影響地層剪切波波速的主客觀因素分析

1、影響地層波速的主客觀因素分析地基檢測所陳義軍【摘要】：彈性波在土層中的傳播速度是反映土的動(dòng)力特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，根 據(jù)波速測試的實(shí)測地層波速，能為抗震設(shè)計(jì)提供場地土的動(dòng)力參數(shù)、劃分建筑場 地類別、評價(jià)地震效應(yīng)、進(jìn)行場地地震反應(yīng)分析等。本文通過作者十余年從事大 量工程的波速測試工作，所總結(jié)的這方面的工作經(jīng)驗(yàn)，來介紹分析影響巖（土）體 地層波速的主客觀因素?！娟P(guān)鍵詞】：工程勘察；地層；剪切波；壓縮波；波速；因素一前言波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術(shù)的一個(gè)重要分 支，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、鐵路工程、水利水電工程、石油工程、 冶金工程等眾多巖土工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域，取得了良好

2、的應(yīng)用效果。一般來說，波速測試可原位測定壓縮波（P波）、剪切波（S波）等在巖（土） 體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地 質(zhì)問題，諸如確定場地土類型、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。波速測試作為淺層地球物理勘探方法（或原位測試技術(shù)），具有簡便、快 速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、分辨率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到工程技術(shù)人員的青睞和 使用。但是，在波速測試的實(shí)際工作當(dāng)中，不同的技術(shù)人員、不同的鉆探隊(duì)伍、 不同的工作環(huán)境，得出的地層波速值往往差別很大。首先，先從波速測試的基本原

3、理說起。二波速測試的基本原理當(dāng)固體介質(zhì)受到外力沖擊時(shí)，介質(zhì)受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變，在作用于介 質(zhì)的應(yīng)力消失后，應(yīng)變和應(yīng)力失去平衡，應(yīng)變就在介質(zhì)中以彈性波的形式由介 質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)依次向周圍傳播，這種彈性波成分較復(fù)雜，既有面波又有體波，體 波又分為壓縮波（P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水 平分量稱SH波。在地層表面?zhèn)鞑サ拿娌煞譃槿鹄撞ǎ≧ayleigh）和拉夫波 （Love），各種波在介質(zhì)中傳播的特征和速度各不相同。三波速測試的野外工作方法縱波波速（VP）測試方法有：反射波法、折射波法、跨孔法和檢層法。橫 波波速測試方法有：面波勘探法檢測地層的瑞雷波速度后，推算出地層的剪切

4、波速度；單孔法或跨孔法。在巖土工程勘察中，最常用的測試方法是單孔檢層 法，下面以單孔檢層法為例說明。（一）震源設(shè)備：震源要求是產(chǎn)生能量較大、穩(wěn)定性和重復(fù)性好。（1）剪切波震源主要有擊板法、彈簧激振法、定向爆破法三種。彈簧激 振法、定向爆破法兩種震源產(chǎn)生的能量較大，能測試較深的鉆孔，而普遍應(yīng)用 的是擊板法，它是將長23m、寬0.3m、厚0.05m的激振板放在離孔口約1 3m處的地面上，木板與地面接觸良好，木板上需壓一定量的重物（根據(jù)測試深 度不同，木板上所壓重量也不同。一般測試孔深越大，所壓重量也越大），用 木錘或鐵錘水平敲擊木板兩端，木板于地面產(chǎn)生剪切力，使地層產(chǎn)生剪切波。（2）壓縮波震源設(shè)備

5、壓縮波震源主要有炸藥震源、電火花震源、錘擊震源三種。理論上講，在 無限空間中爆炸震源不產(chǎn)生剪切波，因此，炸藥震源是很好的壓縮波震源，尤 其是適合深孔測試波速，但由于炸藥和雷管在運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及使用過程中都要 涉及安全問題，在城市勘察中已很少使用。電火花震源的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射功率 較大、傳播距離遠(yuǎn)、方法簡便和激發(fā)聲波余震短等，其缺點(diǎn)是由于儲(chǔ)電電容器 等設(shè)備復(fù)雜笨重、現(xiàn)場需要交流電或發(fā)電機(jī)。普通電火花震源主要用于產(chǎn)生壓 縮波，通過用爆炸儲(chǔ)能罩改進(jìn)后，也可以產(chǎn)生豐富的的剪切波。錘擊震源是在 地面上水平鋪上鋼板或銅鋁合金板，合金板與土緊密接觸，通過垂直錘擊合金 板壓縮土體，使土體產(chǎn)生壓縮波（縱波）?？v波錘

