影响地层剪切波波速的主客观因素分析

地基检测所 陈义军

【摘要】：弹性波在土层中的传播速度是反映土的动力特性的一项重要参数，根据波速测试的实测地层波速，能为抗震设计提供场地土的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析等。本文通过作者十余年从事大量工程的波速测试工作，所总结的这方面的工作经验，来介绍分析影响岩(土)体地层波速的主客观因素。

【关键词】：工程勘察；地层；剪切波；压缩波；波速；因素

一 前言

波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于工业与民用建筑、铁路工程、水利水电工程、石油工程、冶金工程等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。

一般来说，波速测试可原位测定压缩波(P波)、剪切波(S波)等在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩(土)体质量等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。

波速测试作为浅层地球物理勘探方法（或原位测试技术），具有简便、快速、经济、准确、分辨率高、应用范围广等优点，受到工程技术人员的青睐和使用。但是，在波速测试的实际工作当中，不同的技术人员、不同的钻探队伍、不同的工作环境，得出的地层波速值往往差别很大。 首先，先从波速测试的基本原理说起。

二 波速测试的基本原理

当固体介质受到外力冲击时，介质受到应力作用而产生应变，在作用于介质的应力消失后，应变和应力失去平衡，应变就在介质中以弹性波的形式由介

质中的质点依次向周围传播，这种弹性波成分较复杂，既有面波又有体波，体波又分为压缩波（P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水平分量称SH波。在地层表面传播的面波可分为瑞雷波(Rayleigh)和拉夫波(Love)，各种波在介质中传播的特征和速度各不相同。

三 波速测试的野外工作方法

纵波波速（VP）测试方法有：反射波法、折射波法、跨孔法和检层法。横波波速测试方法有：面波勘探法检测地层的瑞雷波速度后，推算出地层的剪切波速度；单孔法或跨孔法。在岩土工程勘察中，最常用的测试方法是单孔检层法，下面以单孔检层法为例说明。

（一） 震源设备：震源要求是产生能量较大、稳定性和重复性好。

（1）剪切波震源主要有击板法、弹簧激振法、定向爆破法三种。弹簧激振法、定向爆破法两种震源产生的能量较大，能测试较深的钻孔，而普遍应用的是击板法，它是将长2～3m、宽0.3m、厚0.05m的激振板放在离孔口约1～3m处的地面上，木板与地面接触良好，木板上需压一定量的重物（根据测试深度不同，木板上所压重量也不同。一般测试孔深越大，所压重量也越大），用木锤或铁锤水平敲击木板两端，木板于地面产生剪切力，使地层产生剪切波。

（2） 压缩波震源设备

压缩波震源主要有炸药震源、电火花震源、锤击震源三种。理论上讲，在无限空间中爆炸震源不产生剪切波，因此，炸药震源是很好的压缩波震源，尤其是适合深孔测试波速，但由于炸药和雷管在运输、储存以及使用过程中都要涉及安全问题，在城市勘察中已很少使用。电火花震源的主要优点是发射功率较大、传播距离远、方法简便和激发声波余震短等，其缺点是由于储电电容器等设备复杂笨重、现场需要交流电或发电机。普通电火花震源主要用于产生压缩波，通过用爆炸储能罩改进后，也可以产生丰富的的剪切波。锤击震源是在地面上水平铺上钢板或铜铝合金板，合金板与土紧密接触，通过垂直锤击合金板压缩土体，使土体产生压缩波（纵波）。纵波锤击震源的优点也是简单方便，缺点是能量相对较弱，测试深度相对较小。

（二） 测试仪器：由孔内三分量检波器与地震仪组成。三分量检波器由三个互相垂直的检波器组成（X、Y、Z方向各一个），它们同时安装在一个密封的钢筒内，垂直方向安装的检波器用于接收纵波，两个水平方向的检波器可接收地表传来的横波（SH波）；地震仪需要具有信号增强功能，以便突出有效信号，降低噪声及干扰的影响。目前地震仪的型号较多，我院使用的有美国Bison-1580、重庆产DZQ12－1、长沙产GJY－1系列、北京产SWS－2型等型号仪器，它们均具有信号增强功能，能满足波速测试的要求。

（三） 测试方法：单孔法波速测试现场连接如图1所示：

检测仪 充气装置 重物 剪切波激发板 压缩波激发板 波P波 S 气囊 三分量检波器 图１ 单孔法波速测试示意图

钻探成孔后，将检波器放至孔底后，自底部向上依地层界面测试，一般用气筒充气固定检波器，使其紧贴孔壁。测试横波时用木锤或铁锤水平敲击木板两端；测试纵波时用铁锤垂直敲击合金板。敲击所产生的剪切波（或压缩波）经地层传播到达测试点，孔中检波器接收到弹性波信号，经电缆送入地震仪进行放大、储存、记录。测试点的间隔根据地层界面情况而定，通常的做法是平均1～2 m 一个测试点，界面处的测试点需重复测试。这种测试方法的好处一是测试时带有深度记号的电缆（或细钢丝绳）不弯曲，保证测试深度的准确性；二是便于追踪波的初至，保证相位不错。

（四） 波速计算：根据压缩波与剪切波的不同振相特征，我们可以在不同地层界面点准确测定压缩波或剪切波的到达时间，准确求出各地层的波速值。

如图2所示，波在地下的传播并非直线而是折线，如果按照折线考虑，计算方法很复杂，当板孔距L较小时，可简化按下式计算：

VS＝（H2－H1）/ [t2COS arctg(L/H2) -t1 COS arctg(L/H1)]

