2017, Vol. 32
2. 北京市第三建筑工程有限公司, 北京 100044
3. 昆明峻奇无损检测工程有限公司, 昆明 650051
2. Beijing Third Build Engineering Co.Ltd, Beijing 100044, China
3. Kunming Junqi Undestructive Testing Technology Co., Ltd, Kunming 650051, China
《工程场地地震安全性评价GB 17741—2005》国家标准(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会, 2006)规定，对每个工程场地必须保证至少一个深孔钻—深度进入基岩或超过100 m，并且必须对此深孔进行(剪切)波速测量.目前较常用的是单孔检层法和井中悬挂计测量法.单孔检层法(常士骠，1994)的传统做法是在地面激振，在孔中接收，但该方法测试深度受限，测试精度较低，振波易受地表噪声等外来因素的干扰而使波形识别困难.悬挂式测井仪是将振源和检波器同时放入井孔中，在孔中激发，孔中接收(XG—Ⅰ型悬挂式波速测井仪使用说明书).摆脱了笨重的地面敲击震源，实现了波速测井设备的轻便化、智能化.它可同时记录振波图.因此它现在被广泛使用.但到现在为止，无论是抗震规范(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010), 还是测试研究(张磊等，2006), 除了测定速度并用其研究岩土性质(高印立等，1998；夏唐代等，2004)和判定场地类别(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010)外，很少研究波形特征变化，涉及这种变化的应用研究就更少.而这在其他领域则多有研究：如许昭永等就利用高频震波特征判定桩孔孔底基岩的完整性(许昭永等，2003)；利用地震波传播特征进行油气勘探的研究更多如文献(董震和潘和平，2007；张延玲和肖高杰，2010)；波形分类技术在砂体预测中的应用也见诸文献(张帅等，2013；井涌泉等，2014；胡世丽等，2015)；地震全波形反演方法则在许多方面都有应用, 它已记录了振波图, 不研究应用其特征甚是可惜.比如钻井时常有塌孔，它必然影响到波速(王庆等，2015；孙思宇，2015)；等等.对单孔检层法由于其存在明显缺陷, 不作这种研究尚可理解, 但对悬挂式测井仪, 分析并应用测试结果更有意义.工程场地地震反应分析要用到土层(厚度)、剪切波速等，为达到最佳结果往往会调整速度分层.但其仅依据钻井土样进行速度分层(李小军等，2001；胡聿贤，2007).本文将研究并以实例说明如何以剪切波传播特征判断塌孔以及如何利用这些特征进行小地层合并和大地层再划分.
再是悬挂式测井仪检测方法并未对检测原理予以说明，容易引起误会——剪切波怎么能在水中传播呢？本文也将予以分析讨论.
1 测试仪器、方法和原理 1.1 测试仪器、方法本研究采用XG—Ⅰ型悬挂式波速测井仪.它是一套三通道高分辨率、数字化的测井仪器，具有分时采样，迭加、滤波、信号增强、抑制噪声以及现场实时计算，显示实测波形和测试结果等功能.悬挂式探头包括振源和检波器两部分，振源在上边，两个相距1 m的检波器在下边，振源与第一检波器相距1.5 m.其间安装有两个阻尼器.工作时将探头放入孔中，用孔中的泥浆液作为振源和检波器与井壁的耦合介质.振源为水平激振(垂直井壁)，激发产生的P波、S波沿井壁地层传播.本检测由两个相距1 m的S波检波器接收.在记录图中左(前)、右(后)两波列图分别为上、下两检波器的记录(如图 2).主机对信号进行数据处理，采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度.测试顺序自下而上或自上而下逐点进行，测点每次向上(或向下)平移0.5 m或1.0 m.为保证能测到深层土波速，检测一般从孔底开始，间距1 m，逐点向上测量.在测试开始时首先调节震源发射强度、频率，接受道增益等参数，一经选定在测试过程中就不再改动.接着，确定靠近底部测量的准确度，即反复下移、提升测试检波器，使前后两道的到时差最大且稳定后算完成第一道(最下一个测点)，以后逐点向上检测.最后是孔(井)口检测.由于震源与最下边检波器垂直距离为2.5 m以上，因此在深度1、2 m测点，震源须置于地面.由于震源为径向振动，因此需注意发射源摆放方式，并调整振动方向以保证剪切波的出现.此时走时差依然由前后两道到时差确定，但距离差则由震源到接受检波器的距离(两直角三角形之斜边)差决定.
