陳義軍

（北京市勘察設計研究院 北京 100038）

【摘要】：彈性波在土層中的傳播速度是反映土的動力特性的一項重要參數，根據波速測試的實測地層波速，能為抗震設計提供場地土的動力參數、劃分建筑場地類別、評價地震效應、進行場地地震反應分析等。本文通過作者十余年從事大量工程的波速測試工作，所總結的這方面的工作經驗，來介紹分析影響巖(土)體地層波速的主客觀因素。 【關鍵詞】：工程勘察；地層；剪切波；壓縮波；波速；因素

作者簡介：陳義軍（1970- ），男，1995年畢業(yè)于中國地質大學，長期從事工程物探工作。

一 前言

波速測試技術是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術的一個重要分支，目前已廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、鐵路工程、水利水電工程、石油工程、冶金工程等眾多巖土工程地質勘察領域，取得了良好的應用效果。

一般來說，波速測試可原位測定壓縮波(P波)、剪切波(S波)等在巖(土)體中的傳播速度，從而避免了室內測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質問題，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結特性和軟硬程度、評價巖(土)體質量等；并可計算工程動力學參數，如動剪切模量、動彈性模量等。

波速測試作為淺層地球物理勘探方法（或原位測試技術），具有簡

便、快速、經濟、準確、分辨率高、應用范圍廣等優(yōu)點，受到工程技術人員的青睞和使用。但是，在波速測試的實際工作當中，不同的技術人員、不同的鉆探隊伍、不同的工作環(huán)境，得出的地層波速值往往差別很大。 首先，先從波速測試的基本原理

說起。

二 波速測試的基本原理 當固體介質受到外力沖擊時，介質受到應力作用而產生應變，在作用于介質的應力消失后，應變和應力失去平衡，應變就在介質中以彈性波的形式由介質中的質點依次向周圍傳播，這種彈性波成分較復雜，既有面波又有體波，體波又分為壓縮波（P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水平分量稱SH波。在地層表面?zhèn)鞑サ拿娌煞譃槿鹄撞?Rayleigh)和拉夫波(Love)，各種

波在介質中傳播的特征和速度各不相同。

三 波速測試的野外工作方法 縱波波速（VP）測試方法有：反射波法、折射波法、跨孔法和檢層法。橫波波速測試方法有：面波勘探法檢測地層的瑞雷波速度后，推算出地層的剪切波速度；單孔法或跨孔法。在巖土工程勘察中，最常用的測試方法是單孔檢層法，下面以單孔檢層法為例說明。

（一） 震源設備：震源要求是產生能量較大、穩(wěn)定性和重復性好。

（1）剪切波震源主要有擊板法、彈簧激振法、定向爆破法三種。彈簧激振法、定向爆破法兩種震源產生的能量較大，能測試較深的鉆孔，而普遍應用的是擊板法，它是將長2～3m、寬0.3m、厚0.05m的激振板放在離孔口約1～3m處的地面上，木板與地面接觸良好，木板上需壓一定量的重物（根據測試深度不同，木板上所壓重量也不同。一般測試孔深越大，所壓重量也越大），用木錘或鐵錘水平敲擊木板兩端，木板于地面產生剪切力，使地層產生剪切波。

（2） 壓縮波震源設備

壓縮波震源主要有炸藥震源、電火花震源、錘擊震源三種。理論上講，在無限空間中爆炸震源不產生剪切波，因此，炸藥震源是很好的壓縮波震源，尤其是適合深孔測試波速，但由于炸藥和雷管在運輸、儲存以及使用過程中都要涉及安全問題，在城市勘察中已很少使用。電火花震源的主要優(yōu)點是發(fā)射功率較大、傳播距離遠、方法簡便和激發(fā)聲波余震短等，其缺點是由于儲電電容器等設備復雜笨重、現(xiàn)場需要交流電或發(fā)電機。普通電火花震源主要用于產生壓縮波，通過用爆炸儲能罩改進后，也可以產生豐富的的剪切波。錘擊震源是在地面上水平鋪上鋼板或銅鋁合金板，合金板與土緊密接觸，通過垂直錘擊合金板壓縮土體，使土體產生壓縮波（縱波）?？v波錘擊震源的優(yōu)點也是簡單方便，缺點是能量相對較弱，測試深度相對較小。

（二） 測試儀器：由孔內三分量檢波器與地震儀組成。三分量檢波器由三個互相垂直的檢波器組成（X、Y、Z方向各一個），它們同時安裝在一個密封的鋼筒內，垂直方向安裝的檢波器用于接收縱波，兩個水平方向的檢波器可接收地表傳來的橫波（SH波）；地震儀需要具有信號增強功能，以便

突出有效信號，降低噪聲及干擾的影響。目前地震儀的型號較多，我院使用的有美國Bison-1580、重慶產DZQ12－1、長沙產GJY－1系列、北京產SWS－2型等型號儀器，它們均具有信號增強功能，能滿足波速測試的要求。

