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1、 前言前言 测井又称弹性波速度测井测井又称弹性波速度测井, 它是地震勘探方法之一，也是地球物它是地震勘探方法之一，也是地球物理测井技术的一个重要分支理测井技术的一个重要分支 。目前已广泛应用于水利水电工程。目前已广泛应用于水利水电工程 、石、石油工程油工程 、铁路工程、冶金工程、铁路工程、冶金工程 、工业与民用建筑等众多岩土工程地、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域。取得了良好的应用效果。质勘察领域。取得了良好的应用效果。 一般来说一般来说 测井可原位测定压缩波测井可原位测定压缩波 和剪切波和剪切波 在岩、土在岩、土 体中的传播体中的传播速度速度 ，从而避免了室内测试所带来的误差，从而避
2、免了室内测试所带来的误差 。它能有效地解决许多地。它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型质问题，诸如确定场地土类型 ，建筑场地类别。，建筑场地类别。 提供断层破碎带，提供断层破碎带， 地层厚度地层厚度 ，固结特性和软硬程度评价岩，固结特性和软硬程度评价岩 土土 体质量等体质量等 。并可计算各。并可计算各种介质的工程动力学参数，种介质的工程动力学参数， 如动剪切模量如动剪切模量 动弹性模量等动弹性模量等 。 本章将给同学们介绍有关本章将给同学们介绍有关 测井的工作原测井的工作原理和现场测试方法理和现场测试方法 ，项工作技术，工作中，项工作技术，工作中须要注意的各种事宜，测井使用的各种仪须
3、要注意的各种事宜，测井使用的各种仪器和设备。并结合工程实例器和设备。并结合工程实例 ，说明这种方，说明这种方法在工程地震勘察、安评的应用是很广泛法在工程地震勘察、安评的应用是很广泛的。的。1第五章剪切波速检层法原理及应用第五章剪切波速检层法原理及应用5.1 5.1 波速测试的原理波速测试的原理5.2 5.2 剪切波现场测试方法剪切波现场测试方法5.3 5.3 波速测试的软件操作波速测试的软件操作5.4 5.4 波速测井的应用波速测井的应用第五章剪切波速检层法原理及应用第五章剪切波速检层法原理及应用2 5.1 波速测试的原理波速测试的原理 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
4、质土体，为了解地基土层的空间分变化情况，提供与波速有关的岩土动力学参数、计算土层的动剪模量、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，以及进行地基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。为了能够设计出坚固的防震的为了能够设计出坚固的防震的建筑物地基建筑物地基，就必须使用土层剪切波的速度资料进行设计。因此对于重大建筑工程场地，必须进行土层波速测试。土层波速测试按使用井口的数量，可分简单的分为单孔和跨孔法两大类。 5.1-1 单孔波速测试的基本原理单孔波速测试的基本原理 单孔波速测试：由震源产生压缩波（又称P波）和剪切波（又称SH波），经过土层的传播，由在孔中的三分量检
5、波器接收地震波，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。因为单孔剪切波速具有，能够比较显著的反应介质弹性性质的特点，因此，单孔剪切波速测井被广泛应用到工程勘察和建设的各个方面。3 1、单孔波速测井的各种要素：、单孔波速测井的各种要素： 见图5-1。测井设备主要有四大部分： 1）钻孔：用机械设备打出测试钻孔，在一些特殊地区使用套管护壁（套管必需与孔壁紧密接触）。 2）震源部分：采用大锤敲击震源板的两端，震源板上压有500公斤以上重物，并与地面紧密接触，在震源板两端进行正反向激震，激发sH波信号时，通过地层传到测井传感器。 3）井中三分量拾震器的探头（传感器、井下摆），
6、把探头下至预定测试的土层位置，利用气囊或压板使探头触壁装置，使探头紧贴井壁，地震信号可通过拾震器的机电转换，把振动变成电讯号，经过电缆传送到地面的测井仪。 4）工程测井仪：能够把电讯号记录并保存的数字测井设备。41、钻孔、钻孔震震源源木木板板井孔井孔 地地表表 S震源板的长轴方向中心震源板的长轴方向中心到测井井孔中心的距离到测井井孔中心的距离井孔井孔地地面面5 S震源板的长轴方向中心震源板的长轴方向中心到测井井孔中心的距离到测井井孔中心的距离6782、基本原理：、基本原理： 进行测井时， 当地面震源激发振动讯号时，（振动讯号产生的时间被记录），地震仪器波便从震源发出穿过地层介质，到达井下三分量
7、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，通过电缆传送到波速测井仪，由测井仪器记录并显示地震波形。 (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。 波传播的距离是直角三角形的斜边，Zii和Z i +1 是 两个井口中不同深度点Lii和 Zi+1的剪切波传播的路径，S是震源板的长轴中心到测井井孔中心的距离，L、S和Z 构成了直角三角形的三条边见图5-1、5-2 . (2)在测井过程中只要知道了两个测点只要知道了两个测点Zi 和和 Zi+1的深度和剪切波传播的深度和剪切波传播的传播时间t1、t2，则
8、Zi 、 Zi+1的深度之间地层介质的平均波速便可求出。现证明如下： 假设有四层介质的模型，探头在深度Z1、Z2、Z3、Z4 进行测试，设最底层的射线路径为L4，剪切波传播这段路径需要的时间为t 4 ，Z3、Z4点的高差为h4。而t 4 时间则是由剪切波在各种不同介质中传播所用时间组和而成。其中，从第一层传播到到第五层介质分界面所需要的时间，分别为： ，在第四层分界面上，传播的时间、路径、剪切9波速度分别为：从图中还可以看出：我们再来求h3 = ？ 它是波从它是波从V3、V2的分界面传播到的分界面传播到V3、V4的的分界面的垂直方向传播的距离：（A）（B）10从式中消除V3，可有：式中式中h3
9、/V3h3/V3它是地震波垂直地从它是地震波垂直地从Z2Z2传播到传播到Z3Z3所需的时间所需的时间，同理可有：把 式两端乘以cos4 可得下式：把等号右边的第二项 换成 ，并把 写成此时：11因为所以有又因因此有：换成通式：此为波速测井此为波速测井的理论公式的理论公式。 简化后，公式变为简化后，公式变为：12式中：各土层的剪切波速；各测点间土层厚度；剪切波的入射线与孔壁轴线的夹角；由震源出发到达各个测点的剪切波旅行时间。 使用波速测井记录的时间，表示的是地震波沿射线方向传播的时间，而计算波速要用波沿井口垂直传播的时间，这两者的差别和测井的深度和震源板到井口中心的距离有关系。比如 S = 1
10、米，在不同井深位置，射线距离和垂直距离差别的一组比较数据：13 井口深度h(米） 射线距离 L-h 误差%10 5cm 0.5%1515.03 3cm0.3%5050.01 1cm0.1%100100.005 5mm0.05%55.10 10cm 2% 从表中可以看出，L=1m时当井深超过5m 时，L与h 的差别已经在1%以内。表表1 L与与h 的关系的关系 当 S = 1米 时 14井口深度h(米）射线距离 L-h 误差误差%56.40 1.4 211010.77 .77 .771515.52 .52 .0355050.16 .16 .0032100100.08 .08 表表1 L与与h 的
11、关系的关系 当 S = 4米 时155.1-2跨孔波速测井简介：跨孔波速测井简介： 见下图：16 跨孔法是一种异井激发接受方式，这类测量方式需要多口钻孔，在其中一口井内激发，在其它钻孔内接收。当孔距较小仅为数米时，可以利用直达波确定速度，称之为直达波法。当孔距较大时（例如几十米）时，接收的初至波有可能变成了折射波而不再是直达波，由这一传播时间和距离求得的速度将是钻孔间地层的某一平均速度，这种速度包含了地层内部和某一界面上不均匀介质的信息。因此，这种孔间测定速度的方法又叫做平均速度法。 美国人把利用直达波在两个以上钻孔中测定P波和S波速度的方法叫做跨孔法跨孔法。这种方法可以获得钻孔间地层的纵波、
