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波速測(cè)試是一種快速、準(zhǔn)確的原位測(cè)試技術(shù),它可以獲得巖土體的縱波、橫波速度,并根據(jù)波速計(jì)算動(dòng)彈性模量、泊松比等動(dòng)力學(xué)參數(shù),為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
鉆孔波速測(cè)試常用的方法為:單孔檢層法與跨孔平穿法。
不同測(cè)試方法,波在巖土體傳播途徑不一樣,為了更加有利于合理選取場(chǎng)地巖土體特征波速值,通常采用單孔法和跨孔法對(duì)比的測(cè)試方法。
單孔波速測(cè)試
單孔波速測(cè)試示意圖
記錄儀器由井中三分量傳感器和地震儀構(gòu)成。
叩板震源一般距所測(cè)孔口2m~5m,平放1塊木板,測(cè)試孔應(yīng)位于木板長(zhǎng)軸的中垂線上。木板長(zhǎng)2m~3m,寬約0.5m,厚0.2m~0.3m,上壓約500kg~1000kg的重物使木板與地面緊密接觸。當(dāng)分別水平敲擊木板兩端時(shí),產(chǎn)生剪切波,垂直敲擊木板時(shí)產(chǎn)生壓縮波。三分量檢波器置于井中某一深度,接收由震源產(chǎn)生的彈性波信號(hào),并通過連接電纜傳輸?shù)焦こ虅?dòng)測(cè)儀中記錄并存儲(chǔ)以備后期數(shù)據(jù)處理之用。
單孔波速測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成與地上S波激發(fā)源
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一般按照以下流程進(jìn)行
STEP1
將井中三分量檢波器放下至預(yù)定的深度,氣囊充氣或打開支架使探頭貼緊井壁,從而準(zhǔn)確記錄記錄P波和S波;
STEP2
將叩板置于靠近井口位置并使用重物壓緊,用于激發(fā)S波和P波;
STEP3
重錘垂直敲擊叩板產(chǎn)生P波,記錄P波走時(shí);
STEP4
錘擊叩板一側(cè),產(chǎn)生S波,探頭在相同深度接收信號(hào)并記錄走時(shí),然后改變震源方向的極性,即錘擊另一側(cè)并記錄;
STEP5
檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格,無(wú)問題則松開檢波器并移至下一個(gè)深度。在需要的深度間隔重復(fù)此流程,直到獲得一套完整的測(cè)量數(shù)據(jù)。
波速計(jì)算
單孔波速測(cè)試數(shù)據(jù)要素
由于震源板離孔口有一定距離,所以計(jì)算測(cè)段內(nèi)地層波速時(shí)需將彈性波的非縱測(cè)線旅行時(shí),計(jì)算公式如下:
t'為壓縮波或剪切波從震源到接收點(diǎn)經(jīng)斜距校正后的時(shí)間(s)(相當(dāng)于波從孔口到接收點(diǎn)的時(shí)間);
t為壓縮波或剪切波從震源到接收點(diǎn)的時(shí)間(s);
x為接收點(diǎn)距離孔口的垂直距離(m);
h為震源板ZX與測(cè)試孔ZX的距離(m)。
每一波速層的壓縮波速度或剪切波速度按照下式計(jì)算:
V為壓縮波或剪切波速度(m/s);
△H 為波速層厚度(m);
△t為壓縮波或剪切波到達(dá)波速層頂面和底面的時(shí)間差(s)
推薦設(shè)備配置
單孔波速測(cè)試系統(tǒng)(100m以內(nèi))
針對(duì)深度小于100m的勘測(cè)工作;
井中接收設(shè)備可根據(jù)需求選擇一種或多種;
可運(yùn)行在常規(guī)地震儀上,兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及國(guó)產(chǎn)地震儀;
推薦波速測(cè)試應(yīng)用軟件為:ReflexW 2D,Seismik Cross以及驕佳PS Log。
01
地面震源
大錘
大錘用于在地面激發(fā)生成地震波(P 波或S波)。錘柄上綁定有一個(gè)壓電觸發(fā)單元,可輸出壓電信號(hào),進(jìn)而被一個(gè)小盒子轉(zhuǎn)換為TTL脈沖,向地震儀提供精確的觸發(fā)信號(hào)。對(duì)于深度在100米以內(nèi)的淺層VSP勘探,大錘是合適的震源。
長(zhǎng)度: 1000 mm
重量: 5 kg。
