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1、单孔剪切波现场测试及注意事项22020年4月19日文档仅供参考单孔剪切波现场测试及注意事项1 为什么要做单孔剪切波测试天然地基，常常不是单一的匀质土体，而是具有多层结构的非匀质土体，为了解地基土层的空间分层变化情况，提供与波速相关的岩土动力学参数、计算土层的剪切模量、了解地基的软弱地层、分析地基土的类型和建筑物场地类别，进行地震土的地震反应计算等，必须使用波速测井这种地球物理方法。2 单孔波速测试的原理当S波穿过地层时，她们遇到构造不连续界面时会发生折射或反射，并使其振动方面发生偏振。当发生偏振的S波的岩石颗粒仅在水平面中运动时，称为SH波。当岩石颗粒在岩波传播方向的竖直平面里运动时，这中S波
2、称为SV波。SH波 SHwave水平偏振横波。质点在垂直于入射平面的方向上振动的波叫水平偏振横波。SV波 SV-wave垂直偏振横波。质点在入射平面内且与传播方向垂直振动的波叫垂直偏振横波。利用直达波的原理，由振源产生的压缩波（又称P波）和剪切波（又称SH波），经过岩（土）体，被放置在孔中的三分量检波器接收，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。原位测定压缩波（P波）、剪切波（SH波）在岩（土）体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差。优点：直接对地层测试、结果相对精确且不需要任何场地（只要能成孔）。当地面振源激发产生剪切波信号时，剪切波信号便从震源发出穿过
3、地层介质，到达井下三分量探头，探头中的检波器，经过机电转换把地震的振动信号转换成电信号，经过电缆传送到波速测试仪，由测试仪器记录并显示剪切波波形。（1）.在测井工作中，井口、震源、测井探头三点构成了一个直角三角形。（2）.在测井过程中只要知道了两个测点Zi和Zi+1 的深度和剪切波的传播时间t1、t2,则Zi、Zi+1之间的深度之间地层介质的平均波速满足：3 剪切波测试现场注意事项3.1 钻孔测试剪切波的钻孔有一定的要求，主要如下：（a） 孔径的要求：按测井探头口径的需要，钻头一般经常使用5060mm、90105mm、110130mm,根据测井需要，钻孔直径应该比测井探头直径大35cm。（b）
4、 钻孔井壁的要求：井壁要求光滑，井径变化较小，上下一致。在松散和结构复杂的地层钻井，除了更换钻具外，钻进的速度也要适当控制以保证钻孔质量。井孔的倾斜要求不能超过5，否则测井资料的可靠程度大大降低。特别跨孔法，对钻孔的要求更严，否则误差较大。（c） 测井对钻孔时间的要求：一般测井的时间要求比较特殊，受到终孔时间的限制。一般来说，在钻机打完井后，马上对钻进进行扩孔、泥浆护壁等工作，这些工作完成后立即开始进行测井。打钻工作一般在白昼进行，在完工后24小时以内，应该完成波速测井的工作，为了防止周围环境和人文干扰，测井有时要在夜深人静时进行，特别受人文、交通干扰较大的地区，选择合适的时间测井也是一种很好
5、的防干扰措施。（d） 钻孔附近地面应尽可能平整：钻孔时应尽量减少孔壁土层扰动，待测孔钻到预定深度时，如地层软弱应立即下套管护壁，套管与孔壁间应灌浆和填砂法处理，以保持套管与孔壁间的紧密接触。（e） 关于使用各种套管的问题：测量有套管钻孔的剪切波速度，实践证明还是比较不容易的。尽管有的文献曾给出有套管钻孔的剪切波速度和无套管测量结果是一致的，但没有指出是如何测量，如何处理才能得到与没有套管时测井的一致的结果。3.2 对振源的要求剪切波振源应采用锤和上压重物的木板，压缩波振源宜采用锤和金属板。对木板激振源的一般尺寸要求：木板长约2.5米，宽约0.30.5米，厚约0.1米。受锤击的两头报上铁板；经过
6、敲击木板两侧，这样木板就给地面一个水平冲击力，激起土层的剪切振动。大锤的要求：8磅或10磅。3.3 传感器的要求一般为速度型检波器，有三个分量，一个垂直，两个水平。三个分量互相垂直，其中两个水平分量在一个平面内相互夹角为90。这样的夹角能够保证检波器放在孔中任意地方，总有一个检波器与剪切波信号的方向小于或等于45，以达到采集波形良好的效果。4 现场测量操作步骤1）. 了解钻孔情况 测试孔应垂直；钻孔附近地面应尽量可能平整，钻孔时应尽量较少孔壁土扰动，待测孔达到预定深度时，如地层软弱应下套管护壁，套管与孔壁间应用灌浆和填砂法处理。2）. 放置木板先挖地面，露出土层，将地面整理平整，铺上一层砂子，