12、横波的波速，也可以得到介质的弹性模量及衰减系数，这些结果可以被用在确定岩石特性、检测裂隙和断裂带等等。跨孔法对钻孔的斜度和弯曲度要求较高，若两个钻孔间不平行，会影响钻孔间距离的明显的变化，直接导致计算速度的变化，因此测井以前，要求必须测定钻孔的弯曲和倾斜，正确量出接收点和震源之间的距离。 跨孔法的探测深度一般在几十米一百米以内，为避免出现折射干扰波，孔间距不能太大，由此会导致增加钻孔数量，使勘察成本增加。 我们已经知道波速测井的计算公式为： 17 这个公式，也适用敲板记录纵波的计算。如果井口附近垂直激发记录波形，计算纵波可直接使用VP= H / t 。5.1-3不同土类的剪切波速不同土类的剪切
13、波速 根据实测的资料表明，不同土类的剪切波速的范围是大不相同的，波速值的大致范围，见下表： 土质 类型 填土（包括杂填土）粘性土（包括亚粘土等）砂土（粉、中、粗） 砾石、卵石、碎石风化岩 岩石剪切波速范围（m/s )9027010045010045020050035050050018 一般来说，剪切波速会随埋藏深度的增加而加大，但各地区剪切波速度沿深度的增大规律并不一样。通常内陆城市波速值相对较高，而沿海城市则偏低。如果将有关数据按 统计，系数变化列在下表。 系数 均值 方差变异系数 a 118.993 42.758 0.359 b 0.308 0.086 0.27919 从表中不难看出，a
14、值得变异系数比b 值大，这说明，地区间的差异要比沿深度变化的数值大。 图4-8给出了不同厚度覆盖层的剪切波速的变化。从图中可以看出，覆盖层越厚，剪切波速度值相对越低。 520 5.1-4悬浮式P-S 波速测井系统 在水工建筑场地水深大于5米的时候， 可以使用悬浮式P-S 波速测井系统。该系统包括井中部分和井上的数据采集部分。井中部分是由剪切波震源和拾震器组成一个探头，这个探头的接收部分，是由两个相距一米的三分量拾震器组成，根据剪切波到达两个拾震器的时间差，即可得到测点处S 波的速度值。 该测量系统采用自下而上的连续测量，测点距相距2.0米。测井仪的采样间隔可以选在0.05ms ，测井仪必须具备
15、8位以上的A/D 的数模转换，全部速度分析都使用软件系统自动完成，故精度较高。 悬浮式P-S 波速测井，实际上是一种单孔测井方法。但由于震源和拾震器的距离不能太长，剪切波在从震源到拾震器的旅行路程中比较短，对于分辨小构造有利。因此，土层的局部变化，都会影响到所测得的数据。 悬浮式P-S 波速测井的震源由载荷板及其贴壁装置、驱动器等部分组成。它是使不发生体积形变的刚体（电磁锤）在钻孔水中沿与孔轴方向垂直方向作瞬时运动，给水施加负压力，使电磁锤推拉井壁两侧，直接产生剪切波。测定S波速度时，震源必须从正反两个方向激发，测定时可以根据波形相位的反转来识别S波信号。 21 日本人开发的悬浮式P-S 波速
16、测井，自动化程度较高，但它离不开水，干孔不能进行测试。但涌水和漏水又会降低信噪比。 此外，在水流湍急的情况，由于套管的摆动，井下较长的电缆线和探头等检测装置经常出现卡孔的故障。改在水上进行，避免出现障，可以获得较佳的效果。 一般测井的深度，从30米到100左右，更深得井使用悬浮式P-S 波速测井最合适，精度很高。22作业与思考题 ：1、简述波速测井的原理公式的推导过程？2、悬浮式P-S 波速测井与普通测井有哪些区别？3、跨孔法有哪些优缺点？23242526 5.2-1 剪切波的测试设备 5.2-2 剪切波的测试方法 5.2-3 现场测试注意事项 本节就波速测井使用的设备，现场工作各个环节、方法
17、，以及工作中需要注意哪些事项分别介绍如下：5.2 剪切波现场测试技术剪切波现场测试技术27 5.2-1 剪切波的测试设备剪切波的测试设备 波速测井使用的设备包括四大部分：钻孔、震源、探头、测井仪。现分别介绍如下： 一、测井钻孔部分一、测井钻孔部分：1）与钻孔有关的内容介绍： 波速测井在钻孔中进行，因此，能够完成波速测井的钻孔是有一定条件和要求的。比如对井壁的稳定和光滑程度、井孔直径、井斜程度、土质条件都有一定要求。 钻探是岩土工程勘察中最常用的手段之一。按地质条件和勘察目的地不同，完成钻孔的钻探常用的有三种方法：冲击钻探、回转钻探、震冲钻探法。用于桥梁、路基、建筑物地基的勘探、施工灌浆经常使用
18、机械动力钻机。利用汽车的发动机为动力，钻孔能力较强，兼有慢速大扭矩和高速小扭矩的回转能力，能适应不同钻进工艺要求，可谓一机“多用”。波速测井的钻孔多使用车载钻机。当孔较浅时有时使用交流电为动力的电机进行钻孔。 钻机：目前使用最多的是全液压工程地质钻机，使用大马力柴油机为动力源，实现钻进、停钻、升降钻具、拧卸等操作自动化。 钻头：按钻进土层不同，可以使用更换各种钻头，如硬合金钻头、金刚石钻头、钢粒和金刚砂钻头。28 2）对测井钻孔的要求：）对测井钻孔的要求：a)孔径的要求孔径的要求: 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
19、该比测井探头直径大35cm.。 b)钻孔井壁要求：钻孔井壁要求： 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。尤其跨孔法，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：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，马上对钻井进行扩孔、泥浆护壁等工作，这些工作完成后立刻开始进行测井。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
20、进行，尤其受人文、交通干扰较大的地区，选择合适的时间测井也是一种很好的防干扰的措施。29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，尤其受人文、交通干扰较大的地区，选择合适的时间测井也是一种很好的防干扰的措施。 如果测井是在第四纪的覆盖层的松散土层中进行，钻孔打成后，在地下水的作用下，容易产生塌孔或扩孔等现象，尤其塌孔会造成较大的事故。因此波速测井现场施工的时间要求比较严格，尽量和钻进保持同步，有利测试工作顺利完成。 d)钻孔附近地面应尽可能平整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
21、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）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与无套管测量结果是一致的，但并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。30 套管有用钢管，也有用PVC各种工程塑料管。套管方式也有各式各样，有变孔径的，有单层套管，也有多层套管。在套管和井壁间还有充填沙石等方式。 因此在测量时应该考虑各个方面的构造因素。图5-9是一个有钢管钻孔进行剪切波速度测量的同相轴图。其套管和井壁间充填了沙石。从图中可以看出，深度从2米23米，
22、剪切波速度测量的震相清楚特点明显，比较容易辨认。23米37米剪切波尚可辨认。当深度大于40米时一组明显的震相波列是沿钢管传播的剪切波，其速度是钢管和砂的混合速度。此时真正的剪切波已经被屏蔽，其到达时间比较难以确认。 测试有套管的钻孔的剪切波速度时，可以适当加大源孔距离。当孔源距离为34米时，测试深度1520米的剪切波速震相最突出。31有有钢钢管管护护壁壁的的波波速速钻钻孔孔记记录录波波形形图图32 单孔法波速测试采用的振源很多，如：敲击板激震振源、爆破振源、空气压缩枪振源、弹簧式S波激发装置振源、火箭筒振源等等。但在一般的场地剪切波速测试中最常用的是敲击板激震振源。一）震源的分类： 按照激震产
