P.S測井技術(shù)的工程應(yīng)用

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 1、概況     P.S測井又稱彈性波速度測井，它是地震勘探方法之一，也是地球物理測井技術(shù)的一個重要分支，目前已廣泛應(yīng)用于水利水電工程、石油工程、鐵路工程、冶金工程、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。     一般來說，P.S測井可原位測定壓縮波（Pressure Wave）和剪切波（Shear Wave）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、評價巖(土)體質(zhì)量等；并可計算工程動力學(xué)參數(shù)，如動剪切模量、動彈性模量等。本文介紹了P.S測井的工作原理和野外測試方法，并結(jié)合工程實例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，請批評指正。
    2、工作原理                                       以巖(土)體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過測定不同巖(土)層的剪切波(S波)、壓縮波(P波)的傳播速度，計算巖(土)體的動彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖(土)體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。     實測一般采用單孔檢層法，即地面激發(fā)以產(chǎn)生彈性波，孔內(nèi)由檢波器接收彈性波。當(dāng)?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生剪切波(S波)，利用剪切波震相差180⁰的特性來識別S波的初至?xí)r間。圖1為正反向激發(fā)時由地震儀記錄的實測波形圖。     3、測試方法                                       實測通常由震源和記錄儀器組成，震源設(shè)置一般距孔口2～4m，平放一塊壓重物的木板，測試孔應(yīng)位于木板長軸的中垂線上，使木板與地面緊密接觸。木板長2.5～3.0m，寬0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上壓約500～1000kg的重物。當(dāng)分別水平敲擊木板兩端時，產(chǎn)生彈性波(此時以S波為主)。記錄儀器由井中三分量檢波器和工程地震儀構(gòu)成，三分量檢波器放置井中某一深度，接收由震源產(chǎn)生的彈性波信號，并通過連接電纜輸送給地震儀，再由地震儀記錄并存儲以備后期數(shù)據(jù)處理之用，圖2為單孔檢層法測試示意圖。

 

        單孔檢層法測試彈性波時，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計算測段內(nèi)地層波速時需將彈性波的非縱測線旅行時校正為縱測線旅行時，計算公式如下：       式中：t’—縱測線旅行時(s);    t—非縱測線旅行時(s);     h—測點孔深(m)；        x—震源板距孔口的距離(m)。

 

   
    由校正后的縱測線旅行時求得各測試地層的彈性波速，進而可根據(jù)剪切波速Vs和壓縮波速Vp計算巖(土)層的動彈性參數(shù)。計算公式如下：

 

 

   
          Ed=2ρVp²(1+μ) ……………………………………(4)

 

          Gd=ρVs²    ……………………………………………(5)     式中：ρ—介質(zhì)密度(g/cm³)；       Vp—壓縮波速度(m/s)；     Vs—剪切波速度(m/s)；      μ—泊松比     Ed—動彈性模量(GPa)；      Gd—動剪切模量(GPa)；     實測過程中應(yīng)注意以下特征：     (1) 壓縮波傳播速度較剪切波速度快，壓縮波為初至波；     (2) 震源板兩端分別作水平激發(fā)時，剪切波相位反向，而壓縮波相位不變；     (3) 檢波器下孔一定深度后，壓縮波波幅變小，頻率變高，而剪切波幅度大，頻率低。     (4) 最小測試深度應(yīng)大于震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速地層界面可能造成的折射波影響。
    4、工程實例      實例１  天津院綜合樓場地評價      根據(jù)任務(wù)要求，用單孔檢層法對建筑場地內(nèi)一深30m的鉆孔，進行了剪切波測試。檢測結(jié)果見表1。        表1                 剪切波測試成果表 地層 編號 地層代號 巖性簡述 剪切波速 V_s(m/s) 備注 ① Qml 素填土：粉質(zhì)粘土為主，頂部夾有少量碎磚塊及灰渣。層厚約2.0m。 116.5 人工填土層 ② Q_h³ 粉質(zhì)粘土夾少量淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。層厚3.0m。 167.7 第一陸相層 ③ Q_h^2-3 粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、粘土。層厚3.0m。 186.3 第一海相層 ④ Q_h^2-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。層厚3.5m。 177.3 ⑤ Q_h^2-1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粉砂等。層厚3.0m. 113.8 ⑥ Q_h^1-3 粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土、粘土。層厚4.5m。 245.8 第二陸相層 ⑦ Q_h^1-2 粉砂夾薄層狀粉質(zhì)粘土、粘土、粘質(zhì)粉土。層厚3.6m。 235.9 ⑧ Q_h^1-1 粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、細砂。層頂埋深22.6m，層厚大于7.4m。 228.5       (1) 場地類別劃分     a.平均波速法：勘察分析表明本區(qū)地層為中軟場地土，且覆蓋層厚度大于60m。由表1中各層Vs值，對深度30m范圍以內(nèi)各地層平均的Vs值進行厚度加權(quán)平均后得196.8m/s，參照文獻(1)(P14頁表3.2.1)知該區(qū)場地類別屬Ⅲ類。

 

   
    b.卓越周期法：卓越周期T可按下式計算，即：

 

