悬挂式剪切波速测试仪测试结果影响因素分析

刘福兴，刘璐，齐静静，吴孔兵，张恺

(中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司 技术检测中心，山东 东营 257000)

在工程场地地震安全性评价及岩土勘察等工作中，土层剪切波速测试对于划分地层和场地土类别、判断土的液化、研究土的振动特性等具有重要的作用［1－2］．尤其是在地震安全性评价工作中，土层剪切波速是场地地震反应分析模型中的重要参数，剪切波速的测试结果对于场地地震动参数的确定有重要影响［3－4］．目前，常用的测试方法有检层法、交孔法和表面波法［5］，本次探讨的悬挂式剪切波速测试仪的测试方法为单孔检层法，由于悬挂式剪切波速测试仪震源与检波器同时放入井孔中，摆脱了笨重的地面敲击震源［6］，受环境影响较小，提高了波速测试的精度，实现了波速测试的自动化，且特别适用于较深孔的波速测试，在地震安全性评价波速测试中得到了广泛的应用．笔者结合实际工作经验，对影响悬挂式剪切波速仪测试结果的主要因素进行分析，给出了记录波形的响应示例，提出了提高波速测试结果准确度的措施．

1 悬挂式剪切波速测试原理

悬挂式波速测试仪是利用放置在钻孔中的具有一定距离(d)的两个检波器，接收来自钻孔中震源的S 波信号初至时间(t)，通过S 波初至时间差来确定两检波器之间的地层剪切波速的一种方法［7］． 悬挂式剪切波速测试仪主要由主机、孔中悬挂式探头及连接电缆组成，悬挂式探头主要由全密封式(防水)电磁式激震源、检波器、阻尼器及高强度连接软管等组成［8］，如图1 所示．

图1 悬挂式剪切波速测试仪信号传播示意图

当震源激震时，在井孔内的泥浆中产生以水平向振动为主的P 波，P 波到达孔壁时，除经折射进入地层外，还产生沿孔壁传播、振动方向垂直于孔壁的S波，S 波沿孔壁向下滑行的过程中，还不断产生水平向振动为主的P 波，S 波下行至两道检波器处时，其产生的P 波信号由两道检波器记录下来．从图1 中可以看出，两道检波器信号初至时间差Δt 为S 波在长度为两道检波器之间距离d 的孔壁的传播时间，则两道检波器之间对应地层的波速值即为d/Δt．

2 波速测试影响因素分析

文中波速测试影响因素分析所用的数据均利用XG－1 型剪切波速测井仪采集．

2．1 局部扩孔、缩孔对波速测试的影响

结合悬挂式剪切波速测试的原理可知，两道检波器之间的距离是固定不变的，但S 波沿两道检波器之间的孔壁传播路径受孔壁质量的影响． 当孔壁存在扩孔、缩孔等现象时，势必会影响S 波沿孔壁的传播，从而影响波速测试的结果．图2 为扩孔时悬挂式剪切波速测试仪的信号传播示意图． 从图中可以看出，当孔壁存在扩孔时，S 波在两道检波器之间的孔壁传播路径要大于两道检波器之间的距离d，在S波速度一致的情况下，两道检波器信号初至时间差Δt 要比孔径一致时的时间差大，则波速测试结果d/Δt要比实际波速值偏小．

图2 孔壁扩孔时悬挂式剪切波速测试仪信号传播示意图

2．2 塌孔对波速测试的影响

在测试靠近地面的地层波速时，由于浅表地层松散，易坍塌，塌孔对波速测试影响极为明显，很难采集到良好的波形，甚至采集不到波形．

图3 中黑色方框内所示初至波、后续波均不明显，信号质量明显比其下方和上方的差．其原因是埋深7 ～10 m 的松散粉土少量坍塌，扩径严重，孔壁产生的S 波波速低、振幅衰减快，S 波在泥浆中产生的P 波振幅远小于孔壁质量好的情况．

图4 为黄河入海口附近某浅海项目孔1 波速测试的波列图． 由于浅层沉积物松散，海底泥面下10 ～25 m 范围内地层塌孔严重，基本没有记录到有效波形;海底泥面下0 ～10 m 范围虽然有套管保护，但因套管与地层间耦合差，记录的波形也极差．

图3 某孔波速测试时的界面显示(窗口显示深度范围3 ～18 m)

图4 某浅海项目孔1 波速测试波列图(测试深度100 m，测试方向上→下)

2．3 孔壁纵向均质性对波速测试的影响

S 波在传播过程中会出现波速随频率或波长而变化的频散现象．S 波在孔壁表面传播时，由于孔壁纵向孔径差异变化大、地层的均质性差和孔壁的非完全弹性等原因，产生各种类型的波叠加，将造成更严重的频散现象．由于频散现象，S 波波形在传播过程中会发生变化，如在震源处发出的一个脉冲，在远处就可以散成一个波列． 严重的频散往往会造成波速测试结果的不准确，且为后期人工干预波速计算时识别初至波带来麻烦．

图5(a)所示为孔壁均质性良好的情况下检波器记录的信号，初至及后续信号呈现单个的波峰，为脉冲信号;图5(b)所示为孔壁均质性差的情况下检波器记录的信号，初至及后续信号频散现象严重，表现为由2 ～3 个子波组成的波列．

图6 为某孔波速测试时的显示界面．从图6 中①、②窗口可以看出，两道检波器接收的初至信号频散现象严重，且距离震源较远的2 号检波器(②窗口)接收信号的频散要比1 号检波器(①窗口)严重;④窗口为两检波器信号互相关函数关系，互相关波形的时间区间偏大，说明波速测试误差较大，测试结果的准确度相对要低．

