单孔与跨孔波速测试在工程中的应用

陈 哲,章中良,吴魁彬

(核工业南京工程勘察院,江苏 南京 210003)

单孔与跨孔波速测试在工程中的应用

陈 哲,章中良,吴魁彬

(核工业南京工程勘察院,江苏 南京 210003)

波速测试是一种快速、准确的原位测试技术。通过波速测试可获得岩土体的弹性波速,为工程设计提供较为准确的动力学参数。钻孔波速测试常用的方法为单孔检层法与跨孔平穿法。介绍了单孔法与跨孔法波速测试的工作原理、现场测试、数据处理和资料分析过程。结合工程实例说明了两种测试方法的区别及其在岩土工程勘察设计中的应用效果。

剪切波速度;压缩波速度;单孔检层法;跨孔法;岩土力学;江西九江

0 引言

波速测试是一种快速、准确的原位测试技术,它可以获得岩土体的纵波、横波速度,并根据波速计算动弹性模量、泊松比等动力学参数,为工程设计提供依据。核电厂单孔波速和跨孔波速测试主要为测试岩土体的弹性波速,计算岩土体动力参数,波速值是核电厂抗震设计的重要指标。不同测试方法,波在岩土体传播途径不一样,为了更加有利于合理选取场地岩土体特征波速值,通常采用单孔法和跨孔法对比的测试方法。

1 概 况

1.1 工程概况

江西彭泽核电厂的规划容量为 4台 AP1000核电机组,一次规划布置,分期实施。一期工程建设规模为 2台 AP1000核电机组,由中电投集团公司控股建设。厂址位于江西九江市彭泽县马垱镇境内的帽子山,北临长江,南靠太泊湖,东西均为山谷和沟壑,属内陆厂址。厂址距彭泽县城约 22km,距九江市约 80km,距南昌市约 170km。

为了研究和评价工程地质条件及岩石力学性质,为设计提供合理、准确的参数,需要测试工程区岩土体(不同岩性不同风化程度)的剪切波速度、压缩波速度。采用的方法为单孔检层法和跨孔法。

1.2 地层岩性

测试区主要地层按时代由新到老分别为：①第四系全新统 (Q4)的湖积层坡残积层第四系上更新统的冲湖积层、残积层②二叠系下统茅山组 (Pm)燧石灰岩和1栖霞组(P1q)含燧条带、结核灰岩和炭质沥青质灰岩;③石炭系上统船山组 (C2c)含藻团块灰岩黄龙组 (C2h)白云质灰岩、白云岩;④泥盆系上统五通组(D3w)细粒石英砂岩含砾石英砂岩、石英砂砾岩夹泥质粉砂岩;⑤志留系上统茅山组 (S3m)中细岩屑石英砂岩夹泥质粉砂岩薄层。

2 测试方法及技术

2.1 单孔检层法

2.1.1 工作原理 单孔检层法是在垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。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、压缩波的传播速度,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。

实测一般采用单孔地表激发孔中接收法,即地面激发弹性波,孔内由三分量传感器接收。当地面震源采用叩板时可正反向激发,并产生剪切波,利用剪切波震相差 180°的特性来识别剪切波的初至时间。

2.1.2 测试方法 记录仪器由井中三分量传感器和工程动测仪构成。叩板震源一般距所测孔口 2m～5m,平放 1块木板,测试孔应位于木板长轴的中垂线上。木板长 2m～3m,宽约 0.5m,厚 0.2m～0.3m,上压约 500kg～1 000kg的重物使木板与地面紧密接触。当分别水平敲击木板两端时,产生剪切波,垂直敲击木板时产生压缩波。三分量检波器置于井中某一深度,接收由震源产生的弹性波信号,并通过连接电缆传输到工程动测仪中记录并存储以备后期数据处理之用。图 1为单孔检层法测试示意图。

由于震源板离孔口有一定距离,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,计算公式如下：

式 (1)中,t′为压缩波或剪切波从震源到接收点经斜距校正后的时间 (s)(相当于波从孔口到接收点的时间);t为压缩波或剪切波从震源到接收点的时间(s);h为接收点距离孔口的垂直距离 (m);x为震源板中心与测试孔中心的距离(m)。

每一波速层的压缩波速度或剪切波速度按照下式计算,

式 (2)中,V为压缩波或剪切波速度 (m/s);ΔH为波速层厚度 (m);Δt为压缩波或剪切波到达波速层顶面和底面的时间差 (s)。

2.2 跨孔法

2.2.1 工作原理 跨孔法是在 2个或 3个垂直钻孔中进行波速测试的方法。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、压缩波的传播速度,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。

