巖土工程勘察聲波測(cè)井技術(shù)

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目前，煤田測(cè)井主要是利用煤、巖層的導(dǎo)電性、密度、放射性、聲特性等物性差異，進(jìn)行相應(yīng)的方法測(cè)井。隨著數(shù)字測(cè)井技術(shù)的不斷發(fā)展提高，聲速測(cè)井已成為重要的測(cè)井方法之一。可用彈性波縱波速度劃分巖體風(fēng)化帶、解釋軟弱夾層、評(píng)價(jià)巖體完整性、計(jì)算相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)：可用彈性波橫波速度判別沙土液化，參與計(jì)算巖土抗剪強(qiáng)度和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)；其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)可用于評(píng)價(jià)地層的力學(xué)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特性。這些均可為工程建筑設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

1聲速測(cè)井的內(nèi)涵

聲波在不同的介質(zhì)(不同的巖層)中的傳播時(shí)差有明顯差異，巖石中的裂縫、溶洞以及巖石風(fēng)化等會(huì)對(duì)聲波速度產(chǎn)生很大影響，可以通過聲速測(cè)試了解巖層物性特征。聲速測(cè)井所測(cè)的就是聲波在地層中的傳播時(shí)間。目前，聲速測(cè)井一般測(cè)量的是縱波速度，由儀器發(fā)射晶體發(fā)射的聲波耦合后在地層中傳播，經(jīng)地層傳播的聲波被儀器接收晶體接收。因?yàn)榘l(fā)射晶體和接收晶體的間距是一定的，所測(cè)得的聲波傳播時(shí)差與傳播速度成反比。根據(jù)需要可以把傳播時(shí)差換算為聲波速度，結(jié)合其他物理參數(shù)，還可以計(jì)算出橫波速度，從而進(jìn)行巖性的劃分、彈性參數(shù)的計(jì)算，為工程勘察所利用。

2理論基礎(chǔ)

巖石的聲速指的是聲波在巖石中的傳播速度。理論和實(shí)踐證明，巖石的聲波速度主要與密度有關(guān)，并且是隨著巖石密度的增大而增大，其主要影響因素有以下幾點(diǎn)：

(1)巖性。在不同巖性的巖石中，聲波傳播速度不同，這是因?yàn)椴煌瑤r性的巖石密度不同，一般純凈的石灰?guī)r一砂巖一砂質(zhì)泥巖一泥巖的密度依次減小，它們的聲波速度也依次減小。

(2)巖石結(jié)構(gòu)。巖石膠結(jié)性差、疏松，聲波速度低；而巖石膠結(jié)性好、致密，則聲波速度高。巖石中的裂縫、溶洞等均會(huì)對(duì)聲波速度產(chǎn)生較大影響。

(3)巖石孔隙間的儲(chǔ)集物。巖石中孔隙問的儲(chǔ)集物不同，也會(huì)對(duì)巖石的聲波速度產(chǎn)生影響。

(4)地層埋藏深度及地質(zhì)時(shí)代。地層埋藏的深淺及地層時(shí)代的新老均對(duì)聲波在地層中的傳播產(chǎn)生影響。巖性和地質(zhì)時(shí)代相同，地層埋深大、壓力大，則聲波速度高；反之，地層埋深淺、壓力小，由聲波速度低。同一巖性，老地層比新地層聲波速度高。聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度見表1。

3應(yīng)用范圍

(1)劃分鉆孔巖性。不同的巖層具有不同的聲波傳播速度，因此聲速測(cè)井可以判斷地層巖性，結(jié)合電阻率、自然伽瑪?shù)葏?shù)，對(duì)鉆孔巖性進(jìn)行劃分。

(2)確定巖層風(fēng)化、氧化帶。巖石因風(fēng)化、氧化，膠結(jié)程度變差，疏松甚至破碎，強(qiáng)度減弱，密度減小，波速減小。測(cè)得的聲波速度與新鮮完整巖石的聲波速度進(jìn)行比較，波速減小量反映了巖石的疏松、破碎程度，據(jù)此可確定巖層風(fēng)化、氧化帶。

(3)解釋裂隙和軟弱夾層。巖層因?yàn)橛辛严都败浫鯅A層的存在，聲波傳播速度在此處降低，聲速測(cè)井曲線產(chǎn)生低的異常是解釋裂隙及軟弱夾層的主要依據(jù)。

