P.S测井技术的工程应用

1、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 Wa ve）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、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、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2.5～3.0 m，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=2ρVp2(1+μ) (4)

Gd=ρVs2 (5)

式中：ρ—介质密度(g/cm3)；Vp—压缩波速度(m/s)；

Vs—剪切波速度(m/s)；μ—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、工程实例

实例１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

V s(m/s)

备注

①Qml 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

②Q h3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

③Q h2-3粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粘质粉土、粘土。

层厚3.0m。

186.3

第一海相层

④Q h2-2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

⑤Q h2-1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

⑥Q h1-3粉质粘土夹砂质粉土、粘质粉土、粘土。层厚4.

5m。

245.8

第二陆相层

⑦Q h1-2粉砂夹薄层状粉质粘土、粘土、粘质粉土。层

厚3.6m。

235.9

⑧Q h1-1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

(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1 96.8m/s，参照文献(1)(P14页表3.2.1)知该区场地类别属Ⅲ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Ⅲ类。

由此可见该综合楼场地类别应属于Ⅲ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Ⅶ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⑤Q h2-1)的淤泥质粉土夹粉砂层Vs＜Vscr，即判定为液化层。

实例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～