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)巖土動力學(xué)參數(shù)，達到評價巖體質(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。通過青島機場隧道場地的工程實例說明了PS測井技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計中的應(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]。是采用先進的電子元件及傳感器、計算機信息論、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,然后再把物理信號反演回地質(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。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)點間存在著相互作用的彈性力。某一質(zhì)點因受到擾動或外力的作用而離開平衡位置后，彈性恢復(fù)力使該質(zhì)點發(fā)生振動，從而引起周圍質(zhì)點的位移和振動，于是振動就在彈性介質(zhì)中傳播，并伴隨有能量的傳遞。縱波在地震學(xué)中稱P波，它的傳播方向同質(zhì)點振動方向一致；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)點振動方向相垂直，波速小于縱波波速。且?guī)r石破碎對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，計算巖土體的動彈性參數(shù)，據(jù)此評價巖土體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。巖土層剪切波速測試一般采用單孔檢層法，即利用單個孔，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，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，從而有助于識別S波的初至?xí)r間。當(dāng)重錘垂直叩擊鐵板時，孔內(nèi)由檢波器可接收P波(圖1)。

P波計算公式[7-15]為：

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

S波計算公式[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?？卓谥琳鹪窗逯行木嚯x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機臺激發(fā)剪切波。重物壓重不足，剪切波初至識別困難，會導(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、火車等震動干擾，應(yīng)盡量避免各種震動干擾。檢查檢波器是否正常，一切正常后，方可進行數(shù)據(jù)采集。深孔、砂層和含鐵質(zhì)地層中工作時，應(yīng)及時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)、砂的密實度等)、測試日期、工程名稱、鉆孔編號、鉆孔里程、套管深度、儀器工作參數(shù)、文件號等，方便解譯過程中與實測資料比對(圖2)。

3 工程實例

濟青高鐵所設(shè)計的機場地下隧道，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、擬建青島新機場、膠濟線、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15-ZD-7102～15-ZD-7139，共9個測試孔。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)按下列公式計算：

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

式中：t—剪切波由地表到達計算深度處的時間(ms)；di—計算深度范圍內(nèi)第i層土的厚度(m)；n—計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)；Vsi—計算深度范圍內(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)計規(guī)范》等效剪切波按下式[18]計算：

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

孔15-ZD-7105為建筑場地類型評價，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)計規(guī)范》GB50011-2010，計算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)計規(guī)范》對機場隧道場地類型進行了系統(tǒng)劃分(表1)。

表1 8個孔波速測試場地類型劃分匯總

3.2 動泊松比、動彈性模量和動剪切模量換算

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

式中：μd—動泊松比；Ed—動彈性模量；Gd—動剪切模量；υp—縱波波速(m/s)；υS—剪切波波速(m/s)；ρ—測點處巖土體的密度(g/cm3)。

根據(jù)設(shè)計書要求，作為抗震及穩(wěn)定性評價依據(jù)，對所有鉆孔進行了粉質(zhì)粘土層及不同風(fēng)化程度泥巖的各動彈性參數(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，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 對巖石破碎程度評價

表2 各層巖性動力學(xué)參數(shù)匯總

表3 土的類型劃分和剪切波速范圍

表4 巖石破碎程度評價標(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，大量的實踐驗證了剪切波速與承載力值的對應(yīng)關(guān)系(表5)。

表5 剪切波速與承載力值對應(yīng)

5 結(jié)論

(1)通過以上工程實例說明彈性波測試技術(shù)，在鐵路工程、機場隧道等工程勘察領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠為工程建設(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，隨電子技術(shù)發(fā)展，解譯精度的提高，必將為工程設(shè)計、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)體的動力特性的一項重要參數(shù)，通過PS測井獲取彈性波速，能夠為抗震設(shè)計提供巖(土)體的動力參數(shù)、劃分鐵路工程場地類別、劃分建筑場地類別、巖石破碎程度評價和大致估算巖土承載力等。

(3)需要強調(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)，評價巖層、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.