23、生波的指点振动特点，这些激震振源可以分为两大类，第一类：压缩“P” 波震源。第二类剪切波“SH”振源。 第一类 压缩“P” 波震源： 与工程勘察相同，只是不需要较大能量。可采用1015磅大锤敲击震源板，也可以使用钻机吊起63.5Kg 的标贯锤，落地冲击。如果是深井（超过100米）可用雷管或者少量炸药。二、震源部分：二、震源部分：33 第二类第二类 横波横波SH 震源：震源： 横波震源简单的基本分类：人工简易机械震源、炸药横波源、悬浮式PS测井横波源、敲板横波源等等。其中敲板横波源是最常用的。 使用使用SH 波震源是因为这种波有一些特点：波震源是因为这种波有一些特点： 其一其一 ：SH波在介质中
24、传播有一个最大特点，即在遇到分界面时，因为它只有水平分量，不发生波型转换，比较容易识别。当出现转换波时， 各种波的初动将无法准确辨认。 其二其二：SH 是续至波，受P 波和其它干扰的影响，很难准确地判断、确定其初动位置，也就不能准确的确定它的到时。但SH波的振幅和相位与P波有很大的差异外，最重要的是SH 波的初至方向，与敲击震源板的方向有关。使用大锤正、反向敲击震源板，地震记录的SH 波的初至方向正好相差180，利用这一点，就能够较准确的确定SH 波的到时。 SH 的初至方向，与敲击震源板的方向有关。 其三其三： SH波的震源装置激发方法比较简单，装备轻便、适合工程勘察流动性较大的特点。SH
25、波的入射遵从斯涅尔定律：3435 一）一） 敲板激振源：敲板激振源： 将一块弹性好的木板（木板长约2米，宽约0.40.5米，厚约0.20.3米）受锤击的两头包上铁板，或者用粗铁丝把两头缠牢，放在平整的地面上，上面压上重物，使木板与地面紧密接触，然后敲击木板两侧，这样木板就给地面一个水平冲击力，激起土层的剪切振动，产生初动方向不同的SH波。激发的振动主要为SH波。当SH 波到达时，虽然是续至波，但由于正反向敲板产生的SH 波初方向正好相反，利用这点，可以准确确定SH 的到时。见图：ts 横波走时横波走时触发触发信号信号零时零时刻刻S波初至时刻波初至时刻36 在敲击冲量一定的条件下，激发的SH波振
26、幅随木板上重物重量的增大而增大，但超过一定值后影响会有所减少；长板效果比短板好；板与地面的接触条件对激振效果影响较明显，板底钉有钉齿、地面上泼水或水泥浆以增大木板与地面接触的紧密程度可改善激振效果。 在木板的长轴方向敲击，在垂直于木板的长轴的方向上，就能激发出SH波。 木板与井口的垂直距离为24米。一般来说，测井深度在4050米以内距离可选4米左右，当测井深度超过50米时，距离可以适当增加。37二）使用横波二）使用横波SH震源时，应该注意下面几点事项震源时，应该注意下面几点事项： 1）为了记录激发时间，须要在木板上装置加速度计或者检波器，以记录激发开始时间。工作时，触发检波器应置于木板边中心（
27、勿压木板下），如条件不准许，也可以在激发的大锤上安置锤击开关代替。 2）作为振源的木板应选用弹性和韧性均好的木板，不宜用铁板或水泥板。木板锤击的两头可包上铁皮，或在两边缠上铁丝，以增加大锤敲击的次数。 3）井孔应与木板长轴线垂直，即井孔到木板两头的距离应相等，这是保证木板两面敲击后，剪切波正好反向的一个基础。孔源距应是井孔到木板中心的垂直距离。孔源距可以根据测井深度来选择。 4）木板与表土层藕合的好坏直接关系波形采集的好坏。摆放震源板的地面要求比较平坦，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，藕合好坏一目了然，在接触不好之处，再撒一些砂子，反复数次处理后，可达接触
28、的最佳效果。38 5）为了达到震源板上的压重，在工作现场，可将汽车轮胎直接压在木板上。若无汽车，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。 6）测剪切波时，锤击力要尽量保持水平。锤击要干净利索，避免二次或多次击打。 7）用敲板法做振源时，在距孔口放置的震源板，木板的中垂线应通过孔口，用锤沿板纵轴从两个相反方向（正、反）水平敲击板端，产生水平剪切波。 8）当板中心的高程与孔口相差较大时，应量测并记录下来以便做修正之用。 9）钻孔附近地面应尽可能平整，钻孔时应尽量减少孔壁土扰动，待测孔钻到预定深度时，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。
29、10）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。39图5-10是一口15米，没有下套管的钻孔的剪切波速度测井波形图。 从图中可以清楚地看出SH波速度的不同。VH在2米以内，在24米，在48米，在89米，在915米的不同深度具有不同的速度值。 SH波到时很清晰，有两个特征：波到时很清晰，有两个特征： 1、SH波的振幅比波的振幅比P波明显大，周期也比较波明显大，周期也比较大，很好识别。大，很好识别。 2、S 波的正反向敲击，其初动方向是相反波的正反向敲击，其初动方向是相反的，两个方向相反并且同时到达的起始点时间的，两个方向相反并且同时到达的起始点时间即位即位
30、SH波的到达时间。波的到达时间。 这张图，由于没有任何干扰，钻孔也没有下套管，因此剪切波速度测井波形非常清晰，比较容易识别。 当干扰比较严重，而且无法排除时，剪切波速度测井波形是很难辨认的。因此，测量波速经常在外界干扰最小的时段，有时经常在深夜进行工作，才能够达到比较好的效果。 40三三 、波速测井探头：、波速测井探头：(1)探头结构、构造：探头结构、构造： 这类探头使用的检波器，基本都是速度型检波器，使用三个分量，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。这样的夹角可以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
31、集波形良好的效果。（2）工作原理）工作原理 检波器是动圈式的自振频率为10HZ左右 的。用环氧树脂密封，装上外壳，用钢丝连接并保护电缆，使检波器接受到的信号能够完整的送达地面的测井仪。钢丝上有米尺刻度，以确定检波器所在的钻井中的位置。 当地震波到达测点时，检波器的线圈在波动的作用下，开始振动利用检波器的电磁效应把地震讯号变成了电讯号，通过电缆，传送到地表面的测井仪，完成了地震波的接收。41（3） 测井的贴壁装置：测井的贴壁装置：为了测井时探头能够紧贴井壁，采用了很多手段。大致分为三类1）气囊贴壁装置。见图。它是把一个特制的橡皮胶囊固定在探头上，并用塑胶管联到地面，与打气筒相连，当检波器在测量深
32、度的位置时，用气筒打气，胶囊膨胀，使探头紧紧贴在井壁上。这种方法似乎20米以内的浅井，可以补测。但速度较慢，胶囊易破裂。2）杠杆触壁装置。见图。这种装置使用比较方便，适合较深的井孔但只能从下往上测井，不能补测。3）微电机触壁：使用微电机，在井中使探头贴壁。方法很好，但价格过高，一般人不能接受。 现把气囊贴壁装置、杠杆触壁装置介绍如下：。42气囊贴壁装置微电机触壁43 气囊式井中三分量检波器： 通过充气管给气囊充气使检波器与钻孔壁紧密接触藕合，藕合情况的好坏，对采集波形的影响很大。采用这种检波器可以任意选择是从钻孔底往钻孔口测试还是从钻孔口往钻孔底测试。中间数据若要出现问题，还可以补测。44 杠
33、杆式井中三分量检波器： 通过电池给电磁铁通电吸合杠杆，将检波器放入钻孔中，断开电池使杠杆弹开与钻孔壁紧密接触藕合。由于断开电池后无法将杠杆再次吸合，因此采用这种检波器只能选择从钻孔底往钻孔口测试。45 使用井下探头进行波速测井时，应该注意以下几点： 1、每次放下或提升换能器到一个新深度应保留十几秒钟后再测，这样可避免泥浆扰动干扰。 2、在换能器上要配接吃力拉绳。根据经验，最好是细钢丝绳，细钢丝绳伸缩性小，抗拉性强，不宜缠绕。 3、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。 4、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，可以在换能器不与
34、钻孔壁紧密接触的情况下测得很好的SH波震相，为测量提供了方便。另外泥浆浓可以减少塌孔的可能性。若在清水的钻孔中进行测井，探头与井壁接触一定要比较牢靠。46 5、测有套管的钻孔，要避免钢丝绳与套管直接接触。防止地震波沿着钢丝绳短路。 6、测量时如遇塌孔卡换能器，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，这样可保住换能器。 7、在用气囊式换能器时，有时气压表失灵，在使用高压气筒慢慢打气时，要打一下停一下，看是否已藕合，如提不动，则藕合好。切忌连续打气，将气囊胀破。 8、要轻拿轻放，没有经过准许，不准私自安装、拆卸井下摆。使用过后，一定要将探头和电缆和测绳