7、再将木板放在平整的砂子上，上面压上重物，使木板与地面紧密接触。当剪切波振源采用锤击上压重物的木板时，木板的长向中垂线应对准测试孔中心，孔口与木板的距离宜为13m，板上所压重物宜大于400Kg。当压缩波振源采用锤击金属板时，金属板距孔口的距离宜为13m.木板的中垂线应经过孔口，用锤沿板纵轴从两个相反方向水平敲击板端，产生水平剪切波。木板现场放置如下：3）. 放置传感器当井中三分量检波器在孔内不同深度处接收剪切波时，应将其固定在孔壁上。当使用检波器做触发信号时，记时触发检波器应置于木板边中心。4）.仪器连接 按现场采集方式进行连接。5）.信号的采集a. 测点间距的选择测试时，应根据工程情况及地质分
8、层，每隔13m布置一个测点，并宜自下而上按预定深度进行测试；当有较薄夹层时，应适当调整，使得薄夹层时，应适当调整，使得薄夹层中至少布置两个测点。b. 剪切波测试时，传感器应设置在测试孔内预订深度处固定，沿木板纵轴方向分别打击其两端，可记录相位相反的两组剪切波波形；压缩波测试时，可锤击金属板，当激振能量不足时，可采用落锤或爆炸产生压缩波。6）.剪切波震相确认a.波形记录的现场识别 现场采集的波形一般由三部分组成：第一部分是从零时开始至直达波能量的到达，其信号除受外部干扰出现毛刺外，基本上是一条接近与直线的平稳段；第二部分是从波的第一个初至起到第二个初至止，此段属于P波段，振幅小，频率高；第三部分
9、是以S波为主的部分，振幅大，频率低。2）.波形的规律a. P波传播速度较S波传播速度快，P波为初至波；b. 振源板两端分别做水平激发时，S波相位反向，而P波相位不变；c检波器下孔一定深度后，P波波幅变小，频率变高，而S波幅度相对较大，频率相对较低。d. 最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。5 现场测试注意事项 为获得高质量的波形纪录，测试前应调整好仪器设备，保证各设备可靠连接。另外，现场要注意以下的问题。1. 作为振源的木板应选用弹性和韧性较好的木板，不宜用铁板或水泥板。木板锤击的两头可包上铁皮或用一块比木板截面稍大的铁板垫在木板两头以便多次使
10、用。2. 井孔应与木板长轴线垂直，即井孔到木板的距离相等，这是保证木板两面敲击后，剪切波恰好反向的一个基础。孔源距应是井孔到木板中心的垂直距离。3. 木板与表土层耦合的好坏直接关系波形采集的好坏。现场可在选定放木板的地方撒一层砂子，放上木板来回磨动，然后拿开木板，耦合好坏一目了然，在有空缺处再撒砂子，重复数次可达到最佳效果。4. 现场可将汽车直接压在木板上。无汽车可用重物。重物的重量应保证锤击时没有大的位移，另外重物应尽可能在木板上均匀分配。当重物质量有限时，在木板地面加带钢钉的铁板或木板打孔插钢筋。5. 测剪切波时，锤击力要尽量保证水平。锤击要干净利索，避免二次或多次击打。6. 每次放下或提
11、升换能器到一个新深度应保留十几秒后再测，这样可避免泥浆扰动干扰。7. 在换能器上要配接吃力拉绳。根据经验，最好是钢丝细绳，细钢丝绳伸缩性小，抗拉性强，不易缠绕。（探头带钢丝最好）8. 测有泥浆护壁的钻孔，最好从孔底测起，避免因泥浆沉淀引起卡换能器和测量深度不够情况。9. 剪切波不能在水中传播，但根据实测经验，在有浓泥浆护壁的钻孔中，能够在换能器不与钻孔壁紧密接触的情况下测得很好的S波震相，为测量提供了方便。另外泥浆浓能够减少塌孔的可能性。10. 测有套管的钻孔，要避免钢丝绳与套管直接接触。11. 测量时如遇塌孔卡住换能器，在人力拉不动的情况下，最好将钻机用不带钻头的钻杆放到合适深度，用冲洗的方法慢慢的提升，这样可保护换能器。12. 在用气囊式换能器时，用高压气筒慢慢打气，打一下停一下，看是否已耦合，如提不动，则耦合好。切忌连续打气，将气囊胀破。杠杆式可将换能器提到一定高度后，放松电缆后，看是否下滑。13. 随着测试深度的增加，有效信号的频率会有所降低，对数据的准确读取有一定的影响（可选在有效波起跳点或第一波峰处）。14. 随着测试深度的增大，S波信号能量逐渐减小。为提高有效信号的幅度，单纯增加激发能量也会增大噪声的干扰。在选择适当激发能量的同时，采用多次叠加的方法不但能提高有效信号能量，还可压制噪声。