6、擊震源的優(yōu)點(diǎn)也是簡單方便， 缺點(diǎn)是能量相對較弱，測試深度相對較小。（二）測試儀器：由孔內(nèi)三分量檢波器與地震儀組成。三分量檢波器由三個(gè) 互相垂直的檢波器組成（X、Y、Z方向各一個(gè)），它們同時(shí)安裝在一個(gè)密封的鋼 筒內(nèi)，垂直方向安裝的檢波器用于接收縱波，兩個(gè)水平方向的檢波器可接收地 表傳來的橫波（SH波）；地震儀需要具有信號增強(qiáng)功能，以便突出有效信號，降 低噪聲及干擾的影響。目前地震儀的型號較多，我院使用的有美國Bison-1580、 重慶產(chǎn)DZQ12 1、長沙產(chǎn)GJY-1系列、北京產(chǎn)SWS-2型等型號儀器，它們均 具有信號增強(qiáng)功能，能滿足波速測試的要求。（三）測試方法：單孔法波速測試現(xiàn)場連接如圖1

7、所示：圖1單孔法波速測試示意圖鉆探成孔后，將檢波器放至孔底后，自底部向上依地層界面測試，一般用 氣筒充氣固定檢波器，使其緊貼孔壁。測試橫波時(shí)用木錘或鐵錘水平敲擊木板 兩端；測試縱波時(shí)用鐵錘垂直敲擊合金板。敲擊所產(chǎn)生的剪切波（或壓縮波） 經(jīng)地層傳播到達(dá)測試點(diǎn)，孔中檢波器接收到彈性波信號，經(jīng)電纜送入地震儀進(jìn) 行放大、儲(chǔ)存、記錄。測試點(diǎn)的間隔根據(jù)地層界面情況而定，通常的做法是平 均12 m 一個(gè)測試點(diǎn)，界面處的測試點(diǎn)需重復(fù)測試。這種測試方法的好處一 是測試時(shí)帶有深度記號的電纜（或細(xì)鋼絲繩）不彎曲，保證測試深度的準(zhǔn)確性; 二是便于追蹤波的初至，保證相位不錯(cuò)。（四）波速計(jì)算：根據(jù)壓縮波與剪切波的不同振相

8、特征，我們可以在不同地 層界面點(diǎn)準(zhǔn)確測定壓縮波或剪切波的到達(dá)時(shí)間，準(zhǔn)確求出各地層的波速值。如圖2所示，波在地下的傳播并非直線而是折線，如果按照折線考慮，計(jì)算方法很復(fù)雜，當(dāng)板孔距L較小時(shí)，可簡化按下式計(jì)算：Vs=（H2 H1） / t2COS arctg（L/H2）-t1 COS arctg（L/H1）式中H1_測點(diǎn)1的深度，（單位m）；H測點(diǎn)2的深度，（單位m）；t 測點(diǎn)1的讀時(shí)，（單位ms）；t2 _測點(diǎn)2的讀時(shí)，（單位ms ）。O L s圖2地震波旅行路程計(jì)算圖四影響地層波速的因素影響地層波速的因素不外乎主觀和客觀因素：（一）主觀因素影響地層波速的主觀因素有很多，主要包括鉆探人員的技術(shù)水平

9、、測試人員 的技術(shù)水平、震源激發(fā)環(huán)境和條件、儀器性能、檢波器接收環(huán)境和條件等。波速測試孔成孔質(zhì)量的好壞，會(huì)給所測的地層波速造成很大的實(shí)際誤差。比 如下表（表1），在同一個(gè)工地上（同一地質(zhì)單元），同一深度地層的兩個(gè)不同鉆 孔，卻得出差別很大的兩個(gè)波速值。表1鉆孔號巖性描述深度（m）速度 vs（m/s）1細(xì)砂9.82122細(xì)砂10.098分析原因，這是由兩組不同的鉆探人員所成的鉆孔，終孔深度都是20米。在測試現(xiàn)場，我們看到1號鉆孔人員成孔打出的地層土，堆在鉆孔旁只有很小的 一堆，而2號鉆孔人員成孔打出的地層土，卻有很大的一堆，細(xì)砂土要比1號的 細(xì)砂土多很多。這說明2號鉆孔10.0米深度的細(xì)砂層，在