式中 H1——测点1的深度，（单位m）；

H2——测点2的深度，（单位m）； t1 ——测点1的读时，（单位ms）； t2 ——测点2的读时，（单位ms）。

O L S 第一层 V1

H1 H2 第二层 V2

图2 地震波旅行路程计算图

四 影响地层波速的因素

影响地层波速的因素不外乎主观和客观因素： （一）主观因素

影响地层波速的主观因素有很多，主要包括钻探人员的技术水平、测试人员的技术水平、震源激发环境和条件、仪器性能、检波器接收环境和条件等。 波速测试孔成孔质量的好坏，会给所测的地层波速造成很大的实际误差。比如下表（表1），在同一个工地上（同一地质单元），同一深度地层的两个不同钻孔，却得出差别很大的两个波速值。 表1

钻孔号 1 2 岩性描述 细砂 细砂 深度（m） 9.8 10.0 速度vs(m/s) 212 98 分析原因，这是由两组不同的钻探人员所成的钻孔，终孔深度都是20米。

在测试现场，我们看到1号钻孔人员成孔打出的地层土，堆在钻孔旁只有很小的一堆，而2号钻孔人员成孔打出的地层土，却有很大的一堆，细砂土要比1号的细砂土多很多。这说明2号钻孔10.0米深度的细砂层，在钻孔周围被钻探人员掏得非常松散，不如2号钻孔的细砂层密实，这是人为所造成的结果，所以就得出差别很大的两个地层波速值。

另外，钻孔的垂直度、套管与地层的接触程度（下泥浆粉会使套管与地层接触良好）等都会影响地层的波速。

测试人员技术水平的高低、波速测试经验的多少，对于原始波形的采集、存储、分析都会有差别，这些也是造成所测地层波速值与实际地层波速值差别较大的重要原因之一。

表层地震地质条件主要包括地表附近地质剖面的性质和地貌特点，它往往影响波速测试时的激发条件、接收条件、波的传播。波速孔位置的选择，一般选择在周围无机械震动干扰、无高压动力电源干扰、地下无市政管线等的位置。 （二）客观因素 1、地震波速度

地震波速度是表征地层弹性性质的重要参数，不同地质年代、不同成因和物质成分、不同结构构造的岩（土）体，地震波速度不同，即使同样的岩性，由于沉积环境、沉积年代不同，岩（土）体密度、孔隙度及充填物方面也会有很大的变化，这就导致某一类地层的速度可以在很大的范围内变化，如表2。 表2 地震波在北京地区某一深度的几种主要类型岩（土）体的速度变化范围 岩（土）体 房渣土、填土 粘性土 砂类土 圆砾、卵石 速度vs(m/s) 70～300 110～330 220～410 240～500 岩（土）体 砂岩 粘土岩 花岗岩 玄武岩 速度vs(m/s) 700～2600 300-2000 1100-3000 1100-3300 2、影响地震波速度的主要客观因素

地层的地震波速度主要取决于他们的弹性常数、、和密度。一般说来，

地震波速度随深度增加而增加，另外还与下列各因素有关： （a）岩性是影响地层速度的决定因素

很显然，不同岩性的地层有不同的速度。但是，实际地层并非由“纯”地层组成，在北京地区，第四纪沉积层往往由许多薄的夹层构成。此外，由于沉积环境、沉积年代不同，同一岩性的地层在速度值上也会有很大的变化，不同岩性地层的速度值可以在某一范围内重叠。 （b）裂隙、孔隙度是影响速度的基本因素

由于地震波速度在气体、或液体中传播速度低于岩石骨架固体中的传播速度，因此，裂隙和孔隙度使地震波速度减慢，使弹性波能量减小、使地震波能量衰减增大、振动周期变长的倾向。 （c）孔隙中充填物的影响

地层土中孔隙的空间一般是被水所充填，实验测定证明，当孔隙中的水被液态的碳氢化合物所代替且达到饱和时，速度就可以降低15％～20％；而孔隙中如果被气态碳氢化合物所充填时，则速度值会大大降低。还有，疏松的沙丘，横波速度一般才几十米每秒，若将砂在容器中压紧，速度可达200m/s以上。砂类土颗粒间含有空气，速度会降低；若含水速度将会适当增高。当含水量增多，土和软岩的骨架遭受破坏时，地震波速度会降低。 （d）风化、破碎带

岩石风化破碎后，地震波速度就会降低，应用地震勘探可以发现基岩和未固结层层中的破碎部分。 （e）埋藏深度对速度的影响

一般的地层埋藏得越深、年代越老，承受上覆地层压力的时间长和强度大。因此同样岩性的地层，埋藏深、年代老的要比埋藏浅、年代新的地层速度更大。 加斯曼（Gassman）1951年给出了速度和深度、孔隙度之间的经验公式为

4.4410zvv2.71.720813

式中：v0为z0时的速度值。

图3给出了当v0=1400m/s，不同地层孔隙度时，速度和深度的关系曲线。

图3 速度与深度关系曲线图

五 结语

我们相信，随着电子技术、信号分析、数据处理等手段的广泛运用，钻探技术人员和地震波速测试人员水平的不断提高，所测地层波速值会越来越接近实际地层波速值，必将为工程设计、施工、监测等诸方面提供更多可靠的参数和设计依据。

参考文献

姚姚，2006，地震波场与地震勘探，北京，地质出版社