35、上的泥浆清洗干净，以备下次使用。47四） RSM24FD浮点工程动测仪1、剪切波的测试设备：RSM-24FD产品指标:（1）4道独立瞬时浮点24位A/D。（2）采样间隔：1065536微秒。（3）最大增益为25600倍。 （4）全数字化采集、资料处理，多用一体机。 （5）体积小、交直流两用，耗能低。482、使用RSM-24FD进行剪切波的测试，使用设备应该注意下列事项：1）井下摆与测井仪连接： 气囊式井中三分量检波器与仪器的安装连接比较简单，只要把相应的三个方向通道和触发开关接好，接通电源就可以工作。 杠杆式井中三分量检波器与仪器，连接就比较复杂。见图：杠杆式井中三分量检波器与仪器，连接就比较
36、复杂。见图： 将井中三分量检波器的连接电缆连接好（不要接仪器），将适配将井中三分量检波器的连接电缆连接好（不要接仪器），将适配线上的夹子分别接线上的夹子分别接12V12V电池的两级借助外力吸合杠杆，把井中三分量检电池的两级借助外力吸合杠杆，把井中三分量检波器放进钻孔底，松开夹子弹开杠杆支撑孔壁。然后将适配线上的相波器放进钻孔底，松开夹子弹开杠杆支撑孔壁。然后将适配线上的相应接头与仪器后面的六合一连线连接，将有红标签的接头接到六合一应接头与仪器后面的六合一连线连接，将有红标签的接头接到六合一连线中长线标号为连线中长线标号为4 4的接头上，将另两个接头分别接到六合一连线中长的接头上，将另两个接头分
37、别接到六合一连线中长线标号为线标号为2 2、3 3的接头上，然后把地面上用做触发的检波器接到六合一的接头上，然后把地面上用做触发的检波器接到六合一连线中长线标号为连线中长线标号为1 1的接头上。的接头上。 49 2）测点间距的选择： 测试时，应使相邻两测点间的时差大于记录上的可读精度。对于土层一般以每隔12米布置一个测点为宜，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，使得薄夹层中至少布置两个测点。 3）为获得高质量的波形记录，测试前应调整好仪器设备，保证各设备可靠连接。 4）测试时，应将井中三分量检波器固定在预定深度，并且提拉钢丝绳，判断井下摆贴壁是否良好。然后，摆沿木板纵轴
38、方向分别敲击其两端，记录极性相反的两组剪切波波形。5）测井过程要保证电源的稳定，应避免断电发生。50检检波波器器与与仪仪器器连连接接51通通电电吸吸合合杠杠杆杆52检检波波器器与与仪仪器器连连接接53作业与思考题：1、波速测井对钻孔有什么要求？2、SH波是怎样产生的？工作时要注意哪些事项？3、波速测井中为什么使用SH波？简述RSM-24FD的技术指标？4、当前人们为什么放弃气囊式而使用杠杆式井中三分量检波器？545.3 仪器的操作与使用：仪器的操作与使用：包括以下几方面的内容 5.3 -1 主操作界面主操作界面 5.3 -2 参数设置界面参数设置界面 5.3- 3 数据采集数据采集 5.3-
39、4 波形存储波形存储 5.3- 5 波形整理、分析界面波形整理、分析界面 5.3- 6 波列显示、打印界面波列显示、打印界面 我们分别加以介绍： 5.3 -1 主操作界面主操作界面 主操作窗体由以下几块组成： 左上角左上角的波形显示区；右上角右上角的时间深度测点显示区；下方的操作命令区；操作信息框操作信息框。四大部分组成。55 5.3 -1 主操作界面：主操作界面：56运行程序进入主操作界面后，首先点击“设置”按钮，进入参数设置界面：单单击击设设置，置，进进入入参参数数设设置置界界面面57 5.3 -2 参数设置界面：参数设置界面： 共有两类参数，包括下列几方面工作 内容： 一、工作模式参数：
40、一、工作模式参数：共七项内容共七项内容1）工程名称与测试单位：）工程名称与测试单位： 分别填 工程名称、测试单位名称、测试人员、钻孔编号名称，在参数界面的左上角，“共四个文本框”，打印时文件能够显示出来。2）通讯口与波特率）通讯口与波特率：按用户计算机与仪器联接时使用的通讯端口，确定的相应选项，如用计算机的一号串行口，则应选择“comm1”选项。按用户仪器，RS-232 的通讯波特率，确定相应的选项按钮“5760”。3）颜色：）颜色： 指定波形、图片框的背景、网格、波形曲线的颜色用“windows” 的标准调色板指定颜色，使用确定按钮确定。 58 4）波形显示：）波形显示：三个传感器，三种激发
41、方式，共九个波形，若同时显示会杂乱无章对判断到时并不一定合适。设置程序允许自己选择所需波形，如X、Y显示剪切波，Z选择压缩波。并且X、Y 和Z 不同时显示。触发方式使用 CH2 放大 100 X CH3 放大 100 Y 传感器：速度计 CH4 放大 100 Z（井深超过50米可加前置放大器）低通 800HZ 5）仪器记录参数：）仪器记录参数： 设置仪器的采样间隔（100mS0.2mS ）、延迟时间0ms、记录长度（1K、2K 等等）。6）仪器状态参数：）仪器状态参数： 确定触发通道（CH1）和触发传感器类型（速度型）、仪器信号采集低通截至频率。7）地质分层资料：）地质分层资料： 如果有资料，
42、在下方表中可以输入每一层的名称、起始深度、厚度及容重，可选择适当的名称填入表中。当土层的整个深度有所偏差时在修正框内输入修正值，按执行键（ENTER） 分层资料中起始深度和厚度操作相应的修正，按下消零键，将原来的资料全部消除。59二、测点自动定位参数：二、测点自动定位参数：4种参数种参数 在进行单孔波速测井时，必须记录测点在井孔中的位置，钻井中的测点一般是等间距的布置，因此，只要通过输入钻孔孔口的位置、震源位置以及钻孔是否倾斜等与场地相关的参数，再输入实测时开始的测点位置以及测点间距等参数，从而实现测点位置的自动记录。1）场地参数：）场地参数： 孔口高程 0 米 井底高程 ：（ 井深50米为-
43、50） 测点间距 1 米。2）孔斜参数）孔斜参数： 当对斜孔进行测量时，斜距将产生变化（震源传感器的距离）程序为我们提供了孔斜方位的换算。其中d1 为斜孔与孔口铅垂线之间的夹角，d2 是震源中心与孔口的联线和斜孔在地面的投影线的夹角。程序会根据场地参数，自动计算出测点到震源的准确距离。当不考虑井斜的修正时，只要设d1 = 0 、 d2 = 0 即可。603）测试方案参数）测试方案参数： 1始测孔深：第一个测点到孔口或井底的深度。如果从上往下测量则表示为（-1-50） 反之为（-50-1）。 2测点移距：表示两个测点间的距离。注意此处与前述“场地参数”的间距略有不同，应该是一个测点到孔口的距离，
44、而不是一个测点的高程。由上而下进行测量时，传感器的深度由小变到大，深度是一个增加的过程，测点移距为正。由下而上进行测量时井深度变小，是一个减小的过程，测点移距为负。因此，测点移距可以理解为测点深度的增量。4）预计时间范围）预计时间范围： 在测试前应该事先计算剪切波到达最深的测点的时间，取一个比此值大的值为预计时间，单位为ms 。此值将被用于设置在操作窗体上，测点时间显示区之中的时间轴，对应的宽度。 此值设置要合适，否则会使Tp、 Ts 时间在整个时间轴的比例不协调，宽度太小降低了分辨率。过小，会使有的测点值超过，则会出现记录不到Tp 、Ts 的到达时间的现象。 预计时间通常用钻孔深度除以剪切波
45、速度的平均值，保守估计，应该比计算值稍长些是较合理的。615.3 -2 参数设置界面：参数设置界面：视数据记录时间长短，确定记录长度及采样间隔，采样间隔一般取值范围（100200s），总记录时间长短=记录长度采样间隔输入工地名称、钻孔编号、测试单位、测试人员仪器与笔记本电脑通讯速率仪器与笔记本电脑通讯口设置，视电脑串口设置而定，有COM1-6供选62参数设置选“”为XY方向仅显示剪切波形，Z方向仅显示压缩波形选择计算方式指定传感器连接的仪器通道序号、传感器类型、方向。视信号强弱选择是否放大100倍。视接收传感器与发射点距离的远近，调整延迟以减少无效信号的记录。选择打印内容，打“”为打印输入孔口