实测一般采用单孔激发,单孔或两个孔中接收法,孔内由三分量传感器接收。

2.2.2 测试方法 测试中采用水平同步方式,即激发点和接收点一般位于相同高程。为了减少或消除震源延时引起的测试误差,采用 3个钻孔直线排列,单孔激发,两孔接收。纵波激发采用超磁致伸缩震源,剪切波激发采用剪切波锤,接收采用井中三分量传感器。激发点和接收点之间的距离均根据钻孔测斜数据进行校正。图 2为跨孔法测试示意图。

波速计算公式如下：

式 (3)中,V为压缩波或剪切波速度;L1、L2为激发孔与 2个接收孔之间的距离 (经孔斜校正以后);t1、t2为波到达 2个接收孔的时间。

3 资料处理

根据实测获得的弹性波速VP和VS可以计算岩土体的动弹性力学参数,计算公式如下：

式 (4)、式 (5)、式 (6)中,VP为压缩波速度 (m/s);VS为剪切波速度 (m/s);ρ为介质质量密度 (g/cm3);μ为动泊松比;Ed为动弹性模量 (GPa);Gd为动剪切模量 (GPa)。

4 应用实例

在江西彭泽核电厂一期核岛区的测试中,采用了单孔检层法及跨孔法两种测试方法。其中在 1号核岛,跨孔波速测试取 ZK42与 ZK42-1之间的波速,单孔检层法取 ZK42的波速进行对比;2号核岛,跨孔波速测试取 ZK11与 ZK11-1之间的波速,单孔检层法取 ZK11的波速进行对比。单孔法与跨孔法波速曲线对比见图 3。通过对跨孔波速与单孔波速进行对比发现,单孔法测试得到的速度整体比跨孔法的速度低 8%～15%,单孔法波速曲线起伏比跨孔法大,在出现薄层互层的情况下,单孔法所测曲线能够出现较为明显的反映,而跨孔法反映不是很明显。

从信号的频谱分析可以看出,单孔法的频率比跨孔法低一些,根据弹性波传播理论可知,在相同的介质中,低频信号传播速度比高频信号慢一些,在其它地区的试验统计结果认为,单孔法比跨孔法波速结果低 5%～20%。单孔法是根据垂直方向相邻两个信号之间的时差来计算速度,而跨孔法是根据弹性波在两个钻孔之间的传播时差来计算,具有较强的平均效应,所以单孔法对于岩体中存在的缓倾角裂隙、薄层互层反映更为灵敏。但是,由于受裂隙等因素影响较小,跨孔法更能够较为准确地提供岩体的整体波速。

图3 单孔与跨孔波速曲线对比图

5 结 语

单孔法与跨孔法波速测试在实际应用中各有优缺点。从测试结果得到如下结论。

①单孔法测试得到的速度整体比跨孔法的速度低 8%～15%;②单孔法波速曲线起伏比跨孔法大,能够反映岩体裂隙发育程度、薄层互层等地质现象;③跨孔法能够较为准确低反映岩体的平均波速。

单孔法与跨孔法波速测试均可得到较好的效果,在应用中应根据不同需要进行方法的选择。

[1]楼国长,楼陈朔,孙红心,等,综合方法在原位土跨孔波速测试中的应用效果 [J].地质装备,2007,8(2)：25-28.

[2]袁飞,魏志宏.单孔检层法波速测试在工程勘察中的应用[J].黑龙江交通科技,2009(10)：34-34,36.

[3]GB/T 50269—1997,地基动力特征测试规范[S].

[4]蔡力挺,韩玉庆.波速测试在工程勘察中的应用效果[J].山东国土资源,2008(8)：81-84.

[5]熊治江.跨孔法波速测试在建筑工程中的应用[J].山西建筑,2009,35(24)：132-133.

Application of single-hole and inter-hole velocity test in engineering construction

CHEN Zhe,ZHANG Zhong-liang,W U Kui-bin

(Nanjing Engineering Exploration Institute ofNuclear Industry,Nanjing 210003,China)

Velocity testwas a kind of fast and accurate in-situ testing technology and elastic wave velocity of the rock mass could be obtained by velocity testing and provided correct dynamic parameters for engineering design.The nor malmethod of drilling hole velocity test included single-hole and inter-hole layer detections.The principles,site test,data processing,and data analysis of the two methodswere depicted in the text,and their application effectwas also presented in combination with a case explanation.

Shearwave velocity;Compression wave velocity;Single-hole layer detection;Inter-hole method;Geotechnical mechanics;Jiujiang,Jiangxi

TU459

A

1674-3636(2010)02-0192-04

2009-12-25;

2010-03-05;编辑：侯鹏飞

陈哲(1971—),男,工程师,主要从事岩土工程勘察工作.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.192