(4)確定彈性參數(shù)。根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí)，可根據(jù)介質(zhì)密度D，介質(zhì)中聲波傳播的縱波速度v與橫波速度v確定介質(zhì)的彈性參數(shù)：式中：E為介質(zhì)的彈性模量；k為體積模量；u為切變模量；8為泊松比。聲速測(cè)井一般提供的是縱波時(shí)差△，并可換算為縱波速度v，而橫波速度v由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

4應(yīng)用實(shí)例

4．1劃分鉆孔巖性

我市一綜合樓AQJ1號(hào)勘察鉆孔的綜合測(cè)井成果如圖1所示，鉆探揭露的地層主要有黏土、砂質(zhì)黏土、砂巖、泥巖。其中，砂巖、砂層的縱波速度較高，黏土的縱波速度較低，砂巖、砂層的視電阻率為高異常、自然伽瑪為低異常，在綜合分析解釋的基礎(chǔ)上，劃分了鉆孔巖性剖面，分層效果良好。

4．2確定巖層風(fēng)化、氧化帶

(1)I號(hào)抽水蓄能電站ZK01號(hào)勘察鉆孔的綜合測(cè)井成果如圖2所示，所測(cè)深度內(nèi)均為石英砂巖，垂深17．2m以下縱波速度平均為6200m／s，而在17．2m以上縱波速度平均僅為3300m／s。其原因即為淺部巖層風(fēng)化、氧化，成為卸荷帶，波速明顯減小。

(2)Ⅱ號(hào)抽水蓄能電站SZK02號(hào)勘察鉆孔的測(cè)井成果如圖3所示，鉆探揭露的基巖是花崗巖，縱波速度曲線在46．20m以淺為較低異常(最低170Ore／s，平均在3500rids左右)，確定46．20m以淺為巖層風(fēng)化、氧化帶。

4．3解釋裂隙和軟弱夾層

裂隙和軟弱夾層都是工程建筑，特別是水利工程建設(shè)中需要重點(diǎn)處理的地質(zhì)問題。Ⅲ號(hào)抽水蓄能電站LN01號(hào)勘察鉆孔的測(cè)井成果如圖4所示。鉆孔揭露的巖層也是花崗巖，在孔深21．5O～22．0O，33．8O～34．4O，40．1O～40．90m縱波速度曲線均表現(xiàn)為低尖峰異常，與視電阻率曲線低尖峰異常一一對(duì)應(yīng)，分析解釋為巖層裂隙，經(jīng)與鉆探取心資料對(duì)比，完全吻合。當(dāng)裂隙在后期充填泥質(zhì)后就成為軟弱夾層，曲線反映與裂隙相似。

4．4確定彈性參數(shù)

將測(cè)井計(jì)算的巖土層力學(xué)性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)室獲得的巖土層樣的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的相關(guān)性和可比性，可作為評(píng)價(jià)巖土層強(qiáng)度的依據(jù)，為工程勘察參考所利用。汝陽縣前坪水庫ZK3號(hào)工程勘察鉆TLN井成果見表2。由于聲波測(cè)井是連續(xù)的(一般0．05m，精度高)，計(jì)算的彈性參數(shù)也是連續(xù)的，根據(jù)需要，可以從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫導(dǎo)出大于等于0．05m多種深度間隔的彈性參數(shù)數(shù)據(jù)表，非常方便。

5結(jié)語

2000年至今，先后對(duì)我市多個(gè)高層建筑的工程勘察鉆孔進(jìn)行了聲速測(cè)井。在工程勘察中，巖土層的動(dòng)彈模量等彈性參數(shù)反映了巖土層的相對(duì)強(qiáng)度，能夠?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。聲速測(cè)井除了能夠計(jì)算各種彈性參數(shù)外，還能夠進(jìn)行巖性劃分、圈定巖體氧化帶、解釋軟弱夾層等，在工程勘察中發(fā)揮了重要作用。依據(jù)聲速測(cè)井資料，結(jié)合視電阻率和密度參數(shù)，較好地劃分了風(fēng)化、氧化帶，確定了新鮮基巖面位置和裂隙及軟弱夾層，劃分了鉆孔巖土層和建筑場地土的類型。實(shí)踐證明，聲速測(cè)井應(yīng)用效果良好，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。