46、高度、孔深、始测孔深、每次测点之间的移动距离63打“”为对Vp进行判读和打印输入振源到孔口的垂直距离、水平距离输入一个比剪切波到达最深测点时间稍长的时间。64单击“确定”，进入主操作界面。输入地质分层资料，若“无”请选择“无”；若“有”请进入进入按另一种方式操作。65（一）（一）主操作窗体由以下几块组成：主操作窗体由以下几块组成： 左上角左上角的波形显示区； 右上角右上角的时间深度测点显示区； 操作信息框操作信息框下方的操作命令区；（二）参数设置界面：（二）参数设置界面： 1）工程名称与测试单位： 2）通讯口与波特率： 3）颜色： 4）波形显示： 5）仪器记录参数： 6）仪器状态参数： 7）地
47、质分层资料：（三）测点自动定位参数：（三）测点自动定位参数： 1）场地参数： 2）孔斜参数： 3）测试方案参数： 4）预计时间范围：66 5.3- 3 数据采集数据采集 将井中三分量检波器放入钻孔最深处，记时触发检波器应置于木板中心。就处于开始测试阶段。此时要注意检查以下三各方面的状态： 1、井中三分量检波器紧密接触孔壁。 2、检波器与仪器连接正确。 3、环境是否安静，尽量减少外界不必要的干扰。 当震源部分、井下探头部分、测井仪器都完成测试前的准备工作以后，就可以开始进行测量。可按下面方法进行： （1）正剪波形采集。 （2）反剪波形采集。 （3）压缩波形的采集。67正剪信号采集屏幕出现“正剪采
48、样”彩色滚动条，仪器进入等待采样状态，此时仪器采样指示灯为黄色。单击正剪68屏幕出现“正剪采样”彩色滚动条，仪器进入等待采样状态，此时仪器采样指示灯为黄色。69正剪采集信号显示：选择木板一边为正剪敲击方向敲击木板，等仪器采样指示灯变为红色，采集完成，正剪信号将显示在屏幕上。70反剪信号采集屏幕出现“反剪采样”彩色滚动条，仪器进入等待采样状态，此时仪器采样指示灯为黄色。单击反剪71反剪采集信号显示：选择木板另一边为反剪敲击方向敲击木板，等仪器采样指示灯变为红色，信号采集完成，反剪信号将显示在屏幕上。72压缩信号采集：屏幕出现“压缩采样”彩色滚动条，仪器进入等待采样状态，此时仪器采样指示灯为黄色。
49、单击压缩73压缩采集信号显示：选择木板面中心为压缩敲击方向敲击木板，等仪器采样指示灯变为红色，信采集完成，压缩信号将显示在屏幕上。74 若仅作剪切波的测试，可省略“压缩”的信号采集。 若正、反剪信号采集不正确，可按上面“正剪、反剪信号采集”的操作，重新进行信号采集。若采集信号受噪声干扰较大时，可通过信号叠加的操作进行信号处理。单击叠加选择“正剪” “反剪” “压缩”75 5.3 -4 4 波形存储波形存储此时第一点剪切波信号采集完成。移动鼠标，点击右键确定横波初致时刻点击“新存”76此时已完成该孔第一个测点的现场测试。移动井中三分量检波器到下一个测点，按以上步骤对此测点进行“正剪”、“反剪”、
50、“压缩”检测。选择存储位置键入文件名称选择存储类型单击“保存”，返回主操作界面77按以上步骤对此测点进行“正剪”、“反剪”、“压缩”检测后，确定横波初至时间，再点击“续存”。此时程序自动计算出下一测点的位置及测点号，也可以根据实际情况输入相应的深度位置78按以上步骤对后续测点进行“正剪”、“反剪”、“压缩”检测，确定横波初至时间，再点击“续存”，直到此钻孔测试完毕。79以上为将一个钻孔的所有数据存储在一个文件中的方法，若想将某一测点采集信号，单独以一个文件存储，则选择“单存”。点击“单存”801此时已完成该测点采集信号的单独存储。选择存储位置键入文件名称选择存储类型单击“保存”，返回主操作界面
51、815.3- 5 波形整理、分析界面波形整理、分析界面选择相应的盘符和文件夹选择文件名单击“确定”，完成数据读取（读读取取数数据据）A82b)b)原始信号显示原始信号显示井中三分量检波器中水平检波器接收剪切信号各测点横波到时随深度变化剖面图若采样长度超过1K单击鼠标左键压缩时间轴，右键展开时间轴井中三分量检波器中垂直检波器接收压缩信号83C)C)进入分析处理界面进入分析处理界面鼠标左键点击浏览可在波形窗口显示后续各测点的波形，右键点击浏览可在波形窗口显示前面各测点的波形单击“分析”进入分析处理界面8485波速分层分析窗体波速分层分析窗体： 在进行波速分层检测时，原始波形是求取测试数据额度依据，
52、但最终结果，往往并不需要所有的原始波形，而是以曲线的形式给出测线位置测试分析层图。 这个程序为这个程序为（1）分析波形（）分析波形（2）测试数据与最终分层结果时。为波形和分层结果提）测试数据与最终分层结果时。为波形和分层结果提供了一个极为方便灵活的联动界面供了一个极为方便灵活的联动界面：波速剖面分析窗体波速剖面分析窗体。 分析窗体主要由六大部分组成：1）原始波形区）原始波形区： 窗体右上方的图形框、水平滚动条以及坐标轴。用以显示某一指定测点的原始波形。2）原始测点数据列表）原始测点数据列表： 窗体中央带有垂直滚动条的六行数据表。其中背景为淡蓝色的一组数据为对应原始波形的“指定测点数据”，在某组
53、数据上点击鼠标，将使对应测点变成“指定测点”。原始波形区显示的波形将被更新。在原始数据列表中，也可以直接修正数据，其中TPM、TSM 为修正值，是由由程序自动提供的。863）分层结果列表）分层结果列表： 窗体左下方有垂直滚动条的六行数据表，其中背景为淡蓝色的一组数据为对应原始波形的所指定的测点处土层的数据。其中泊松比、E、G 是根据所读每层的VP、VS 值计算尺来的。注意当VP、VS 值读取不合理时，程序将不会计算出它的值，显示仍然为零4）查看复选框：）查看复选框： 用以指定所分析分层数据的来源和方向。读入读入L键：键：用于读取存储的分析结果。存储存储S键：键：用以存储分析读数的结果。判读波速
54、：判读波速：用以对分层中每层速度的判读。结束判读：结束判读：结束判读波速的操作。5）剪切波的）剪切波的 时间时间-深度分层图：深度分层图： 位于窗体右上方的图形框，水平垂直滚动条以及坐标轴，用以显示每测点的位置，及所读的TP、TS 值（红黑两种小圆圈。）6）剖面显示参数设置区：剖面显示参数设置区： 位于窗体右下方的两个文本框和两个组合框，用以设置分层图的显示区域，与两个滚动条联合操作，可以对剖面图进行灵活的观察。87井中三分量检波器中水平检波器 接收剪切信号井中三分量检波器中垂直检波器接收压缩信号各测点横波到时 随深度变化剖面图各测点横波到时 随深变化剖面图881）原始波形区）原始波形区：波速
55、分层分析窗体波速分层分析窗体 （显示列表）（显示列表）2）原）原始测点始测点数据列数据列表表3）分层结果列表）分层结果列表5波波时时/深深度度分分层层图图6）剖面显示参数设置区）剖面显示参数设置区4）查看复选框：）查看复选框：89d、波速分层分析窗体、波速分层分析窗体横波到时与深度的剖面图、原始波形图、测点数据、分层结果为互动窗口互动窗口在此窗口点击相应深度，在左面三窗口中分别显示最近测点的原始波形、判断的横波时、所处土层位置通过选择“X、Y、Z”及“压缩、剪切”在原始波形窗口中显示相应检波器采集的“压缩”或“剪切”波形90在此窗口移动鼠标点击右键验证或修改横波到时，验证或修改值在测点数据中显
56、示对各测点横波到时验证或修改后，点击“存储”，则以“*.REP”文件存储结果数据，下次读取数据进入分析界面点击“读入”即可读取修改后结果点击“判读波速”91若无土层，在此窗口中按着鼠标右键，从孔口向下移动鼠标，直到到达一层土的界面处，松开鼠标右键，使这层土内各测点的时间均匀分布在所画直线的两侧，依次画取后续各土层直线，各直线斜率为各土层剪切波速，显示在分层结果中。若有土层，进入进入。各土层剪切波速显示采用汉字输入法可在相应的位置输入土层名称若在设置窗口中选择按测点计算方式，则显示如下：进入进入。92 5.3 -6 6 结果显示及打印结果显示及打印移动鼠标至速度坐标轴处，双击左键，以下两图可以互
57、换显示点击“打印”，输出相应结果93打印结果时距波速图94打印结果原始数据表、结果数据表95波列显示及打印若想对整个钻孔的采集信号有个总体认识，可选用波列显示打“”选中“波列”，然后点击“打印”点击“打印”，可得波列图点击“退出”，返回分析界面96波形存盘： 波形文件默认，文件后缀就成为.RWV，此文件就成为文本文件。可使用文本编辑器打开文件直接查看。1、单存W：在主操作窗体单击“单存W” 键，把当前数据单独存储在一个波形文件中，此时出现图5WIN95的窗口：先确定存盘子目录，如已有子目录应该进入此目97录（保存在（I）第一行），如需新建子目录，应该在适当的路径上建立，并进该文件。在窗口下部文