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图 1 土层性质对波形特征的影响(典型图) Figure 1 The effect of stratums property on waveforms character (Schematics) |
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图 2 (a)玉溪某地100 m深钻孔剪切波测试波形记录图; (b)与图 2a对应的21~40 m各测点(段)的记录图; (c)与图 2a对应的81~100 m各测点(段)的记录图 Figure 2 (a)Testing wave in 100 m depth borehole for some in YUXI-area; (b)Testing wave correspond to Fig. 2a in 21~40 m depth borehole; (c)Testing wave correspond to Fig. 2a in 81~100 m depth borehole |
在悬挂式波速测井仪上市之初，不少人提出疑问，水不传播横(S)波，何以将检波器放在井孔的水中测量地层剪切波速度.经仔细分析波传播转换后可确认其是有道理的.由震源发出纵(P)波，经孔中的水(泥浆更好)入射到孔壁，此时一部分依然为纵波沿孔壁地层下行，而另一部分转换为Sv波沿孔壁地层下行.所谓Sv波，即质点振动方向在各传播路径组成的平面内，而Sh波质点振动方向与各传播路径组成的平面垂直.P波和Sv波可相互转换，因此悬挂式波速测井仪可测试孔壁地层剪切波速度.然而它却是Sv波速度.单孔检层法水平敲击，质点振动方向与各传播路径组成的平面垂直，因此它测出的是Sh波速度.地震学已观测到S波分裂现象(郑治真，1990)，即在介质力学性质或受力状态改变后，Sv波和Sh波速度会不相等.因此，悬挂式波速测井仪测得的Sv波速度和单孔检层法测得的Sh波速度并不总是相等，它们只在要求不太严格时才可认为是相等的.
1.2 分析原理和判定依据 1.2.1 分析原理剪切波在(岩)土层中传播, 波速大小受剪切模量控制，波形特征包括波幅、周期、吸收等受介质品质因子(衰减系数)控制(傅淑芳和刘宝诚，1991).岩土性质改变对震波传播特征影响的研究也较多(景立平等，2005).我们在此则反过来以剪切波波速和波形特征判断岩土性质.经过一定距离的传播，波幅衰减不同，对波的吸收成分不同，优势频率(周期)也不同.本来对振波作谱分析更好，而我们测试记录波形图非常清晰直观，因此就直接对波形记录图进行分析.
到目前为止，悬挂式波速测井仪所得记录图分四类，其典型图如图 1所示：
(a)左(前)右(后)两列波形图都正常.图 1a表明，当前后两道波的路径上土层都密实、坚硬时，波幅衰减较小，优势频率较高(周期较小, 起跳较陡)，走时差较小(波速较高).
(b)左列波形图正常、右列波形图异常.图 1b表明，当前道波的路径上土层密实、坚硬时，波幅衰减较小，优势频率较高，走时较小；后道波的路径上土层松散软弱，波幅衰减较大，优势频率较低(周期变大，起跳变缓)，走时较大，于是两道走时差变大，波速降低.
(c)右列波形图正常、左列波形图异常.图 1c与图 1b相反，前道波的路径上土层松散软弱，波幅衰减较大，优势频率较低(周期变大，起跳变缓)，走时较大；后道波的路径上土层密实、坚硬时，波幅衰减较小，优势频率较高，走时较小；于是两道走时差变小，波速变大.
(d)左右两列波形图都异常.图 1d则表明，前后两道波的路径上土层都松散软弱时，波幅衰减都较大，优势频率都较低(周期较大, 起跳较缓)，走时都较大，此时走时差受影响较小，波速变化不大.
综合四种情况，图 1a结果正常，图 1b、c会使波速结果畸变.图 1d周期变大，用波峰顶点确定到时误差将增大，这将影响测试结果的精度，准确度，但比图 1b、c所示又好得多.因此在遇到波速可能偏大或偏小时，需要查看原始波形记录图，并查看这种波速变化是土层类别性质变化还是塌孔所影响.
1.2.2 土层性质划分一般地，土层密实、坚硬，剪切模量大，波速较高，波幅衰减较小(少)，优势频率较高；而松散软弱土层，剪切模量小，波速较低，波幅衰减较大，优势频率较低(周期变大).由于本检测条件相同，因此，若某相邻几道波速(或左右两道走时差)相同(或相近)，波形特征一致(或相近)，则表明这几段土层性质相同(或相近)，于是可将其划为一层.比如其波形图如图 1a的几道可划为一层，如图 1d的几道可划为另一层.只是前者土层相对密实、坚硬；后者相对松散软弱.对小地层合并和大地层划分也依此办法进行.只是不同土性(如粘土和砂砾)的层界面埋深依然用钻孔资料确定.
