剪切波按下式[18]計(jì)算：

式中：Vse—計(jì)算深度內(nèi)的土層等效剪切波速(m/s)；H—計(jì)算深度(m)，應(yīng)取地面或一般沖刷線以下25m；hi—計(jì)算深度內(nèi)第i土層的厚度(m)；Vsi—第i土層的剪切波速(m/s)；n—計(jì)算深度內(nèi)土層數(shù)。

孔15-ZD-7105為建筑場地類型評(píng)價(jià)，依據(jù)中華人民共和國國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010，計(jì)算10m以上等效剪切波速為330.0m/s，覆蓋層厚度大于等于5m，場地類別為II類。其他孔依據(jù)中華人民共和國國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)機(jī)場隧道場地類型進(jìn)行了系統(tǒng)劃分(表1)。

表1 8個(gè)孔波速測試場地類型劃分匯總

3.2 動(dòng)泊松比、動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量換算

以根據(jù)外業(yè)接收的縱波和剪切波數(shù)據(jù)，分別計(jì)算縱波速、剪切波波速，據(jù)此根據(jù)下式計(jì)算各測點(diǎn)的動(dòng)泊松比(μd)、動(dòng)彈性模量(Ed)和動(dòng)剪切模量(Gd)[19]。

式中：μd—?jiǎng)硬此杀龋籈d—?jiǎng)訌椥阅Ａ?；Gd—?jiǎng)蛹羟心Ａ浚沪詐—縱波波速(m/s)；υS—剪切波波速(m/s)；ρ—測點(diǎn)處巖土體的密度(g/cm3)。

根據(jù)設(shè)計(jì)書要求，作為抗震及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)所有鉆孔進(jìn)行了粉質(zhì)粘土層及不同風(fēng)化程度泥巖的各動(dòng)彈性參數(shù)測定，并完成匯總，測試結(jié)果見表2。

3.3 場地覆蓋層厚度確定

一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定(表3)。當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下層巖土的剪切波速均不小于400m/s時(shí)，可按地面至該土層頂面的距離確定。剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層。土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。

4 PS測井其他應(yīng)用

4.1 對(duì)巖石破碎程度評(píng)價(jià)

表2 各層巖性動(dòng)力學(xué)參數(shù)匯總

表3 土的類型劃分和剪切波速范圍

表4 巖石破碎程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 利用剪切波法估算巖石承載力基本值

通過波速試驗(yàn)可以得到各類地層的厚度和彈性波的傳播速度的大小，直接反應(yīng)了地層的“軟”“硬”程度，大量的實(shí)踐驗(yàn)證了剪切波速與承載力值的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表5)。

表5 剪切波速與承載力值對(duì)應(yīng)

5 結(jié)論

(1)通過以上工程實(shí)例說明彈性波測試技術(shù)，在鐵路工程、機(jī)場隧道等工程勘察領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)提供有效的技術(shù)支持。彈性波測井具有簡潔、快速、高效的特點(diǎn)，隨電子技術(shù)發(fā)展，解譯精度的提高，必將為工程設(shè)計(jì)、施工提供更精確的參數(shù)和可靠的依據(jù)，也預(yù)示這在工程勘察領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。

(2)彈性波在巖(土)層中的傳播速度是反映巖(土)體的動(dòng)力特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，通過PS測井獲取彈性波速，能夠?yàn)榭拐鹪O(shè)計(jì)提供巖(土)體的動(dòng)力參數(shù)、劃分鐵路工程場地類別、劃分建筑場地類別、巖石破碎程度評(píng)價(jià)和大致估算巖土承載力等。

(3)需要強(qiáng)調(diào)的是，僅僅采用彈性波測井所獲取得參數(shù)Vs，Vp，Vp/Vs，I，μd，Gd，n等參數(shù)，評(píng)價(jià)巖層、巖石破碎程度等是欠妥當(dāng)?shù)?，?yīng)結(jié)合工程資料綜合使用。因地下巖層實(shí)際情況往往是復(fù)雜的、多變的，大多數(shù)情況是相互疊加的。

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ApplicationofPSLogginginFoundationSurveyofAirportTunnels

FAN Weishun

(No.8 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Rizhao 276826, China)

PS logging technology is one of the seismic exploration methods. It is also a simple, fast and accurate situ testing technology. In this paper, the principle of single hole method PS logging and its application in railway engineering survey have been studied, including the construction of seismic site classification and seismic classification in railway engineering according to the equivalent shear wave. According to dynamic parameters of rock and soil, rock mass quality has been evaluated and the surrounding rock has been classified. The basic value of bearing capacity of rock and soil has been estimated by using shear wave velocity method. The application effect of PS logging technology in geotechnical engineering survey and design has been illustrated through the engineering example of Qingdao airport tunnel site.

Elastic wave logging; equivalent shear wave velocity; site classification; geotechnical dynamics parameters

2017-05-10；

2017-05-24；

陶衛(wèi)衛(wèi)

范偉順(1984—)，男，山東日照人，工程師，主要從事地球物理勘查工作；E-mail:815063930@qq.com

P631.4

B

范偉順.PS測井在機(jī)場隧道地基勘查中的應(yīng)用[J].山東國土資源，2018,34(1)：61-64.FAN Weishun. Application of PS Logging in Foundation Survey of Airport Tunnels[J].Shandong Land and Resources, 2018,34(1)：61-64.