58、件名（N）行输入文件名，特别应注意的是文件名后缀是自动生成的不需要输入。单击保存（S）按键，或者使用回车键。98 2、单读L 键： 在主窗体键入L 键，进入数据读入窗体，首先确定驱动器名，然后确定子目录名，再选择文件名，使用“确定”键读取文件。关于波列文件存储方式：关于波列文件存储方式： 为了提高波形数据的存取效率，一个波列数据分别存储在两种文件中为了提高波形数据的存取效率，一个波列数据分别存储在两种文件中。它们的后缀分别是.RTX和和.RDA。还有在波形数据分析读取中，使用.REP后缀存储结果数据。 存储后缀是存储后缀是.RTX的文件的文件，是以文本的方式存储波列的现场参数、测点的检测系统参
59、数、检测结果。 后缀是后缀是.RDA的文件的文件，是以二进制方式存储各测点的波形。 在波形数据分析界面中，对各个深度测点的横波到时，验证和修改后，点击“存储”则以.REP文件存储结果数据文件存储结果数据。如果再进入数据分析界面中，“点击读入L”，即可读取修改后的数据。A、新存N ： 新存一对波列文件作为当前波列文件，并将当前数据存入此波列中。点击N 命令按键，出现新建波列窗体，只要输入文件路径、文件名称便可自动形成.RTX和.RDA两个文件用于存储数据。99B、打开R： 点击R，出现数据读取窗体，此时出现.RTX为后缀的文件，此时可以选取要读的波列文件，程序会将RTX和.RDA两个文件都打开，
60、并读入每一个测点的数据。C、续存A： 将当前的测得的数据存入当前波列文件尾。“续存”是以波列方式储存数据的常规操作，建立一个波列时，只在存储第一个测点数据时以“新存”方式完成，而后存储其它所有数据只能以续存的方式进行。100101本节内容本节内容5.4波速测井的应用波速测井的应用5.4 -1 在工程地震勘察中的应用；5.4 -2 场地土类型及类别的判断、划分； 一）关于场地土类型和场地类别一）关于场地土类型和场地类别 二）因为二）因为Vs比比Vp 更能反映介质的弹性的变化，即用剪切波更能反映介质的弹性的变化，即用剪切波 速度判速度判 断、断、 区分、确定场地土的类型更准确。区分、确定场地土的类
61、型更准确。 三）特殊土类三）特殊土类: A）填土 B）黄土 c）常用砂土： 四）场地土类型的划分举例：四）场地土类型的划分举例： 五）建筑场地类别的划分：五）建筑场地类别的划分： 六）场地工程地震勘察的内容：六）场地工程地震勘察的内容：102 5.4-1 在工程地震勘察中的应用在工程地震勘察中的应用 弹性波速测井简称波速测井，它是地球物理测井的一个分支，由于方法简单，可以直接得到剪切波速度，目前以广泛应用于石油、煤田、固体矿产和水文观察地质调查的多种领域，特别是工程及水文工程地质调查中，波速测井经常与浅层地震勘察相配合，两种方法可以取得 （ 1+1 ） 大于2的效果。在工程地震勘察的资料解释中
62、，准确的Vp 和Vs 波资料是不可缺少的。在速度分析中获得的速度资料与测井相比，精度上是有较大差别的。因此，使用波速测井提供的速度资料，确定标准层、进行地层分层是工程地震勘察过程中不能短缺的重要方法。在设计和布置工程地震勘察测线时，如果测区内做过波速测井（或者其他地球物理观测），则应当使测线尽量通过测井或者靠近测井位置，以求得到原有的地层速度及其它地球物理资料，使勘察工作能够达到更高的水平。 在大面积工程勘察的施工时，为了地震勘察需要，在测区内或者测线上的地质构造复杂地段，可以专门进行波速测井测试，以求使工程地震勘察能够达到最佳效果。 一般来说，波速测井可以原位测定P波和S波的速度，在不同的1
63、03地球物理前提下，能够有效地解决许多地质方面的问题。例如：提供断裂破碎带的位置、地层厚度、地层岩土的软弱特性和固结程度，还可以解决反射法、折射法难以探测和解决的低速夹层等问题。 5.4- 2 场地土类型与建筑场地类别的划分场地土类型与建筑场地类别的划分一）关于场地土类型和场地类别：一）关于场地土类型和场地类别： 场地土类型是确定建筑场地类别的主要依据。为了考虑不同场地土质条件对地震反映的影响，需要对场地土进行分类。场地土是场地工程地质条件（简称场地条件）的一个方面。它包括：地形地貌、水文工程地质、土层结构、剪切波速、岩土类型等方面。国内外地震现场调查资料表明，场地条件对地震场地效应具有重要影
64、响。由于各地区各种工程地质因素组合不同，场地条件随之而变化，因此，产生的地震效应往往各地都不相同。为了评估未来地震对建筑物场地可能产生的地震效应，以为了评估未来地震对建筑物场地可能产生的地震效应，以便对工程场地的抗震性能做出评价并提供有关工程抗震设防依据便对工程场地的抗震性能做出评价并提供有关工程抗震设防依据。因此，必须对场地土类型和场地类别进行评价。 场地土类型、类别不同，对地震的响应和影响大不相同。土是地球表层岩石经受风化作用后而形成的。其主要特征是分散性、复杂性和多变性。104它的性质随形成过程和自然环境的不同有显著的差异。在工程建设中，土既是作为承受建筑物荷载的地基，也是建筑物周围的介
65、质和环境。地震波就是通过土介质传到地面，而产生强烈的地面运动。由于场地土地质条件的不同，所产生的地震地基效应也不同，导致建筑物的破坏形式也不同。 场地土质条件，是在近场地范围内，地表以下的地层结构、土层类型、分布深度与厚度、土性变化与工程特征等以及对地基稳定性可能产生的地震影响。 场地土的类型系场地范围内表层土的刚度（软硬程度）的表征场地土的类型系场地范围内表层土的刚度（软硬程度）的表征，它是根据岩土名称、性状和剪切波速来划分的。我国现行有关建筑物抗震设计规范规定，一般按取地下20米，且不得深于场地覆盖层厚度内各土层的性状和平均剪切波速，将场地划分为：坚硬土、中硬土、中坚硬土、中硬土、中软土、
66、和软弱土软土、和软弱土四种类型。见表：105（米米/秒）秒）土 的 类 型 岩 土 名 称 和 性 质土层剪切波速度(m/s)坚硬土和岩石稳定岩石，密实的碎石s 500 中硬土中密、稍密的碎石土密，密、中密的砾、粗、中砂，a200KPa的粘性土和坚硬黄土 500s 250 中软土稍密的砾、粗、中砂除松散外的细粉砂a200KPa的粘性土和粉土。a130KPa的填土，可塑黄土 250s 140 软弱土淤泥和淤泥质的土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，a130KPa的填土，流塑黄土。s140土的类型划分和剪切波速值的划分106 建筑抗震设计规范规定，对于楼房层数不超过10层且高度不超过30米的一般
67、建筑物，当场地尚无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表中划分土的类型，在利用当地经验在表内的剪切波速范围内估计各个土层的剪切波速。 这里特别指出的是，由于各地土层沉积环境的不同，由各种土类构成的层状场地土的性状差异很大，即使是同一类型的土层，其饱和度、密度、有效应力等物理力学性质也有明显的变化。显然，对于重大的建筑物场地进行场地土分类时，应该以实测剪切波速为依据。为什么使用实测剪切波速为依据来对场地土进行分类呢？二）因为二）因为Vs比比Vp 更能反映介质的弹性的变化，即用剪更能反映介质的弹性的变化，即用剪切波速度判断、区分、确定场地土的类型更准确切波速度判断、区分、确定场地土的类型更准确
68、。 根据现有的一些资料，各类土的平均剪切波速VS值、承载力大致范围列表如下：107108三）特殊土类：三）特殊土类： 特殊土类是在特殊的自然地理环境和人为条件下形成的具有特殊性质的土。这种土若按常规设计地基的方法便不能满足设计要求，必须按照专门的分类和有关的设计规范，才能满足设计要求。特殊土类主要有红粘土、湿陷性黄土、膨胀土、人工填土以及软土。由于时间关系，我们仅就在城市工程勘察经常遇到的对地基危害较大的人工填土、黄土简单加以介绍。A）填土 是指由人类活动而堆积的各类土，一般岩土性质杂乱规律性较差，按其组成物质成分可分为： 1、素填土：、素填土：由碎石、沙土、粘性土等组成的，若分层压实为压实填
