声波测井技术在岩土工程勘察中的应用

浅谈声波测井技术在岩土工程勘察中的应用摘要：本文首先论述了声速测井的测试原理，进而论述了影响岩石声波速度的主要因素，第三以工程实例，利用声波测井技术得到了评价岩土动力学特征的参数，既校正地解释岩性和岩层，还反映了岩土层的相对强度，为建筑设计提供一定的参考依据；最后，文章还阐述了当前声波测井技术在岩土工程勘察中存在的不足之处，以供参考。

关键词：声波测井技术；岩土工程勘察；应用
abstract: this paper first discusses the velocity measurement principles of well logging, and then discusses the influence of the main factors rock acoustic velocity, and the third by engineering example, the acoustic logging technology got the evaluation of the parameters of the dynamic characteristics of rock, both correction to explain the lithology and rocks, but also reflect the relative strength of geotechnical layer, for building design provides some reference basis; finally, the paper also expounds the current acoustic logging technology in geotechnical engineering investigation in existence deficiency, for reference.
keywords: acoustic logging technology; geotechnical engineering; application
中图分类号：tu74文献标识码：a 文章编号：
1前言
岩土工程勘察是查明拟建场地内及其附近有无影响场地稳定性的不良地质作用，划分场地土类型和建筑场地类别；查明场地范围内的地层结构及均匀性，提供各岩土层的物理力学指标等。

当前，随着数字测井技术的不断发展提高，声速测井作为一种重要的测井方法，在油田勘探和开发、工程物探等许多领域有广泛的应用。

采用声速测井技术，可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数；可用弹性波横波速度判别沙土液化，参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数；其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。

2 声速测井的测试原理
由于不同岩层有不同的声波传播速度，采用声速测井技术（一般测量纵波速度），由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播，经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。

因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的，所测得的声波传播时差与传播速度成反比。

根据需要可以把传播时差换算为声波速度，结合其他物理参数，还可以计算出横波速度，从而进行钻孔岩性划分、岩层风化和氧化带的确定、解释裂隙和软弱夹层、弹性参数的计算等。

2.1根据不同的声波传播速度，结合电阻率、自然伽玛等参数，对钻孔岩性进行划分。

2.2由于岩石因风化、氧化，胶结程度会变差，疏松甚至破碎，
在测得声波速度后，将其与新鲜完整岩石的声波速度进行比较，波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度，由此可确定岩层风化、氧化带。

2.3如果岩层有裂隙及软弱夹层，当声波传至此时会速度会有所降低，在测试时如声波出现异常，可据此来解释裂隙及软弱夹层。

2.4确定弹性参数。

根据弹性力学的知识，可根据介质密度ρ，介质中声波传播的纵波速度vp与横波速度vs确定介质的弹性参数：
e=ρvs2（3 vp2－4 vs2）/（vp2－vs2）
δ= vp2－2 vs2/2（vp2－vs2）
μ=ρvs2
k=ρ（vp2－4/3 vs2）
式中：e为介质的弹性模量；k为体积模量；u为切变模量；δ为泊松比。

声速测井一般提供的是纵波时差△tp，并可换算为纵波速度vp，而横波速度vs由经验公式计算：
vs= vp[1－1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2
3 影响岩石声波速度的主要因素
岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。

理论和实践证明，岩石的声波速度主要与密度有关，并且是随着岩石密度的增大而增大，其主要影响因素有以下几点：
3.1 岩石的密度对声波速度的影响。

在不同岩性的岩石中，由
于岩性的岩石密度不同，声波传播速度也会不同。

一般，石灰岩→砂岩→砂质泥岩→泥岩的密度依次减小，它们的声波速度也依次减小。

3.2岩石结构。

岩石胶结性差、疏松，声波速度低；而岩石胶结性好致密，则声波速度高。

岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

3.3岩石孔隙间的储集物。

岩石中孔隙间的储集物不同，也会对岩石的声波速度产生影响。

3.4地层埋藏深度及地质时代。

地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。

岩性和地质时代相同，地层埋深大、压力大，则声波速度高；反之，地层埋深浅、压力小，由声波速度低。

同一岩性，老地层比新地层声波速度高。

3.5 岩石含水率对声波速度的影响。

水对岩石的声波速度产生重要影响，随含水量增加，岩石的纵波速度和横波速度增大，但是由于岩性不同，其岩石矿物成分、胶结状况和结晶程度等因素差异很大，因此，随含水量增加，岩石的声波速度增高的速率则不完全相同，水对岩石声波速度的影响经回归分析得到如下关系：v=v0+kw
式中：v——不同含水量状态下岩石纵波或横波速度，m/s；
v0——干燥状态下岩石纵波或横波速度，m/s；
k——水对岩石声波速度影响系数；
w——含水量。

4 工程应用实例
某工区地形比较平坦开阔，局部有缓丘及冲沟发育。

覆盖层主要为黄褐色粘土、粉质粘土和乱石层，而基岩以泥岩为主，局部夹薄层透镜状砂岩，产状平缓，倾角3-5°。

应勘察技术要求，用声波测井法判别划分钻孔岩性、确定岩层风化和氧化带以及确定各地层动力学参数。

4.1利用波速法计算岩土的动力参数
根据实测获得的声波传播速度（横波速度 vs和纵波速度vp）即可计算岩（土）体的动弹性力学参数，为工程设计提供参考。

计算公式如下：
ed=（2 vp2－vs2）/2（vp2－vs2）
gd= vs2
式中：ed为动弹性模量，mpa；gd为动剪切模量，mpa；d为动泊松比；vp为纵波速度，m/s；vs为横波速度，m/s。

根据现场采集数据，处理后计算得各地层动力学参数如表1。

表1 工区各介质勘察钻孔声速测井成果
从表1可以看出，砂岩、泥岩的纵波速度较高，黏土的纵波速度较低，在综合分析解释的基础上，其既可校正地解释岩性和岩层，又可检验其推测精度。

泊松比反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向相对与横向相对变形量之比的倒数，反映的是岩体“软”“硬”程度。

泊松比越小，岩石越坚硬。

纵波与横波比值能判定岩石的完整性。

波速是岩土物理性质的重要参数，波速大小在一定程度能反映岩土密实度、孔隙度、风化程度和裂隙发育程度。

岩石密度小、孔隙大、裂隙多使波在传播中发生绕射，声线“拉”长，旅行时间延长，速度降低。

5声速测井技术在岩土工程勘察中存在的不足
5.1声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而使能量明显衰减，此时滑行波的幅度亦会减小。

要解决这一问题，可以提高探头的发射功率，用以增大滑行波的能量。

5.2 动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等，但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类，大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式，因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。

6结束语
综上所述，声速测井技术作为一种直接的勘察方法，其除了能够计算各种弹性参数外，还能够进行岩性划分、圈定岩体风化带和氧化带、解释岩层的裂隙及软弱夹层等，在岩土工程勘察中发挥了重要作用。

实践证明，声速测井应用效果良好，产生了较好的经济和社会效益。

参考文献：
[1]赵振宇.论声波测井在地质勘察中的应用[j].城市建设理论研究，2011（25）.
[2]刘海涛，任广智.浅层地震反射波法与声波测井在岩土工程中的应用[j].工程地球物理学报，2009（04）.
[3]谢孔金，王霞，刘全峰.声波测井技术在工程岩体围岩分级中的应用[j].建筑科技与管理，2009（02）.谢孔金王霞刘全峰注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。