10、鉆孔周圍被鉆探人員 掏得非常松散，不如2號鉆孔的細(xì)砂層密實(shí)，這是人為所造成的結(jié)果，所以就得 出差別很大的兩個(gè)地層波速值。另外，鉆孔的垂直度、套管與地層的接觸程度（下泥漿粉會(huì)使套管與地層接 觸良好）等都會(huì)影響地層的波速。測試人員技術(shù)水平的高低、波速測試經(jīng)驗(yàn)的多少，對于原始波形的采集、存 儲(chǔ)、分析都會(huì)有差別，這些也是造成所測地層波速值與實(shí)際地層波速值差別較大 的重要原因之一。表層地震地質(zhì)條件主要包括地表附近地質(zhì)剖面的性質(zhì)和地貌特點(diǎn)，它往往影 響波速測試時(shí)的激發(fā)條件、接收條件、波的傳播。波速孔位置的選擇，一般選擇 在周圍無機(jī)械震動(dòng)干擾、無高壓動(dòng)力電源干擾、地下無市政管線等的位置。（二）客觀因素1、地

11、震波速度地震波速度是表征地層彈性性質(zhì)的重要參數(shù)，不同地質(zhì)年代、不同成因和物 質(zhì)成分、不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造的巖（土）體，地震波速度不同，即使同樣的巖性，由于 沉積環(huán)境、沉積年代不同，巖（土）體密度、孔隙度及充填物方面也會(huì)有很大的 變化，這就導(dǎo)致某一類地層的速度可以在很大的范圍內(nèi)變化，如表2。表2地震波在北京地區(qū)某一深度的幾種主要類型巖（土）體的速度變化范圍巖（土）體速度v (m/s)巖（土）體速度v (m/s)房渣土、填土s70300砂巖s7002600粘性土110330粘土巖300-2000砂類土220410花崗巖1100-3000圓礫、卵石240500一i_J_r 玄武石1100-33002、影響地

12、震波速度的主要客觀因素地層的地震波速度主要取決于他們的彈性常數(shù)入、巨、和密度P。一般說來，地震波速度隨深度增加而增加，另外還與下列各因素有關(guān):巖性是影響地層速度的決定因素很顯然，不同巖性的地層有不同的速度。但是，實(shí)際地層并非由“純”地層 組成，在北京地區(qū)，第四紀(jì)沉積層往往由許多薄的夾層構(gòu)成。此外，由于沉積環(huán) 境、沉積年代不同，同一巖性的地層在速度值上也會(huì)有很大的變化，不同巖性地 層的速度值可以在某一范圍內(nèi)重疊。裂隙、孔隙度是影響速度的基本因素由于地震波速度在氣體、或液體中傳播速度低于巖石骨架固體中的傳播速 度，因此，裂隙和孔隙度使地震波速度減慢，使彈性波能量減小、使地震波能量 衰減增大、振動(dòng)周

13、期變長的傾向?？紫吨谐涮钗锏挠绊懙貙油林锌紫兜目臻g一般是被水所充填，實(shí)驗(yàn)測定證明，當(dāng)孔隙中的水被液 態(tài)的碳?xì)浠衔锼媲疫_(dá)到飽和時(shí)，速度就可以降低15%20% ；而孔隙中 如果被氣態(tài)碳?xì)浠衔锼涮顣r(shí)，則速度值會(huì)大大降低。還有，疏松的沙丘，橫 波速度一般才幾十米每秒，若將砂在容器中壓緊，速度可達(dá)200m/s以上。砂類 土顆粒間含有空氣，速度會(huì)降低；若含水速度將會(huì)適當(dāng)增高。當(dāng)含水量增多，土 和軟巖的骨架遭受破壞時(shí)，地震波速度會(huì)降低。風(fēng)化、破碎帶巖石風(fēng)化破碎后，地震波速度就會(huì)降低，應(yīng)用地震勘探可以發(fā)現(xiàn)基巖和未固 結(jié)層層中的破碎部分。埋藏深度對速度的影響一般的地層埋藏得越深、年代越老，承受上覆地層壓力的時(shí)間長和強(qiáng)度大。 因此同樣巖性的地層，埋藏深、年代老的要比埋藏淺、年代新的地層速度更大。加斯曼(Gassman) 1951年給出了速度和深度、孔隙度之間的經(jīng)驗(yàn)公式為:4.44 x 108 z %V = V 2 + 02.7 -1.