69、土。 2、杂填土：、杂填土：含大量建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。 3、冲填土：、冲填土：由水力冲填泥沙形成的沉积土。 填土的波速、性状变化较大100m/s250m/s，物质成分复杂均匀性较差。素填土按主要组成物质分为碎石、粉性及粘性素填土。杂填土应为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。在使用填土地基修盖各种建筑物时，一定要进行处理。冲填土是用高压泥浆泵将挖泥船挖出的泥沙，或者使用高压泥浆泵把海岸边的沙土，通过输沙管，用水力吹到预定的地段，经排水后形成的填土。这种方法目前被广泛采用兴建大型人工港口、码头。109B）黄土 天然黄土主要是呈黄色和黄褐色，颗粒大小以0.050.0
70、05mm 的粉粒为主富含碳酸钙，垂直解理发育，具有湿陷性黄土受到水侵湿后，土的结构迅速被破坏，黄土的强度迅速降低，具有湿陷性，黄土受侵湿后土体显著沉陷的特征。按总失陷量的大小，按 失陷黄土地区建筑规范（gbj-90)规定，将黄土地基的湿陷等级分为七级。 在黄土地区进行工程建筑时，应该尽量避免破坏黄土的天然结构以保持其较高的抗剪能力。为了防止由于地基侵水产生失陷变形危害地基，在设计施工中应该采取应对措施，事先进行地基处理，加强建筑场地的排水、防水措施，消除地基的失陷性。c）常用砂土：110 铁路工程抗震规范（GBJ11-87)将场地土划分为三类： 类场地土： 岩石和土层为密实的块石、砾石土和岩土
71、，土层的平均剪切波速大于500 m / s 。 类场地土： 类场地土和类场地土以外的稳定土或土层的平均剪切波速大于140 m / s 并小于500 m / s 。 场地土： 土层为松散饱和的中砂、细砂、粉砂；新近沉积的粘性土或软塑至流塑的粘性土；淤泥和淤泥质土；新填土，或土层的平均剪切波速小于或等于140 m / s 。四）场地土类型的划分举例：四）场地土类型的划分举例： 砂土的密实度，可按标准贯入的捶击数N 值大小分为松散、稍密、中密、密实四类，具体分类见下表：111（五）建筑场地类别的划分：（五）建筑场地类别的划分： 建筑场地的类别是场地条件地表征，划分场地类别主要是作为抗震设计中选抗震设
72、计中选择设计反应谱的依据择设计反应谱的依据。我国现行有关工业与民用建筑物、结构物的抗震设计规范主要根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度将建筑物场地划分为四类：见表7-21121、场地覆盖层厚度的确定：、场地覆盖层厚度的确定： 建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：（1） 一般情况，按地面至剪切波速大于500 m / s 的土层顶面的距离来确定。（2） 当地面5米以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层时，且其下卧岩土的剪切波速均不小于400 m / s 时，可按地面至该土层顶面的距离确定。（3） 剪切波速大于500 m / s 的孤石、透镜体、，应视同周围土层。（4） 土层中的
73、火山硬夹层、应视为刚体，其厚度应从覆盖土层扣除。 2、土层等效剪切波速的计算： 场地土层剪切波速的平均，采用等效剪切波速的公式计算，即：113式中：Vse - 土层等效剪切波速 d0 - 计算深度（m） ，取覆盖层厚度和20米二者的较小值 t - 剪切波从地面至计算深度之间的传播时间 di - 计算深度范围内第i 土层的厚度（m) VSi - 计算深度范围内第i 土层的剪切波速 （ m / s ) n - 计算深度范围内土层的分层数各个行业的工程场地类别举列：铁路工程抗震设计规范规定，场地类别按场地土平均剪切波速和基本承载力确定，见表7-4114 构筑物抗震设计规范（JB50191-93）和电
74、力设施抗震设计规范（GB50260-96）采用场地指数作为场地评定标准将建筑场地划分为四类：硬场地、中硬场地、中软场地、软场地。 场场 地地 分分 类类 场地类别 场地土场平均剪切波速 VSm / (m/s) 500500140140 场地土基本承载力 0/KPa10001000100100表7-4 铁路工程场地类别场地分类 硬场地 中硬场地中软场地 软场地场地指数 10.800.80 0.350.350.050.05 0115场地指数可按下列公式计算：式中：场地指数；场地土层刚度对地震效应响应的权系数，可采用0.7；场地覆盖层厚度对地震效应响应的权系数，可采用0.3；场地土层刚度指数场地覆盖
75、层厚度指数场地土层的平均剪切模量（MPa）场地覆盖层厚度（m)，可采用地面至剪切波速大于500m/S 的土层顶面距离。（或者剪切模量大于500MPa ）116当场地土的剪切模大于500MPa，或者覆盖层的厚度小于5米时，场地指数取1.0。场地土层的平均剪切模量，可采用地面以下20米深度范围内土层的平均剪切模量。当厚度小于20米时，可按实际覆盖地层厚度确定。六、场地工程地震勘察的内容：六、场地工程地震勘察的内容：1、场地第四纪地质与地貌的特征2、场地范围内地层分布、土层结构与性状3、场地覆盖层厚度、基岩埋藏深度4、场地下水位5、场地饱和沙土层和软土层成因、岩性分布6、场地土层剪切波速与地面脉动卓
76、越周期7、场地以及进程地质调查、第四纪以来的活动断层8、场地斜坡地段地震稳定性调查与评价9、场地以及近场地震调查与地震烈度的复合10、确定建筑物场地的类别11、场地地震危险性分析12、确定地震动参数，编制地震小区划图13、确定场地地震地质灾害类型 1175.4-3 估算场地固有周期：估算场地固有周期： 场地固有周期T 与场地的很多性质有关，获得场地固有周期T 除了使用“常时微动”观测能够得到外，还有很多的计算方法（七种），我们讲其中与剪切波速有关的三种：（一）四分之一波长法求固有周期：（一）四分之一波长法求固有周期： 1）单一土层场地的基本周期：）单一土层场地的基本周期： 式中：TV - 场地
77、基本周期. Vs - 覆盖土层总厚度，实测平均剪切波速（m / s ). H - 覆盖土层总厚度.2)多层土场地的基本周期：多层土场地的基本周期：式中118 为了减少根据场地土层实测剪切波速测算场地基本周期的误差，计算深度深度应该是场地覆盖土层总厚度。基岩面应该是VS 500 m / s 的坚硬土层或者是VS760 m/s 的软基岩的顶面；场地岩土层的分布应该基本均匀水平。 （二）使用剪切模量法计算固有周期：（二）使用剪切模量法计算固有周期： 基本公式：这是一种估算的方法，与实测相比有一定误差。119场地土在振动情况下可能出现最大振幅的周期，称为场地基本周期场地基本周期（T0），或场地的卓越周
78、期、固有周期。场地基本周期反应场地土的固有动力性质，与场地地震基本周期相当.根据场地土平均剪切波速值计算场地基本周期根据场地土平均剪切波速值计算场地基本周期1205.4 -4 其它方面的应用 剪切波速测井在工程勘察和地震安全性评价等方面，得到了非常广泛的应用。在这里仅简单加以介绍。 1）利用地震刚度法调整烈度：）利用地震刚度法调整烈度：VS 与密度的乘积叫刚度。 在工程地震小区划的工作中，通常将土层中波的传播速度与土层密度的乘积称为地震刚度。观察表明场地的地震烈度的调整还要依赖于该场地土层的地震刚度。选择一个标准场地和有关参数与研究场地相比较，可以得到地震烈度经验调整公式：式中I 为烈度增减量
79、； 分别为所研究场地与标准场地的卓越频率（卓越周期）；分别为所研究场地与标准场地的横波速度。121 2）用）用G0 定性评价震害程度：定性评价震害程度： 我国的地震工作者通海、海城和唐山等地区震害调查资料和地震波速的实验研究，提出土层的平均剪切模量是衡量具体场地土质条件的一个有效参量，它与地震灾害存在某种定性关系，平均平均剪切模量用G0 来表示，其定义为：式中 为第i 层土的动剪切模量，它等于VS平方与密度的乘积。 是所考虑土层的有效厚度。用这种方法研究场地称为平均剪切模量法。3）土层动力放大倍数的估算：）土层动力放大倍数的估算：在进行工程场地选择时，有时还要针对各类建筑物估算其场地土层的动力