02
井中接收設(shè)備
BGK5井中檢波器
傳感器自然頻率: 10 Hz (其它頻率可定制)
傳感器排列: 4個(gè)水平(45°)/1個(gè)垂直
可操作深度: ZD100 m
探頭長(zhǎng)度: 600 mm
探頭直徑: 51 mm
探頭重量: 2.8 kg
電纜重量: 145 g每米
電纜可承受拉力: 2150 N
適用孔徑: 75 mm (若使用墊圈則可更大)
耦合裝置: 可膨脹氣囊
深度標(biāo)記: 電纜上每2米
接頭: 適配地震儀
存放: 絞于絞盤
BGK3/7井中檢波器
傳感器排列: 三軸 (BGK3) 或 6 水平 (30°)/1 垂直 (BGK7)
探頭長(zhǎng)度: 705 mm
探頭直徑: 50 mm
探頭重量: 3 kg
耦合機(jī)制: 充氣氣囊
定向: 磁性羅盤 (+/-2.5°)
DDS 雙探頭接收系統(tǒng)
傳感器自然頻率: 28 Hz(其它頻率可定制)
傳感器排列: 三軸
可操作深度: 100 m
檢波器數(shù)量: 2
檢波器間隔: 2 m
檢波器長(zhǎng)度: 620 mm
檢波器直徑: 65 mm
檢波器重量: 2.5 kg
適用孔徑: 75 mm
單孔波速測(cè)試系統(tǒng)(2000m)
傳感器自然頻率: 15 Hz
(其它頻率可定制)
電源供應(yīng): 12 V 輸入 72 V 輸出
可操作深度: ZD 2000 m
ZD可承受壓強(qiáng): 200 bar
溫度范圍: 0-70 °C
探頭長(zhǎng)度: 800 mm
探頭直徑: 60 mm
探頭重量: 8 kg
適用孔徑: 75-200 mm
耦合機(jī)制: 電動(dòng)機(jī)械臂
定向: 磁性羅盤 (+/- 2.5°)
通訊: 2 wire RS-485
井下電子單元: DSP = Blackfin 548,64 MB SDRAM
電纜終端: GO-4
A/D 轉(zhuǎn)換: 24 bit
采樣頻率: 250-48000 Hz
道長(zhǎng)度: Max. 21 s
觸發(fā)方式: TTL, 檢波器, 觸點(diǎn)
軟件: SmartRec (Geotomographie)
地震儀、軟件及擴(kuò)展
BGK1000是用于在干井或充水井中接收P波和S波的數(shù)字式井中檢波器;按照設(shè)計(jì),該井下檢波器應(yīng)配合裝備有4芯電纜和Gearhart Owen電纜終端的絞車方可有效工作。檢波器與井壁為機(jī)械耦合(電動(dòng)機(jī)械臂)。傳感器在井中的定向可由磁性羅盤獲得。采集軟件將地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為SEG2格式;該系統(tǒng)不需要地震儀;
推薦波速測(cè)試應(yīng)用軟件為:ReflexW 2D,Seismik Cross以及驕佳PS Log;
建議搭配DevProbe1井孔測(cè)斜探頭,對(duì)震源和檢波器進(jìn)行精確定位,進(jìn)一步提高觀測(cè)精度;
跨孔波速測(cè)試
跨孔波速測(cè)試一般采用單孔激發(fā),單孔或兩個(gè)孔中接收法,孔中由三分量傳感器接收,采用水平同步方式,即激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)一般位于相同高程,激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離均根據(jù)鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
跨孔波速測(cè)試示意圖
實(shí)際工作中,為了減少或消除震源延時(shí)引起的測(cè)試誤差,常采用3個(gè)鉆孔直線排列,單孔激發(fā),兩孔接收的方法。
三孔波速測(cè)試示意圖
跨孔波速測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成
將井中震源下放至預(yù)定深度,并打開推靠機(jī)構(gòu)使之緊貼孔壁,將三分量檢波器下放至另一個(gè)井的相同深度并貼緊孔壁;
在地表的指令下激發(fā)震源,記錄P波和S波走時(shí)。BIS-SH震源每次放炮同時(shí)產(chǎn)生P波和S波;
檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)誤后存儲(chǔ)。松開震源,旋轉(zhuǎn)180度后再次貼緊井壁(改變SH震源的極性方向)。井中檢波器保持夾緊在相同位置。反向放炮并再次存儲(chǔ)數(shù)據(jù);
