單孔與跨孔波速測試在工程中的應用

陳 哲,章中良,吳魁彬

(核工業南京工程勘察院,江蘇 南京 210003)

單孔與跨孔波速測試在工程中的應用

陳 哲,章中良,吳魁彬

(核工業南京工程勘察院,江蘇 南京 210003)

波速測試是一種快速、準確的原位測試技術。通過波速測試可獲得巖土體的彈性波速,為工程設計提供較為準確的動力學參數。鉆孔波速測試常用的方法為單孔檢層法與跨孔平穿法。介紹了單孔法與跨孔法波速測試的工作原理、現場測試、數據處理和資料分析過程。結合工程實例說明了兩種測試方法的區別及其在巖土工程勘察設計中的應用效果。

剪切波速度;壓縮波速度;單孔檢層法;跨孔法;巖土力學;江西九江

0 引言

波速測試是一種快速、準確的原位測試技術,它可以獲得巖土體的縱波、橫波速度,并根據波速計算動彈性模量、泊松比等動力學參數,為工程設計提供依據。核電廠單孔波速和跨孔波速測試主要為測試巖土體的彈性波速,計算巖土體動力參數,波速值是核電廠抗震設計的重要指標。不同測試方法,波在巖土體傳播途徑不一樣,為了更加有利于合理選取場地巖土體特征波速值,通常采用單孔法和跨孔法對比的測試方法。

1 概 況

1.1 工程概況

江西彭澤核電廠的規劃容量為 4臺 AP1000核電機組,一次規劃布置,分期實施。一期工程建設規模為 2臺 AP1000核電機組,由中電投集團公司控股建設。廠址位于江西九江市彭澤縣馬垱鎮境內的帽子山,北臨長江,南靠太泊湖,東西均為山谷和溝壑,屬內陸廠址。廠址距彭澤縣城約 22km,距九江市約 80km,距南昌市約 170km。

為了研究和評價工程地質條件及巖石力學性質,為設計提供合理、準確的參數,需要測試工程區巖土體(不同巖性不同風化程度)的剪切波速度、壓縮波速度。采用的方法為單孔檢層法和跨孔法。

1.2 地層巖性

測試區主要地層按時代由新到老分別為：①第四系全新統 (Q4)的湖積層坡殘積層第四系上更新統的沖湖積層、殘積層②二疊系下統茅山組 (Pm)燧石灰巖和1棲霞組(P1q)含燧條帶、結核灰巖和炭質瀝青質灰巖;③石炭系上統船山組 (C2c)含藻團塊灰巖黃龍組 (C2h)白云質灰巖、白云巖;④泥盆系上統五通組(D3w)細粒石英砂巖含礫石英砂巖、石英砂礫巖夾泥質粉砂巖;⑤志留系上統茅山組 (S3m)中細巖屑石英砂巖夾泥質粉砂巖薄層。

2 測試方法及技術

2.1 單孔檢層法

2.1.1 工作原理 單孔檢層法是在垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。以巖 (土)體的彈性特征為基礎,通過測定不同巖 (土)層的剪切波、壓縮波的傳播速度,計算巖 (土)體的動彈性參數,據此判定巖 (土)體的工程性質,為工程設計提供可靠的科學依據。

實測一般采用單孔地表激發孔中接收法,即地面激發彈性波,孔內由三分量傳感器接收。當地面震源采用叩板時可正反向激發,并產生剪切波,利用剪切波震相差 180°的特性來識別剪切波的初至時間。

2.1.2 測試方法 記錄儀器由井中三分量傳感器和工程動測儀構成。叩板震源一般距所測孔口 2m～5m,平放 1塊木板,測試孔應位于木板長軸的中垂線上。木板長 2m～3m,寬約 0.5m,厚 0.2m～0.3m,上壓約 500kg～1 000kg的重物使木板與地面緊密接觸。當分別水平敲擊木板兩端時,產生剪切波,垂直敲擊木板時產生壓縮波。三分量檢波器置于井中某一深度,接收由震源產生的彈性波信號,并通過連接電纜傳輸到工程動測儀中記錄并存儲以備后期數據處理之用。圖 1為單孔檢層法測試示意圖。

由于震源板離孔口有一定距離,所以計算測段內地層波速時需將彈性波的非縱測線旅行時,計算公式如下：

式 (1)中,t′為壓縮波或剪切波從震源到接收點經斜距校正后的時間 (s)(相當于波從孔口到接收點的時間);t為壓縮波或剪切波從震源到接收點的時間(s);h為接收點距離孔口的垂直距離 (m);x為震源板中心與測試孔中心的距離(m)。

