P.S测井技术在岩土工程中的应用

P S 测井技术在岩土工程中的应用 摘要 以实例说明了 P S 测井技术在岩土工程中的应用及其效果 文章由概述 工作原理 测试方法和工程实例等构成 关键词 地震勘探 P S 测井 剪切波 压缩波 应用 1 概况概况 P S 测井又称弹性波速度测井 它是地震勘探方法之一 也是地球物理测 井技术的一个重要分支 目前已广泛应用于水利水电工程 石油工程 铁路工 程 冶金工程 工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域 取得了良好的 应用效果 一般来说 P S 测井可原位测定压缩波 Pressure Wave 和剪切波 Shear Wave 在岩 土 体中的传播速度 从而避免了室内测试所带来的误差 它能有效地解决许多地质问题 诸如确定场地土类型 建筑场地类别 提供断 层破碎带 地层厚度 固结特性和软硬程度 评价岩 土 体质量等 并可计算 工程动力学参数 如动剪切模量 动弹性模量等 本文介绍了 P S 测井的工作 原理和野外测试方法 并结合工程实例 说明其应用效果 不妥之处 请批评 指正 2 2 工作原理工作原理 以岩 土 体的弹性特征为基础 通过测定不同岩 土 层的剪切波 S 波 压缩波 P 波 的传播速度 计算岩 土 体的动弹性参数 据此判定岩 土 体的 工程性质 为工程设计提供可靠的科学依据 实测一般采用单孔检层法 即地面激发以产生弹性波 孔内由检波器接收 弹性波 当地面震源采用叩板时可正反向激发 并产生剪切波 S 波 利用剪 切波震相差 1800的特性来识别 S 波的初至时间 图 1 为正反向激发时由地震仪 记录的实测波形图 3 3 测试方法测试方法 实测通常由震源和记录仪器组成 震源设置一般距孔口 2 4m 平放一块 压重物的木板 测试孔应位于木板长轴的中垂线上 使木板与地面紧密接触 木板长 2 5 3 0m 宽 0 3 0 4m 厚 0 06 0 10m 上压约 500 1000kg 的重 物 当分别水平敲击木板两端时 产生弹性波 此时以 S 波为主 记录仪器由 井中三分量检波器和工程地震仪构成 三分量检波器放置井中某一深度 接收 由震源产生的弹性波信号 并通过连接电缆输送给地震仪 再由地震仪记录并 存储以备后期数据处理之用 图 2 为单孔检层法测试示意图 单孔检层法测试弹性波时 由于震源板离孔口尚有一定距离 所以计算测 段内地层波速时需将弹性波的非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时 计算公式 如下 式中 t 纵测线旅行时 s t 非纵测线旅行时 s h 测点孔深 m x 震源板距孔口的距离 m 由校正后的纵测线旅行时求得各测试地层的弹性波速 进而可根据剪切波速 Vs 和压缩波速 Vp 计算岩 土 层的动弹性参数 计算公式如下 Ed 2 Vp2 1 4 Gd Vs2 5 式中 介质密度 g cm3 Vp 压缩波速度 m s Vs 剪切波速度 m s 泊松比 Ed 动弹性模量 GPa Gd 动剪切模量 GPa 实测过程中应注意以下特征 1 压缩波传播速度较剪切波速度快 压缩波为初至波 2 震源板两端分别作水平激发时 剪切波相位反向 而压缩波相位不变 3 检波器下孔一定深度后 压缩波波幅变小 频率变高 而剪切波幅度 大 频率低 4 最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离 以避免浅部高速地层 界面可能造成的折射波影响 4 4 工程实例工程实例 实例 实例 天津院综合楼场地评价 根据任务要求 用单孔检层法对建筑场地内一深 30m 的钻孔 进行了剪切波 测试 检测结果见表 1 表 1 剪切波测试成果表 地 层 编 号 地层 代号 岩性简述 剪切波 速 Vs m s 备注 Qml 素填土 粉质粘土为主 顶部夹有少量碎砖块 及灰渣 层厚约 2 0m 116 5 人工填土层 Qh3 粉质粘土夹少量淤泥质粉质粘土 层厚 3 0m 167 7 第一陆相层 Qh2 3 粉质粘土 淤泥质粉质粘土夹粘质粉土 粘土 层厚 3 0m 186 3 Qh2 2 淤泥质粉质粘土 粉质粘土夹淤泥质粘土 粉 质粘土 层厚 3 5m 177 3 Qh2 1 淤泥质粉质粘土夹粉质粘土 粘质粉土 粉砂 等 层厚 3 0m 113 8 第一海相层 Qh1 3 粉质粘土夹砂质粉土 粘质粉土 粘土 层厚 4 5m 245 8 Qh1 2 粉砂夹薄层状粉质粘土 粘土 粘质粉土 层 厚 3 6m 235 9 Qh1 1 粉质粘土夹粘质粉土 细砂 层顶埋深 22 6m 层厚大于 7 4m 228 5 第二陆相层 1 场地类别划分 a 平均波速法 勘察分析表明本区地层为中软场地土 