一旦完成該深度的數(shù)據(jù)采集,移動(dòng)檢波器和震源到新的深度,并重復(fù)該過程;
在需要的深度間隔重復(fù)此流程,直到獲得一套完整的測(cè)量數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下
雙孔波速測(cè)試
V為P波或S波波速,L為激發(fā)孔與接收孔間的距離(經(jīng)孔斜校正后),t為P波或S波在孔間傳播時(shí)間。
三孔波速測(cè)試
V為P波或S波波速,L1,L2分別為激發(fā)孔與兩個(gè)接收孔間的距離(經(jīng)孔斜校正后),t1,t2分別為P波或S波在到達(dá)兩個(gè)接收孔的時(shí)間。
土動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算
其中,μ為動(dòng)泊松比,Ed為動(dòng)彈性模量(GPa),Gd為動(dòng)剪切模量(GPa)。
跨孔波速測(cè)試系統(tǒng)(60m以內(nèi))
震源供能設(shè)備
IPG800脈沖發(fā)生器+RCU
激發(fā)電壓: 800 V
激發(fā)能量: 10kJ
電源供應(yīng): 2 x 12 V (汽車電池)
脈沖釋放方式: 單脈沖或連續(xù) (5/10 shots)
重復(fù)率: 10 s
尺寸: 53 x 43 x 23 cm
重量: 15 kg
特性: 脈沖計(jì)數(shù), 測(cè)試信號(hào),緊急關(guān)閉按鈕
RCU: 啟動(dòng)/停止工作, 輸出觸發(fā)信號(hào),緊急關(guān)閉按鈕
井中震源
BIS-SH-DS型S波震源
生成的地震波類型: SH/P
信號(hào)頻率: ZD 4 kHz
(與地質(zhì)情況和孔間距有關(guān))
可操作深度: Z深 60 m
探頭長(zhǎng)度: 880 mm
探頭直徑: 65 mm
探頭重量: 8.5 kg
電纜重量: 665 g每米
適用孔徑: 75-100 mm(若使用墊圈則更大)
耦合裝置: 充氣氣囊
定向裝置: 剛性抗扭管
接頭: 接脈沖發(fā)生器 IPG800
03
04
該跨孔波速測(cè)試系統(tǒng)探測(cè)深度在為近地表至60m,兼顧了探測(cè)精度和使用成本,具有良好的便攜性和性價(jià)比。
建議搭配DevProbe1井孔測(cè)斜探頭,對(duì)震源和檢波器進(jìn)行精確定位,進(jìn)一步提高觀測(cè)精度。
跨孔波速測(cè)試系統(tǒng)(大于60m)
IPG5000脈沖發(fā)生器+RCU
激發(fā)電壓: 5000 V
激發(fā)能量: 20-30kJ
電源供應(yīng): 230 V/110 V
脈沖釋放: 單次或連續(xù)
重復(fù)率: 8 s (或在3 - 8 s間自由選擇)
尺寸: 52 x 32 x 53 cm
重量: 60 kg
特性:脈沖計(jì)數(shù),觸發(fā)測(cè)試,緊急 關(guān)閉按鈕,內(nèi)/外操作模式
RCU: 單次或連續(xù)脈沖釋放,脈沖計(jì)數(shù),觸發(fā)測(cè)試,觸發(fā)輸出,緊急關(guān)閉按鈕
該跨孔波速測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)深度大于60m的地下結(jié)構(gòu)勘查;
可額外配置MBAS-D數(shù)字式多站井中采集系統(tǒng),系統(tǒng)可同時(shí)擁有S波地震層析成像和跨孔波速測(cè)試兩種功能。
P波跨孔地震層析成像系統(tǒng)(IPG跨孔地震成像系統(tǒng))
SBS42型P波震源
生成的地震波類型: P波
信號(hào)頻率:ZD5 kHz(視地質(zhì)情況和孔距而定)
可操作深度: ZD400 m
探頭長(zhǎng)度: 645 mm
探頭直徑: 45 mm
探頭重量: 3.8 kg
電纜重量: 206 g每米
電纜可承受拉力 3400 N
適用孔徑: Z小 50 mm
耦合裝置: 不需要
接頭: 連接至至脈沖發(fā)生器 IPG5000
存放:絞于絞盤
BHC4水聽器鏈
傳感器: SQ54 或AQ2000
頻率響應(yīng): 從1 到 10.000 Hz 的平坦響應(yīng)
前置放大: 4 或 10 倍
電源供應(yīng): 5號(hào)電池(電池盒放置在地表)
可操作深度 深達(dá) 500 m