每一波速層的壓縮波速度或剪切波速度按照下式計算,

式 (2)中,V為壓縮波或剪切波速度 (m/s);ΔH為波速層厚度 (m);Δt為壓縮波或剪切波到達波速層頂面和底面的時間差 (s)。

2.2 跨孔法

2.2.1 工作原理 跨孔法是在 2個或 3個垂直鉆孔中進行波速測試的方法。以巖 (土)體的彈性特征為基礎,通過測定不同巖 (土)層的剪切波、壓縮波的傳播速度,計算巖 (土)體的動彈性參數,據此判定巖 (土)體的工程性質,為工程設計提供可靠的科學依據。

實測一般采用單孔激發,單孔或兩個孔中接收法,孔內由三分量傳感器接收。

2.2.2 測試方法 測試中采用水平同步方式,即激發點和接收點一般位于相同高程。為了減少或消除震源延時引起的測試誤差,采用 3個鉆孔直線排列,單孔激發,兩孔接收。縱波激發采用超磁致伸縮震源,剪切波激發采用剪切波錘,接收采用井中三分量傳感器。激發點和接收點之間的距離均根據鉆孔測斜數據進行校正。圖 2為跨孔法測試示意圖。

波速計算公式如下：

式 (3)中,V為壓縮波或剪切波速度;L1、L2為激發孔與 2個接收孔之間的距離 (經孔斜校正以后);t1、t2為波到達 2個接收孔的時間。

3 資料處理

根據實測獲得的彈性波速VP和VS可以計算巖土體的動彈性力學參數,計算公式如下：

式 (4)、式 (5)、式 (6)中,VP為壓縮波速度 (m/s);VS為剪切波速度 (m/s);ρ為介質質量密度 (g/cm3);μ為動泊松比;Ed為動彈性模量 (GPa);Gd為動剪切模量 (GPa)。

4 應用實例

在江西彭澤核電廠一期核島區的測試中,采用了單孔檢層法及跨孔法兩種測試方法。其中在 1號核島,跨孔波速測試取 ZK42與 ZK42-1之間的波速,單孔檢層法取 ZK42的波速進行對比;2號核島,跨孔波速測試取 ZK11與 ZK11-1之間的波速,單孔檢層法取 ZK11的波速進行對比。單孔法與跨孔法波速曲線對比見圖 3。通過對跨孔波速與單孔波速進行對比發現,單孔法測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,在出現薄層互層的情況下,單孔法所測曲線能夠出現較為明顯的反映,而跨孔法反映不是很明顯。

從信號的頻譜分析可以看出,單孔法的頻率比跨孔法低一些,根據彈性波傳播理論可知,在相同的介質中,低頻信號傳播速度比高頻信號慢一些,在其它地區的試驗統計結果認為,單孔法比跨孔法波速結果低 5%～20%。單孔法是根據垂直方向相鄰兩個信號之間的時差來計算速度,而跨孔法是根據彈性波在兩個鉆孔之間的傳播時差來計算,具有較強的平均效應,所以單孔法對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確地提供巖體的整體波速。

圖3 單孔與跨孔波速曲線對比圖

5 結 語

單孔法與跨孔法波速測試在實際應用中各有優缺點。從測試結果得到如下結論。

①單孔法測試得到的速度整體比跨孔法的速度低 8%～15%;②單孔法波速曲線起伏比跨孔法大,能夠反映巖體裂隙發育程度、薄層互層等地質現象;③跨孔法能夠較為準確低反映巖體的平均波速。

單孔法與跨孔法波速測試均可得到較好的效果,在應用中應根據不同需要進行方法的選擇。

[1]樓國長,樓陳朔,孫紅心,等,綜合方法在原位土跨孔波速測試中的應用效果 [J].地質裝備,2007,8(2)：25-28.

[2]袁飛,魏志宏.單孔檢層法波速測試在工程勘察中的應用[J].黑龍江交通科技,2009(10)：34-34,36.

[3]GB/T 50269—1997,地基動力特征測試規范[S].

[4]蔡力挺,韓玉慶.波速測試在工程勘察中的應用效果[J].山東國土資源,2008(8)：81-84.

[5]熊治江.跨孔法波速測試在建筑工程中的應用[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;編輯：侯鵬飛

陳哲(1971—),男,工程師,主要從事巖土工程勘察工作.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.192