    式中：hi—第i層土的厚度(m)；     Vsi—第i層土的剪切波速(m/s)；     n—土層數(shù)；     由表1中各地層的Vsi值計算得：T=0.653(s)，參照文獻(2)(P47頁表5.2.5)知該區(qū)場地類別屬Ⅲ類。 由此可見該綜合樓場地類別應(yīng)屬于Ⅲ類，以此為依據(jù)進行地基處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

 

   
    (2) 地基土液化判別：按公式(7)計算地層的臨界剪切波速(Vscr)，當(dāng)實測地層剪切波速小于Vscr時該地層被判為液化，否則為不液化。
    式中：d—剪切波測點深度(m)；Kv—系數(shù)，本區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，則取42。
    計算結(jié)果表明，在深度12.0～15.0m范圍內(nèi)(即海相層中⑤Q_h^2-1)的淤泥質(zhì)粉土夾粉砂層Vs＜Vscr，即判定為液化層。 
    實例2  正義峽輸水干渠基礎(chǔ)評價 
    正義峽輸水干渠地處甘肅省酒泉地區(qū)金塔縣境內(nèi)，輸水干渠自大墩門引水樞紐(渠首)取水，經(jīng)金塔縣芨芨鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)和雙城子鄉(xiāng)以及東風(fēng)場區(qū)內(nèi)的荒漠、戈壁灘，向內(nèi)蒙古自治區(qū)的額濟納旗平原供水，線路全長約96.058Km。干渠設(shè)計流量55m³/s；加大流量60m³/s。渠道設(shè)計縱坡1/1000～1/2000，邊坡1：1.75，底寬3～6m，設(shè)計水深2.27～3.28m，設(shè)計流速1.92～2.43m/s，一般為明挖梯形混凝土預(yù)制板襯砌斷面。
    渠基多由第四系中、上更新統(tǒng)沖洪積松散堆積物組成，巖性為含礫砂、砂、含礫砂壤土、壤土、粘土等。其中含礫砂、砂廣泛分布于干渠沿線各段，且在干渠0+000～0+080及77+500～95+803渠段厚度較小，一般為3～6m，其余地段厚度均較大，一般多大于20m。砂以細砂為主，夾有呈透鏡體狀分布的粗砂、中砂及極細砂等，礫石多為細礫，含量多小于5%，磨圓度較好。另外在該層中還夾有壤土、粘土等粘性土層，多呈透鏡體展布，厚度多小于1.0m；含礫砂壤土，分布于含礫砂、砂層之下，在干渠50+200～69+500渠段揭露，埋深5～10m，厚度大于10m，礫石多為細礫，含量小于5%，土為砂壤土。
    沿線地下水位在干渠上游段埋藏較深，一般大于10m（局部因地勢低洼地下水位埋深約5～8m）；中游段埋深較淺，一般小于2～3m；下游段埋藏深度居中，一般為4～7m。同時，地下水位的動態(tài)變化受黑河河水的豐枯、田間回灌水的多少和人工開采量的大小等因素的控制較為顯著。
    沿渠線實施剪切波測試的鉆孔共17個，所測鉆孔均分布于渠道中心線上。測試對象均為第四系中、上更新統(tǒng)沖洪積松散堆積物，其巖性主要為中細砂或含礫中細砂，其次為含礫粗砂等；其層間夾有薄層砂礫石、砂壤土、粉質(zhì)壤土等。從實測結(jié)果來看具有以下規(guī)律：地表以下地層隨深度的增加其剪切波速和動剪切模量等動彈性參數(shù)逐漸增大。在測試深度內(nèi)具體可劃分為三個速度帶，即深度0～5m范圍內(nèi)地層剪切波速一般為190～240m/s，動剪切模量一般為0.057～0.096GPa；深度5～10m范圍內(nèi)地層剪切波速一般為250～300m/s，動剪切模量一般為0.103～0.143GPa；深度10～15m的第四系中細砂、中粗砂層的剪切波速一般為300～450m/s，動剪切模量一般為0.143～0.320GPa。
    按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ 11—89)規(guī)定，場地土類型宜根據(jù)土層剪切波速Vs依表2標(biāo)準(zhǔn)劃分。 

 

表2                   場地土類型劃分 類別 巖土名稱和性狀 平均剪切波速(m/s) 堅硬場地土 穩(wěn)定巖石，密實的碎石土 Vs＞500 中硬場地土 密實、中密的礫、粗、中砂 500≥Vs＞250 中軟場地土 稍密的礫、粗、中砂 250≥Vs＞150 軟弱場地土 淤泥質(zhì)土、松散的砂 Vs＜140     由此可知，該輸水干渠渠基深度0～5m范圍內(nèi)地層(含礫砂、砂等)屬于中軟場地土；深度5～10m范圍內(nèi)地層(含礫砂、砂等)屬于中硬場地土；深度10～15m的第四系中細砂、中粗砂地層也屬于中硬場地土。      5、結(jié)語     彈性波在巖(土)層中的傳播速度是反映巖(土)體的動力特性的一項重要參數(shù)，根據(jù)實測巖(土)體的彈性波速，能為抗震設(shè)計提供巖(土)體的動力參數(shù)、劃分建筑場地類別、評價地震效應(yīng)、進行場地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢分析等。     P.S測井是一種簡便、快速、準(zhǔn)確的原位測試方法，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，必將為工程設(shè)計、施工提供更多的參數(shù)和可靠的設(shè)計依據(jù)。