1.2.3 塌孔引起的波形特征变化塌孔使得波传播路径上特别是接收检波器附近的部分土质变松软，从而使走时改变、波幅变小、优势周期变大.比如图 1b右图初至波(第一波谷)明显波幅变小，周期变大；图 1c左图初至波(第一波谷)明显波幅变小，周期变大.由于激发震源相同，两个接收检波器的波形记录相当于共炮点记录，因此某检波器接收的初至波畸变，其最大可能是检波器附近土性发生变化，而塌孔可使检波器到孔壁距离加大，于是加大了波幅的衰减和对高频成分的吸收.于是我们将依据检波器接收到的初至波畸变判断塌孔.
2 检测实例 2.1 实测波特征图 2a为玉溪某地100 m深钻孔剪切波测试波形记录图.由图 2a看出，在仪器记录参数相同时，井中各段波形图并不相同，总体上是上部振幅小，优势周期大；下部振幅大，优势周期小.同时如图 1所示的各种典型状况都有反应.为使这种特征显示更清晰，特别对21~40 m段和81~100 m段再作详细描述.
图 2b为21~40 m各测点(段)的记录图.其增益比图 2a大，使波形特征更清晰、明显.测试是从下向上，而对结果分析描述则从上到下.
(a)与图 1d类似，前后两列初至波都波幅小，周期大.由图看出，21~23 m 3个测点，这种图形特征明显.用初至或波峰测定的走时差或波速差异不大，但读数误差较大.24~26 m 3个测点，则波幅更小，优势周期变的更大.而且波形畸变，出现双峰，这将使走时差(确定)误差更大.
(b)与图 1c类似，前列波形有畸变，波峰偏右.而后列波较正常，致使走时差减小，波速偏大，如27 m处所示.
(c)与图 1a类似，前后两列波形都较规则.如28 m处及29~36 m 8个测点，前后两列波形都显示，初至、波峰都清晰，而且从下向上，到时逐步右移，而且后列波比前列右移的更多些.于是从29~36 m波速逐步增大，36 m处达最大.37 m处前后两列波形都较规则，只是前列左移的更多些，于是走时差偏大，波速变小.38~40 m 3个测点，无论前列波，还是后列其初至都很一致，但波峰到时差异甚大.于是依照波峰到时差确定的波速差异变大.
图 2c为81~100 m各测点(段)的记录图.其增益与图 2a相同.由图看出，波形特征清晰，但都有干扰.然而，它依然可显示某几道波形特征的相同或差异.从81 m到83 m，前列波左移，下边比上边更左一些.而后列波82 m处比其他两道左移的更多，于是，波速最大.从84 m到87 m，波形特征几乎完全相同.无论前列波，还是后列波其初至都很一致，波峰到时也很一致，其走时差异不大.从88 m到95 m，两列波形记录都有干扰，前列波峰到时不一致，后列波峰到时差异更明显.走时差为2.0±0.3 ms.但无论前列波，还是后列波其初至都很一致.走时差为1.5±0.1 ms.这将使以波峰走时差测定的波速差异明显，其偏差可能超过15%甚至20%.而以初至走时差测定的波速则相当一致.其偏差一般在10%以内.这也证明在有干扰时人工校正的必要性和可靠性.从96到100 m波形特征包括干扰都几乎完全相同.
2.2 实测结果分析 2.2.1 计算机自动分析结果图 3为仪器厂家所附程序自动处理得出的玉溪某地100 m深钻孔柱状地质图与剪切波速度测试结果，其波形图如图 2a所示.图 3左侧给出了各土层名称、层底埋深、层厚及工程地质柱状图；中部给出了剪切波速度随深度的变化，其中曲线为各测点波速随深度的变化，竖-平折线为土层平均波速随深度的变化.一般情况下此结果图直接可用，但往往有些特殊变化需对其进行调整改正.
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图 3 玉溪某地100 m深钻孔柱状地质图与剪切波测试结果图 Figure 3 The geologic histogram and velocity distribution in 100 m depth for some in YUXI-area |
比如干扰对波速的影响.如图 2c所示，96~100 m 5个测点，前后两道波形记录都有干扰，前道波峰到时不一致，后道波峰到时差异更明显.但无论前道，还是后道其初至都很一致.走时差为1.5±0.1 ms.因此其波速为666±44 m/s比较合理，与压实的砾砂性能相符.
再比如波形异变对波速的影响.如图 2a、b所示，21~23 m 3个测点，波幅偏小，优势周期变大.24~26 m 3个测点，则波幅更小，优势周期变的更大.而且波形畸变，出现双峰，这将使走时差(确定)的误差更大.如此等等.