80、放大倍数（或系数），定义为：作为估算值，土层的动力放大倍数可以利用土层剖面的剪切波速值求出。122对于基岩之上只有一层土的时候，土层的动力放大倍数可以这样计算：式中分别为土层和基岩的剪切波速度和密度值。为干扰力的原频率；H为地层厚度；的最大值发生在共振状态，即 。这时在地表面的最大值可以记为：123 4）场地土动弹模量的计算：）场地土动弹模量的计算： 剪切波速度与传播介质的弹性模量有关，当近似的考虑和研究土层的弹性性质时，利用场地土实测的波速值，可以计算出土层的弹性模量。利用波速值计算出来的弹性模量叫做动弹模量，它与室内利用应力与应变计算出来的静弹模量还是不相同。计算静弹模量的公式有：、为拉梅
81、弹性常数；E 为杨氏模量。1245）根据）根据VS 的大小判定场地液化：的大小判定场地液化： 目前国内已有几种根据剪切波速度判断场地液化的经验公式。下面介绍两个常用的公式：A）基于室内实验的资料和野外观测的经验，直接由剪切波速度判断场地液化的式子：式中 为液化临界剪切波速，当实测剪切波速 时判为液化。 是深度为1米处液化临界剪切波速 ，其大小与土层烈度有关。 为沙层和粉土层的埋深。B）利用剪切波速度VS和标准灌入N值得相关性，可以把以N值为判断液化的判别式转换为以VS 的判别式，现场研究的经验公式为：125 ( 六）六） 剪切波速推测的工程应用剪切波速推测的工程应用摘要：摘要： 剪切波速是场地
82、地震反应分析中，一个重要的计算参数。针对工程中剪切波速测试不能达到技术要求的情况，本文简单分析了剪切波速测试不能达到要求的原因，并介绍了使用剪切波速推测作为弥补手段，使剪切波速达到要求。通过工程实例介绍了两种推测剪切波速度的方法。一种是利用指数形式的经验公事推测剪切波速，主要是介绍了通过微调部分参数，使得推测结果更接近实际情况。另外一种是利用多项式形式拟合来推测剪切波速。主要是通过观察其分布规律，来确定其分布函数的形式。 关键词：剪切波速、推测、经验公式引言引言 剪切波速是工程场地地震安全性评价和地震小区划中必备的参数之一，是土层地震反应分析中的一个重要参数。剪切波速反应了土层的刚度特征，并对
83、场地地震动参数有显著影响。即剪切波速是关乎场地结果的一个重要参数，故剪切波速的测试与估计是一项重要的工作。然而，在在具体的工程场地地震安全性评价和地震小区划工作中剪切波速测试是一个实际的工程问题，它将受到实际情况（钻孔深度、土层埋藏条件、土类、成孔工艺和测试方法）等的制约，126使得剪切波速测试过程中出现塌孔现象，使得剪切波速测试不能达到测试工作要求深度，或者是钻孔深度达到相关规范规定的极限深度而剪切波速测试结果未满足要求（如500m/s)，这也是过程中经常遇到的问题，这时必须对剪切波速进行估计，以便得到比较合理的估算土层地震反应的结果。 目前剪切波速的推测工作已经取得不少成果，基本都是根据土
84、性参数出发，对实测的波速资料进行统计分析，得到剪切波速拟合的公式，从统计的土性参数来看，经验公式有以下几种： 第一种方法：第一种方法： 仅根据深度来统计，认为剪切波速值随深度线性变化，具体形式为： s = a + bh (式中 s为剪切波速值，h 土层的深度，a、b 拟合系数）。 第二种方法：第二种方法： 根据土性和深度来统计，认为剪切波速值随着两个两个参数值呈指数变化，具体形式为： s = a + bh (式中 s为剪切波速值，h 土层的深度，a、b 拟合系数）127 第三种方法是：第三种方法是： 根据标准惯入值来统计。认为剪切波速随着标准贯入N值成指数变化或者是呈双曲线变化。具体形式为 或
85、 s = N/(aN+b) (式中s为剪切波速值，N为标准贯人击数，a、b、c为拟合参数）。 本文在后面也尝试用到另一种方法，这种方法认为剪切波速随深度呈二项式变化，具体形式为s = a+bh+ch (式中s为剪切波速值，h 为土层深度， a、b、c为拟合参数）1利用指数形式的经验公事推测剪切波速利用指数形式的经验公事推测剪切波速2 利用指数形式的经验公事推测剪切波速度是目前较为传输的一种方法，目前在工程上研究院一定的应用。构筑物抗震设计规范（GB50191-93）中给出了较完整的经验公式，薄景山在期博士后出站报告中5对规范中的方法加以完善补充，是目前较完整的剪切波速的推测经验公式，该经验公式
86、依据土类、沿途形状和深度对剪切波速进行推测，具体如下：式中hi是第i层土中点处的深度(m)、a 土层剪切波速计算系数，b土层剪切波速计算指数a和b由下表决定：3 128 岩土形状系数名称 土 的 名 称 粘性土 粉细纱 中粗沙卵石、碎石固结较差的流塑、软塑土、松软砂土a709080 b 0.30 0.243 0.280软塑、可塑粘性土土，中密或稍密的砂、卵 a 100 120 120 170 b0.30.2430.2800.243硬塑、坚硬粘性土密实的砂、卵、碎石 a130150150200 b0.30.30.2800.243再结较的砂、卵碎石、风化岩石 a300500300500300500
87、300500 b 0 0 0 01291.1 剪切波速公式推测的应用 上述剪切波速的土层公式在山东济南一工程场地的地震安全性评价中得到应用。该工程第四号钻孔深度达103.5米，塌口现象严重，致使剪切波速仅测到86米深度，并且未达到（500m/s)的标准。故应用公式（1）对下部的剪切波速进行了推测。推测采用了两种方法，一种是严格按照公式1中和表一中的参数进行推测，简称方法一：二是对表1中的某些参数进行微调后进行推测，简称方法2。推测的深度、相应的沿途形状和土的名称以及论证方法推测的结果列于表2。两种方法的拟合结果如图一所示。1.2 推测结果的分析 从图1和表2的结果可以看出，方法1和方法2拟合个
88、结果都能够反应剪切波速变化的规律，一旦误差范围内都能够对实测剪切波速进行拟合。图1显示出方法2的拟合结果和实测的波速值拟合很好，其拟合效果明显好于方法1，表2显示出方法2的推测结果与实际误差比方法1的小。这些都说明，对推测剪切波速的经验公式的参试进行微调的方法可以更准确的取得波速值。剪切波速估计的经验公式本身就是对已有结果统计而来的，反映了剪切波速随深度、土类和沿途性状的变化的大体规律，但在不同的具体地区有一定的差别，所以对于一个具体的钻孔来说，利用具体钻孔的剪切波速资料对公式的部分参数进行微调，使已有资料更好的拟和效果，从而获得该钻孔更准确的拟和参数，进而探测未测部分的剪切波速，这种做法，是
89、值得推荐的一种做法。130推测深度（m)土的名称岩土性状剪切波速实测值 (m/s) 剪切波速推测值（m/s） 方法一 方法二 ab波速误差 %ab波速误差 %76.0粉质粘土375.41000.3366.6-2.30102.50.3378.80.1178.0粉质粘土380.31000.3369.5-2.84102.50.3378.7-0.4280.0粉质粘土378.51000.3372.3-1.64102.50.3381.60.8282.0粉质粘土385.51000.3375.1-2.70102.50.3384.50.2684.0粉质粘土387.21000.3377.8-2.43102.50.
90、3387.3-0.0386.0粉质粘土390.11000.3380.5-2.46102.50.3390.00.03表2 剪切波速推测结果剪切波速推测结果13113287.0粉质粘土1000.3381.8102.50.3391.489.0粉质粘土1000.3384.4102.50.3394.091.0粉质粘土可塑 硬塑1000.3425.71100.3425.793.0粉质粘土1000.3467.41200.3467.495粉质粘土1000.3509.61300.3509.697粘土硬塑1000.3512.81300.3512.81331341351361371、简述波速测井的原理公式的推导过程？2、悬浮式P-S 波速测井与普通测井有哪些区别？3、波速测井对钻孔有什么要求？4、波速测井中为什么使用SH波？ SH波是怎样产生的？工作时要注意哪些事项？5、气囊式和杠杆式井中三分量检波器使用时各有哪些特点？6、简述测井仪工作模式参数和测点自动定位参数的内容？7、画出波速测井的现场工作原理和设备图？8、如何使用刚度法调整烈度？如何估算土层动力放大倍数？9、如何使用剪切波速值对土的类型进行划分？10、建筑抗震规范对场地类别划分的标准是什么？11、场地类别划分中为什么对填土特别关注？填土怎样分类？12、场地覆盖层厚度怎样确定？、土层等效剪切波速怎样计算？138139