水聽器數(shù)量: 24
(其它數(shù)量可定制)
水聽器間隔: 1 m (其它間隔可定制)
水聽器直徑: 38 mm
電纜重量: 200 g每米
可承受拉力: 4700 N
適用孔徑: Z小. 50 mm
深度標(biāo)記: 電纜上每 2 m
插頭: 適用任何地震儀
該P(yáng)波地震層析成像系統(tǒng)探測(cè)深度可達(dá)200m,可運(yùn)行在常規(guī)地震儀上,兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及國(guó)產(chǎn)地震儀;
推薦跨孔成像應(yīng)用軟件為:GEOTOM CG和Geogiga XW TOMO;
S波跨孔地震層析成像系統(tǒng)
BIS-SH型S波震源
可操作深度: Z深100 m
接頭: 接脈沖發(fā)生器 IPG5000
MBAS-D數(shù)字式多站井中采集系統(tǒng)
傳感器自然頻率: 10 Hz
傳感器方向: 三軸
可操作深度: 深達(dá)100 m
ZD站臺(tái)數(shù)量: 10
檢波器間隔: 1 or 2 m
檢波器長(zhǎng)度: 735 mm
電纜長(zhǎng)度 460 g每米
定向: 剛性抗扭管
存放:絞盤和儀器箱
供電: PC USB 端口
采樣頻率: 256-32768 Hz
記錄長(zhǎng)度: ZD4 s
觸發(fā): TTL, 檢波器
軟件: Soilspy (Micromed)
該S波地震層析成像系統(tǒng)采用數(shù)字化井中采集設(shè)備,檢波器鏈直接與電腦連接,采用Soilspy軟件控制,無(wú)需地震儀;
可額外配置BGK3/7井中檢波器,系統(tǒng)可同時(shí)擁有S波地震層析成像和跨孔波速測(cè)試兩種功能。
性能對(duì)比
單孔與跨孔波速曲線對(duì)比圖
1-單孔縱波速度 2-單孔橫波速度 3-跨孔縱波速度 4-跨孔橫波速度
從波速曲線整體分析可知,單孔法測(cè)試得到的速度整體比跨孔法的速度低8%~15% ,單孔法波速曲線起伏比跨孔法大,在出現(xiàn)薄層互層的情況下,單孔法所測(cè)曲線能夠出現(xiàn)較為明顯的反映,而跨孔法反映不是很明顯。
從信號(hào)的頻譜分析可以看出,單孔法的頻率比跨孔法低一些,根據(jù)彈性波傳播理論可知,在相同的介質(zhì)中,低頻信號(hào)傳播速度比高頻信號(hào)慢一些。
在其它地區(qū)的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果認(rèn)為,單孔法比跨孔法波速結(jié)果低5%~20%。單孔法是根據(jù)垂直方向相鄰兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)差來(lái)計(jì)算速度,而跨孔法是根據(jù)彈性波在兩個(gè)鉆孔之間的傳播時(shí)差來(lái)計(jì)算,具有較強(qiáng)的平均效應(yīng),所以單孔法對(duì)于巖體中存在的緩傾角裂隙、薄層互層反映更為靈敏。但是,由于受裂隙等因素影響較小,跨孔法更能夠較為準(zhǔn)確地提供巖體的整體波速。
總結(jié)
單孔法與跨孔法波速測(cè)試在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。從測(cè)試結(jié)果得到如下結(jié)論。
單孔法測(cè)試得到的速度整體比跨孔法的速度低8% ~15%;
單孔法波速曲線起伏比跨孔法大,能夠反映巖體裂隙發(fā)育程度、薄層互層等地質(zhì)現(xiàn)象;
跨孔法能夠較為準(zhǔn)確反映巖體的平均波速。
單孔法與跨孔法波速測(cè)試均可得到較好的效果,在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同需要進(jìn)行方法的選擇。
參考文獻(xiàn)
陳哲,章中良,吳魁彬,單孔與跨孔波速測(cè)試在工程中的應(yīng)用[J],地質(zhì)學(xué)刊,2010,34(2),192-195
董樹巍,劉偉強(qiáng),波速測(cè)試在巖土工程勘察中的應(yīng)用[J],工程技術(shù),2009,357-358
胡龍勝,覃繼,跨孔波速測(cè)試技術(shù)在沉積地層中的應(yīng)用[J],水運(yùn)工程,2013(7),114-117
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