剪切波速測量中地面木板敲擊方法和懸掛式井中測試方法的結果比較

高云峰，李惠玲，趙向佳

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

土層的剪切波速是反映土體動力特性的重要參數［1］。目前，單孔剪切波速測量中，常用的兩種方法是地面木板敲擊和懸掛式井方法。但對于類似的場地，不同的方法所得到的測試結果有時似乎存在一定的差異。為此，選取山西地區不同地質條件下的5個地震鉆孔，分別采用兩種方法對同一鉆孔進行測試，并對結果進行比較和分析，以期深入了解這兩種測試方法在什么情況下結果比較相近，什么情況下存在較大的差異及與場地條件相關的方法適宜性。

1 兩種剪切波速測試方法的測試原理及施工特點簡介

（1）地面木板敲擊測試方法。

測試原理：將一塊彈性好的木板放在平整的地面上，上面壓上重物，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，激發土層的剪切振動，井中探頭檢測到剪切波信號，以波形圖的方式記錄下來，探頭每向上提升一段距離，即可得到探頭在該深度的波形圖，通過震相分析方法找到剪切波在各測試深度的到時，得到剪切波從激震源到各測試深度的走時，利用三角函數關系，根據波傳播的距離和走時，計算鉆孔內相鄰2個測點中間土層的平均波速。

該方法的優點是：對鉆孔的質量要求相對不高，只要探頭能貼緊孔壁就可測量。缺點是：設備較為笨重，施工不便；對探頭相鄰2次提升距離的精度要求較高；在含有卵石地層及需要測量基巖面以下地層剪切波速情況下，結果較差。

（2）懸掛式井中測試方法。

測試原理：激震源激發，向井壁作用一沖擊力后，沿井壁地層就有P波、S波分別向前和向下傳播，在震源下方懸掛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波信號記錄下來，傳輸到計算機，根據相鄰固定間距的兩道檢波器接收到的S波信號，通過互相關法，計算出兩道間地層的波速值。

該方法的優點是：擺脫笨重的地面敲擊振源，測試操作簡單；振源和檢波器同時放入井孔中，且2個檢波器間的距離固定，消除地面木板敲擊測試方法中，由于2次相鄰提升距離之間的不準確造成的測量誤差；現場直接計算并顯示波速值，工作效率高。缺點是：受鉆孔質量的影響較大。測量時，鉆孔中必須注滿水，漏水的鉆孔不能使用該方法；測試設備相對復雜，故障率也較高。

2 現場測試結果與分析

在研究中，選擇比較有特點的5個鉆孔進行測試和分析。

（1）1號孔的地層結構較簡單，主要由粉土、粉砂和粉質黏土組成，該孔深60m，孔徑為108mm，施工質量較好，無漏水、局部塌孔和縮徑的現象。

根據圖1所示的測試結果對比來看，兩種測試方法的結果總體相差不大，除去14～18m誤差較大的3組數據外，地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差平均為5.85%。

測試深度在14～18m誤差相對較大（14m為48.59%，16m為25.19%，18m 為28.57%），產生的部分原因可能是該段地面木板敲擊測試時，探頭提拉距離間隔不準確（要求間隔2m）造成的，其他原因有待進一步研究。

圖1 1號測點測試結果Fig.1 Measurement results at the No.1measuring point

（2）2號孔的地層結構較簡單，主要由粉土、細砂和粉質黏土組成，該孔深60m，孔徑為108mm，鉆孔施工質量較好，無漏水、局部塌孔和縮徑的現象。

根據第21頁圖2所示的測試結果對比來看，兩種測試方法的結果相差不大，地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差平均為7.05%。

（3）3號孔的地層由粉土、卵礫石、粉砂組成，該孔深60m，孔徑為108mm，鉆孔施工質量較好，無漏水、局部塌孔和縮徑的現象。

根據第21頁圖3所示的測試結果對比來看，兩種測試方法的結果在8m以上相差不大，自8m以下，地面木板敲擊測量數據變化起伏較大，相對懸掛式測井的誤差最大達到296.74%，除去8m以下數據，地面木板敲擊相對懸掛式測井的平均誤差為11.49%。

地面木板敲擊方法所測數據變化較大的可能原因是，地面敲擊的剪切波在到達卵石層時產生了散射現象，剪切波經過散射后，波的性質發生了變化。所以，地面敲擊方法不適合在含有卵石層的場地測量。

（4）4號孔的地層由雜填土、粗砂、中砂、細砂、粉質黏土、黏土組成，該孔深80m，孔徑為108mm，鉆孔施工質量一般，無漏水現象，10～18m可能有塌孔現象，68～72m可能有輕微縮徑的現象。

根據第22頁圖4所示的測試結果對比來看，懸掛式測井除去10～18m、68～72m誤差較大的數據外，兩種方法的測試結果相差不大，地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差平均為6.02%。

圖2 2號測點測試結果Fig.2 Measurement results at the No.2measuring point

圖3 3號測點測試結果Fig.3 Measurement results at the No.3measuring point

圖4 4號測點測試結果Fig.4 Measurement results at the No.4measuring point

該孔10～18m地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差較大（10m 為47.47%，12m 為618.92%，14m為1 853.33%，16m為337.50%，18m為241.10%），懸掛式測井的測量數據明顯偏小，可能是此段砂質地層較為松散，局部塌孔造成的；在68～72m地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差稍大（68m為20.17%，70m為25.25%，72m 為22.03%），懸掛式測井的測量數據略微偏大，可能是此段發生了縮徑現象造成的。因此，鉆孔有塌孔和縮徑的現象時，不適合用懸掛式測井法測量。

（5）5號孔的地層由細砂、粉質黏土、砂巖組成，該孔深30m，孔徑為108mm，鉆孔施工質量較好，無漏水、局部塌孔和縮徑的現象。

根據第23頁圖5所示的測試結果對比來看，地面木板敲擊方法在22m（基巖）以下無法得到數據，除此之外，兩種方法的測試結果相差不大，地面木板敲擊相對懸掛式測井的誤差平均為6.27%。

從地面木板敲擊方法的原理上看，地面木板敲擊方法在基巖以下無法得到數據的原因是，由于基巖面為強反射面，能量幾乎無法向下傳播；而懸掛式測井方法由于是孔中激發孔中接收，所以不存在此問題。因此，測量鉆孔內基巖以下地層的剪切波速，只能采用懸掛式測井方法，而不能采用地面木板敲擊方法。

3 結論

通過對5個鉆孔用地面木板敲擊和懸掛式測井兩種方法的測試數據比較，結果表明：

（1）鉆孔地層只含土、砂且施工質量較好的情況下，用兩種方法測量所測結果差異不大，一般相差在10%以內。

（2）鉆孔中有卵石層時，懸掛式測井方法的結果較為可靠，而地面木板敲擊方法的結果離散性很大，最大差約296.74%，明顯不合理。

（3）鉆孔質量較差，局部有輕微塌孔、縮徑的情況時，地面木板敲擊法不受影響，而懸掛式測井方法的結果則誤差較大。

（4）對于測量鉆孔內基巖以下地層的剪切波速，只能采用懸掛式測井方法。

圖5 5號測點測試結果Fig.5 Measurement results at the No.5measuring point

［1］李自紅.太原地區土動剪切模量和阻尼比幾種值的合理性比較［J］.山西地震，2006（1）：29－37，46.