PS測井與懸掛式剪切波測井對比思考

■張舟

（廊坊市中鐵物探勘察有限公司河北廊坊065000）

PS測井與懸掛式剪切波測井對比思考

■張舟

（廊坊市中鐵物探勘察有限公司河北廊坊065000）

闡述2種剪切波速測試方法及原理，分析各種方法的優勢和存在的問題及施工過程中注意的事項，總結造成測試結果差異性的原因。

PS測井懸掛式剪切波測井應用實例

1 PS測井

1.1 PS測試方法原理

PS測試常用木質平板作為激發震源，將一塊彈性好的木板，放在平整的地面上，上面壓上重物（不少于500kg），使木板與地面緊密接觸，然后敲擊木板兩側，這樣木板就給地面一個水平沖擊力，激起土層的剪切振動，利用剪切波相位相反的特性識別初至時間，根據測試點深度值計算各個點位的波速。

圖1 實測波速形

波在地下的傳播并非直線而是折線,如果按照折線考慮,計算方法很復雜,當板孔距L較小時,可簡化按下式計算:

式中:Z1為測點1的深度;Z2為測點2的深度;t1為波到達測點1的時間;t2為波到達測點2的時間。

1.2 PS波測試施工要求

①震源裝置要求:激震木板的一般尺寸2.0m*0.4m*0.1m;激震板的錘擊面加裝鋼板，減少觸發延時；觸發裝置采用電觸發方式，基本消除非正常的時差。

②激震板中垂線通過鉆孔，中心距離合適2-5m，目的是為了縱橫波的分離和避免折射波的干擾。

③板與地面鋪設一層沙土，配重不少于500kg。增大板與地面的摩擦，更容易激發出穩定的，極性相反的S波。

④P波的測試，采用錘擊金屬板，金屬板距孔口距離1-3m。

⑤測試前，清洗鉆孔，降低泥漿濃度。

1.3 PS測井存在的問題

①操作復雜，設備笨重。

②激振點離孔口有一定距離，波在地下的傳播并非直線而是折線,所以得到的數值與實際是有一定誤差。

③測試深度很淺時，S波里往往疊加縱波和面波，導致S波初至模糊、難以判讀。

④測試淺部數據，下臥土層波速高于覆蓋土層且激振點離孔口較遠時剪切波的入射角超過臨界角時會產生折射波，先于直達波或透射波到達檢波器造成初至波到時誤差。

圖2 PS測井幾何觀測系統

⑤測試時測繩的擺動或者地面震動沿測繩電纜線傳至檢波器的震動等都會影響測試結果，抗外界干擾能力較弱。

⑥地表枕木激發震源，測試深度有限。人工震源一般測試深度不超過60m。

2 懸掛式剪切波測井

2.1 懸掛式波速測井方法原理

懸掛式波速測井儀主要由主機，井中懸掛式探頭及連接電纜等組成。井中懸掛式探頭，由全密封(防水)電磁式激振源，2個獨立的全密封檢波器及高強度連接軟管等組成。當震源向井壁作用一沖擊力后，沿井壁地層就有P波和S波傳播，在井孔震源下方懸掛有2個檢波器，S波傳播到檢波器位置時，通過井液耦合檢波器就可以把S波振動波形轉換成電信號，由記錄儀器記錄下來。由2道S波的初至時間差可計算出2道間地層的波速值。

Vs=ΔH/Δt,式中ΔH懸掛式探頭中檢波器1#、2#間距；Δt檢波器1#、2#初至時間差。

2.2 懸掛式波速測井施工要求

①電磁激震裝置：測試工作時，需用清水沖洗或抹布擦拭激震部位，由于采用了電磁激震裝置，探頭激震時產生的電磁場會將鐵屑吸引到激震部位，影響激震效果，表現為信號振幅減小。

②測試前，清洗鉆孔，中和泥漿濃度。

2.3 懸掛式剪切波測井存在的問題

①探頭結構決定鉆孔淺部2-3m數據無法獲取;鉆孔底部,由于連接探頭的軟管彎曲，測得的數據不準確。

②接收檢波器通過泥漿耦合接收S波，導致2個檢波器測得的信號存在延時，時間差是不準確。

③探頭結構的限制，無法測取縱波。不能利用Vp Vs這兩個最基本的相互獨立的參數，計算出下述一系列的巖石物性參數（泊松比、剪切模量）。

3 客觀因素的影響分析（擴徑/縮徑，孔斜，泥漿，套管等）

3.1 擴孔/縮孔

擴孔/縮孔在合理范圍內，對PS測井基本無影響，PS測井探頭一般采用氣囊、支臂等方式貼壁。懸掛式探頭遇到擴孔/縮孔時，會導致接收檢波器在孔中接收S波初至時間相對滯后/超前。在有塌孔現象存在，采集的初至時間差誤差會更大。此外，由于S波振幅在泥漿中衰減過大，甚至無法采集到有效波。

3.2 孔斜

PS測井和懸掛式剪切波速測井的波速計算公式，都是依據豎直孔鉆孔模型推算的。斜孔測試結果均需要進行斜距的矯正。

3.3 泥漿

泥漿屬于切變模量不為零的粘滯性流體，對剪切波具有一定的傳導效應。

①PS測井：不需要泥漿的耦合進行測式。探頭與孔壁的間距幾乎為零，即使在未能貼壁的情況下，間距20mm。相對P?S波的傳播路徑，對初至時間的影響微乎其微。

②懸掛式剪切波測井：需要泥漿的耦合進行測試，探頭懸于鉆孔中，探頭與孔壁的間距相對P?S波的傳播路徑無法忽視。泥漿沉淀,地下水徑流，均會引起泥漿密度不均勻，導致時差的差異性變化大。

3.4 套管

①PS測井：容易塌孔的土層中放置套管，地表激發會形成管波，沿套管向下傳播。套管的波速比土層介質波速快，在套管與土層耦合的夠好情況下，PS測井仍能夠區分S波的初至。

②懸掛式剪切波測井：電磁激震源面對剛性套管很難激發出P?S波，此外，P波、S波在2m的距離內很難分離出來。

4 應用實例

（1）本次測試工作的目的是查明典型工點場地類別。嚴格按照中鐵工程設計咨詢集團有限公司鉆孔剪切波速測試任務書進行施工。測試時，探頭均下到了規范要求的25m計算深度以下，測點沿孔壁間距1.0m。測試結果如下圖。

圖4 懸掛式波速測試波形序列

圖5 懸掛式波速測試成果

依據《鐵路工程抗震設計規范》（2009版）（GB50111-2006），結合該工程現場鉆探和場地2DZ-DH-87孔波速測試結果，綜合判定：場地自然地表下25米范圍內等效剪切波速Vse為230（m/s），場地土類型屬中硬土，故此類場地類別為Ⅲ類。

（2）依據地質專業要求，東王站的剪切波測試工作，鉆孔編號：14-ZXSZ3X-18。測試結果如下圖：

圖6 PS測井測試波形序列

圖7 PS測井測試成果圖

依據中華人民共和國國家標準《城市軌道交通結構抗震設計規范》GB50909-2014，計算0-20m范圍等效剪切波速為282.7m/s。覆蓋層厚度大于50米，場地類別為II類。詳見建筑工程場地類別及場地土類型劃分表。依據《鐵路工程抗震設計規范》GB50111-2006，計算0-25m范圍等效剪切波速為305.3m/s，場地類別為II類，場地土分類詳見鐵路工程場地類別及場地土類型劃分表。

P624[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-176-2