图5 检波器记录的正常信号与S 波频散严重的信号

图6 某孔波速测试时的界面(测试深度26 ～40 m)

2．4 泥浆中铁磁性物质含量对波速测试的影响

悬挂式剪切波速测试仪的电磁式激震源在井孔中下放时，其内部的永磁体将泥浆中的铁磁性物质吸附在橡皮垫上．在激震时，吸附的铁磁性物质抵消了部分永磁体的磁性，会减弱永磁体撞击胶皮垫的速度，从而降低震源的能量，影响波速测试的精度．泥浆中的铁磁性物质主要包括来自于钻进地层中的磁性矿物和钻头磨损产生的铁屑．

图7 为某工程k1 孔波速测试的波列图．可以看出，在从上往下的测试过程中，除深度10 m 以上松散粉土、粉砂层因坍塌、扩孔等原因导致初至波较弱甚至没有外，其余深度段初至波振幅自上而下逐渐减弱．在波速测试过程中，泥浆停止循环，内部基质(包括砂屑、黏土、铁磁性物质等)逐渐往下沉淀，在深度80 m 以下，吸附的铁磁性物质迅速增多，导致震源能量迅速下降，两检波器初至波振幅明显减弱．

图7 某工程k1 孔波速测试波列图和成果图(测试深度100 m)

2．5 仪器设备故障时波速测试响应

在波速测试过程中，仪器设备故障也是影响波速测试结果的一个重要因素，如果不能及时发现和处理故障，将影响波速测试结果．常见的仪器设备故障有电磁激振器橡皮垫老化、破裂和检波器故障．

图8 为激震器橡皮垫破损时的波形响应(测试方向从上到下)．某孔波速测试过程中，孔内压力将电磁激震器老化的橡皮垫压裂，泥浆进入电磁激震器内部，影响激震器激发，使得两检波器记录的波形杂乱无章．

图8 某孔波速测试过程中橡皮垫破裂后的波列图

图9 为检波器出现故障时的波形响应．①窗口(1 号检波器)初至及后续波形由多个子波组成，类似频散现象;②窗口(2 号检波器)记录波形相对正常．一般情况下，2 号检波器记录波形的频散要较1号检波器的明显，排除了频散现象的影响．

图9 检波器出现故障的记录波形

经仪器厂家检修确定，此类波形响应是由检波器故障引起的．在更换正常悬挂式探头后，在同一钻孔、同一深度采集到了良好的波形，如图10 所示．

图10 更换正常探头后的记录波形

3 提高波速测试质量的对策

1)提高孔壁质量．钻探过程中，针对不同地层，控制好钻进速度、钻具转速，选择合适的泥浆配比等，保证钻探的成孔质量．

2)采用分段测试方式．0 ～20 m 地层的剪切波速是影响场地地震动参数确定、场地类别划分的重要参数，恰恰该段是塌孔、扩孔最严重的孔段． 波速测试可在0 ～20 m 段钻探完成、尚未塌孔或塌孔较轻时进行．

3)人工干预波速计算．通过对记录波形进行滤波，人工识别初至波形，计算剪切波速值． 若经滤波后仍不能识别初至波形，应结合各因素对波速测试的影响结果，适当调整波速值．

4)提高测试人员技术水平．在波速测试过程中，不同的人测试结果都有可能不同［9］．测试人员必须时刻注意各类因素改变所带来的影响，随时调整参数或测试方案，及时发现和排除仪器设备故障等．

4 结 语

1)影响悬挂式剪切波速测试结果的因素有孔壁质量(扩孔、塌孔、孔壁的纵向均质性)、泥浆中铁磁性物质含量、仪器故障等．

2)扩孔、塌孔时剪切波速值要小于实际值;孔壁质量良好时剪切波速的测试质量要好于孔壁纵向均质性差时;泥浆中铁磁性物质含量高时，会降低电磁式激震器的激震能量，影响剪切波速测试结果．

3)采取提高孔壁质量、分段测试方式、人工干预波速计算等措施，可提高剪切波速测试的质量．

［1］张磊，徐放明，吴社庆． 场地剪切波速测试及其应用［J］．电力勘测设计，2006(6):9 －11．

［2］中华人民共和国建设部． 岩土工程勘察规范(2009 年版):GB 50021—2001［S］． 北京:中国建筑工业出版社，2009．

［3］中国地震局． 工程场地地震安全性评价:GB 17741—2005［S］．北京:中国标准出版社，2005．

［4］齐静静．山东东营城区剪切波速回归分析及应用［J］．勘察科学技术，2011(2):23 －26．

［5］郭明珠，贾连军，铁瑞，等．剪切波速测试方法的现状分析［J］．西北地震学报，2011，33(增刊1):21 －23．

［6］高云峰，李惠玲，赵向佳． 剪切波速测量中地貌木板敲击方法和悬挂式井中测试方法的结果比较［J］．山西地震，2014(157):19 －23．

［7］龚湘湖．剪切波速测试及其在地震安全性评价工作中的应用［J］．岩土工程界，2000，3(10):52 －54．

［8］林凤仙，段继平，杨江华． 悬挂式测井仪在场地地震反应剪切波速测试中的应用［J］． 云南大学学报(自然科学版)，2012，34(增刊2):256 －259．

［9］董林，夏坤，郑龙． 甘肃地区波速测试中的问题分析［J］．震灾防御技术，2013，8(1):81 －89．