2.2.2 塌孔分析判定塌孔可能使那段波速特别大或特别小.而且，相邻两道波形图显示为：上道右图初至波(第一波谷)明显波幅变小，周期变大(如图 1b)；下道则左图初至波(第一波谷)明显波幅变小，周期变大(图 1c).如图 2b之22、23道所示.而地质图显示，从21到25 m为砾砂层，所以22、23道波形特征为塌孔所致.另外，从图 3地质柱状图及波速判断，12层底、13层顶和14层底、15层顶及17层底、18层顶都为粘土与砾砂交界，也都有塌孔；因为这三处(63~64道，70~72道，85~86道)都有如22、23道波形特征.而且都是上道左列波初至靠前、右列波初至靠后；下道左列波初至靠后、右列波初至靠前现象.
2.2.3 波速分层厚度调整一般情况按钻孔提供的地质柱状图进行(土层)波速分层.然而按地质柱状图，有些土层很薄或较薄，各土层波速又较接近；而另一些土层又非常厚，同一土层的波速又有较大差异.于是对前者进行合并，对后者进行分割.图 3中部为计算机所得与柱状图一致的波速土层关系图.图 3右侧为将地层合并和再划分后的波速土层关系图，具体(从上到下)表述如下，地层编号、地质柱状图依然为图 3左侧所示：
1)1、2层合并.在图 2a上1~5道波形特征相当一致.波速为196 m/s，厚度4.7 m.
2)3、4粘土层重新划分.虽都为粘土，但波形特征相差甚远，6~13道相近，14~21道相近，但6~13道与14~21道却相差甚远.据此，将埋深4.7~13 m划为一层，波速为268 m/s，厚度8.3 m；埋深13~20.8 m划为另一层，波速为336 m/s，厚度7.8 m.
3)5~9层(埋深20.8~54.3 m)，各层层厚较合适(约4~8 m)，层间波形特征差异明显，分层及波速保持不变.
4)10、11和12层合并.这三层波速、波形特征相近可划为一层.该层厚度为8.1 m，波速为454 m/s.
5)13、14合并.同样，这两层波速、波形特征相近可划为一层.厚度为7.6 m，波速为476 m/s.
6)15~17层与5~9层类似，各层层厚较合适(约4~8 m)，层间波形特征差异明显，分层及波速保持不变.
7)18层砾砂分两层.85~90 m和91~95 m波形特征分别相近，但前6道与后5道有差异，因此将其分为两层.上层(84.1~90 m)波速504 m/s、厚度5.9 m；下层(90~96 m)波速565 m/s、厚度6 m.
8)19层.图 3显示，96~100 m波速为702 m/s, 而如前图 2c指出，由于存在明显干扰，此层速度应校正为666 m/s.
3 讨论和结论 3.1 塌孔判别及波速重新分层的意义 3.1.1 杂波干扰和塌孔对测试结果的影响通过对悬挂式测井仪检测原理、操作程序、检测实例的分析，认为其确实存在一些问题.但本仪器系统及操作方法简便，可以很快得出测试结果，可大致了解速度分布状况.结果也基本可用.然而《建筑抗震设计规范》(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010)要求依据剪切波速度划分土的类别，并进而划分场地类别.若所测速度值位于某一土类所对应的速度范围中间，即使存在20%以上的偏差，对土类的定性判定也影响不大.但若在判定标准上下边界附近，这种偏差就可能造成类别判定偏差.塌孔和各种干扰都可能造成速度偏差太大，必须复核、校正.于是提出对干扰的分析、校正方法.通过具体实例，证明方法的可行性.
3.1.2 波速重新分层工程地震分析建构场地模型时，我们以为场地土类分层并非越详细越好.就如检测实例所示，有些土层虽然名称不同，但波形特征相近、波速接近，这些可以合并；而另外一些土层虽名称相同，但波形特征不同、波速差异也较大，则需另外划层.对此，请相关人员注意.
3.2 测试需注意的问题首先，校验测试仪器，确保系统的工作状态正常.在测试开始首先调整各种参数，使波形起始清晰、振幅尽可能大但又未被限幅.参数一经确定后，一般在测试过程中不再改动.
再者，确认工作环境的干扰源并采取有效抗干扰或消减干扰的方法.并在测试中随时观测可能出现的异常，如波形畸变、讯号突然消失或增强等.
第三，由于地震安全性评价特别关注孔底附近基岩或高速层的存在，而此时测点距孔底较近，因此要特别注意此时两个接收探头是否垂直拉开，保证1 m间距不变.避免下边探头搁置孔底，从而使探头间距减小(小于1 m)，而误以为走时差减小从而使波速虚假升高.
第四，在计算机自动处理得出结果后，先粗略审查核实、判定，经与钻井地质柱状土样对比，对波速异常段，进行复核.包括土层性质变化、塌孔等.进行人机对话修正测试结果.
总之，悬挂式测井虽然有诸多优越性，但对一些问题也必须注意.只有这样才能使检测结果更可靠、合理，便于分析使用.
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