且覆盖层厚度大于 60m 由表 1 中各层 Vs 值 对深度 30m 范围以内各地层平均的 Vs 值进行厚度加 权平均后得 196 8m s 参照文献 1 P14 页表 3 2 1 知该区场地类别属 类 b 卓越周期法 卓越周期 T 可按下式计算 即 式中 hi 第 i 层土的厚度 m Vsi 第 i 层土的剪切波速 m s n 土层数 由表 1 中各地层的 Vsi 值计算得 T 0 653 s 参照文献 2 P47 页表 5 2 5 知该区场地类别属 类 由此可见该综合楼场地类别应属于 类 以此为依据进行地基处理和结构 设计 2 地基土液化判别 按公式 7 计算地层的临界剪切波速 Vscr 当实测地层 剪切波速小于 Vscr 时该地层被判为液化 否则为不液化 式中 d 剪切波测点深度 m Kv 系数 本区地震基本烈度为 度 则取 42 计算结果表明 在深度 12 0 15 0m 范围内 即海相层中 Qh2 1 的淤泥质 粉土夹粉砂层 Vs Vscr 即判定为液化层 实例实例 2 2 正义峡输水干渠基础评价 正义峡输水干渠地处甘肃省酒泉地区金塔县境内 输水干渠自大墩门引水 枢纽 渠首 取水 经金塔县芨芨乡 鼎新镇和双城子乡以及东风场区内的荒漠 戈壁滩 向内蒙古自治区的额济纳旗平原供水 线路全长约 96 058Km 干渠设 计流量 55m3 s 加大流量 60m3 s 渠道设计纵坡 1 1000 1 2000 边坡 1 1 75 底宽 3 6m 设计水深 2 27 3 28m 设计流速 1 92 2 43m s 一 般为明挖梯形混凝土预制板衬砌断面 渠基多由第四系中 上更新统冲洪积松散堆积物组成 岩性为含砾砂 砂 含砾砂壤土 壤土 粘土等 其中含砾砂 砂广泛分布于干渠沿线各段 且在 干渠 0 000 0 080 及 77 500 95 803 渠段厚度较小 一般为 3 6m 其余地 段厚度均较大 一般多大于 20m 砂以细砂为主 夹有呈透镜体状分布的粗砂 中砂及极细砂等 砾石多为细砾 含量多小于 5 磨圆度较好 另外在该层中 还夹有壤土 粘土等粘性土层 多呈透镜体展布 厚度多小于 1 0m 含砾砂壤 土 分布于含砾砂 砂层之下 在干渠 50 200 69 500 渠段揭露 埋深 5 10m 厚度大于 10m 砾石多为细砾 含量小于 5 土为砂壤土 沿线地下水位在干渠上游段埋藏较深 一般大于 10m 局部因地势低洼地 下水位埋深约 5 8m 中游段埋深较浅 一般小于 2 3m 下游段埋藏深度居 中 一般为 4 7m 同时 地下水位的动态变化受黑河河水的丰枯 田间回灌 水的多少和人工开采量的大小等因素的控制较为显著 沿渠线实施剪切波测试的钻孔共 17 个 所测钻孔均分布于渠道中心线上 测试对象均为第四系中 上更新统冲洪积松散堆积物 其岩性主要为中细砂或 含砾中细砂 其次为含砾粗砂等 其层间夹有薄层砂砾石 砂壤土 粉质壤土 等 从实测结果来看具有以下规律 地表以下地层随深度的增加其剪切波速和 动剪切模量等动弹性参数逐渐增大 在测试深度内具体可划分为三个速度带 即深度 0 5m 范围内地层剪切波速一般为 190 240m s 动剪切模量一般为 0 057 0 096GPa 深度 5 10m 范围内地层剪切波速一般为 250 300m s 动 剪切模量一般为 0 103 0 143GPa 深度 10 15m 的第四系中细砂 中粗砂层 的剪切波速一般为 300 450m s 动剪切模量一般为 0 143 0 320GPa 按照 建筑抗震设计规范 GBJ 11 89 规定 场地土类型宜根据土层剪 切波速 Vs 依表 2 标准划分 表 2 场地土类型划分 类别岩土名称和性状平均剪切波速 m s 坚硬场地土稳定岩石 密实的碎石土Vs 500 中硬场地土密实 中密的砾 粗 中砂500 Vs 250 中软场地土稍密的砾 粗 中砂250 Vs 150 软弱场地土淤泥质土 松散的砂Vs 140 由此可知 该输水干渠渠基深度 0 5m 范围内地层 含砾砂 砂等 属于中 软场地土 深度 5 10m 范围内地层 含砾砂 砂等 属于中硬场地土 深度 10 15m 的第四系中细砂 中粗砂地层也属于中硬场地土 5 5 结语结语 弹性波在岩 土 层中的传播速度是反映岩 土 体的动力特性的一项重要参 数 根据实测岩 土 体的弹性波速 能为抗震设计提供岩 土 体的动力参数 划分建筑场地类别 评价地震效应 进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分 析等 P S 测井是一种简便 快速 准确的原位测试方法 随着电子技术 信号 分析 数据处理等手段的广泛运用 必将为工程设计 施工提供更多的参数和 可靠的设计依据 参考文献参考文献 1