（三） 測試方法：單孔法波速測試現(xiàn)場連接如圖1所示：

檢測充氣裝重剪切波激壓縮波激S波P波 氣囊 三分量檢波圖１ 單孔法波速測試示

意圖

鉆探成孔后，將檢波器放至孔底后，自底部向上依地層界面測試，一般用氣筒充氣固定檢波器，使其緊貼孔壁。測試橫波時用木錘或鐵錘水平敲擊木板兩端；測試縱波時用鐵錘垂直敲擊合金板。敲擊所產生的剪切波（或壓縮波）經地層傳播到達測試點，孔中檢波器接收到彈性波信號，經電纜送入地震儀進行放大、儲存、記錄。測試點的間隔根據地層界面情況而定，通常的做法是平均1～2 m 一個測試點，界面處的測試點需重復

測試。這種測試方法的好處一是測試時帶有深度記號的電纜（或細鋼絲繩）不彎曲，保證測試深度的準確性；二是便于追蹤波的初至，保證相位不錯。

（四） 波速計算：根據壓縮波與剪切波的不同振相特征，我們可以在不同地層界面點準確測定壓縮波或剪切波的到達時間，準確求出各地層的波速值。

如圖2所示，波在地下的傳播并非直線而是折線，如果按照折線考慮，計

算方法很復雜，當板孔距L較小時，可簡化按下式計算：

VS＝（H2－H1）/ [t2COS arctg(L/H2)

-t1 COS arctg(L/H1)] 式中 H1——測點1的深度，（單位m）； H2——測點2的深度，（單位m）； t1 ——測點1的讀時，（單位ms）； t2 ——測點2的讀時，（單位ms）。

O L S 第一層 V1

H1 H2 第二層 V2

圖2 地震波旅行路程計算圖

四 影響地層波速的因素 影響地層波速的因素不外乎主觀和客觀因素： （一）主觀因素

影響地層波速的主觀因素有很多，主要包括鉆探人員的技術水平、測試人員的技術水平、震源激發(fā)環(huán)境和條件、儀器性能、檢波器接收環(huán)境和條件等。

波速測試孔成孔質量的好壞，會給所測的地層波速造成很大的實際誤差。比如下表（表1），在同一個工地上（同一地質單元），同一深度地層的兩個不同鉆孔，卻得出差別很大的兩個波速值。 表1

深度速度孔號 巖性描述 （m） vs(m/s) 1 細砂 9.8 212 2 細砂 10.0 98 分析原因，這是由兩組不同的鉆探人員所成的鉆孔，終孔深度都是20米。在測試現(xiàn)場，我們看到1號鉆孔人員成孔打出的地層土，堆在鉆孔旁只有很小的一堆，而2號鉆孔人員成孔打出的地層土，卻有很大的一堆，細砂土要比1號的細砂土多很多。這說明2號鉆孔10.0米深度的細砂層，

在鉆孔周圍被鉆探人員掏得非常松散，不如2號鉆孔的細砂層密實，這是人為所造成的結果，所以就得出差別很大的兩個地層波速值。

另外，鉆孔的垂直度、套管與地層的接觸程度（下泥漿粉會使套管與地層接觸良好）等都會影響地層的波速。

測試人員技術水平的高低、波速測試經驗的多少，對于原始波形的采集、存儲、分析都會有差別，這些也是造成所測地層波速值與實際地層波速值差別較大的重要原因之一。 表層地震地質條件主要包括地表附近地質剖面的性質和地貌特點，它往往影響波速測試時的激發(fā)條件、接收條件、波的傳播。波速孔位置的選擇，一般選擇在周圍無機械震動干擾、無高壓動力電源干擾、地下無市政管線等的位置。 （二）客觀因素 1、地震波速度

地震波速度是表征地層彈性性質的重要參數，不同地質年代、不同成因和物質成分、不同結構構造的巖（土）體，地震波速度不同，即使同樣的巖性，由于沉積環(huán)境、沉積年代

不同，巖（土）體密度、孔隙度及充填物方面也會有很大的變化，這就導

致某一類地層的速度可以在很大的范圍內變化，如表2。

表2 地震波在北京地區(qū)某一深度的幾種主要類型巖（土）體的速度變化范圍 巖（土）體 房渣土、填土 粘性土 砂類土 圓礫、卵石 速度vs(m/s) 70～300 110～330 220～410 240～500 巖（土）體 砂巖 粘土巖 花崗巖 玄武巖 速度vs(m/s) 700～2600 300-2000 1100-3000 1100-3300 播速度，因此，裂隙和孔隙度使地震波速度減慢，使彈性波能量減小、使地震波能量衰減增大、振動周期變長的傾向。

（c）孔隙中充填物的影響

地層土中孔隙的空間一般是被水所充填，實驗測定證明，當孔隙中的水被液態(tài)的碳氫化合物所代替且達到

2、影響地震波速度的主要客觀因素

地層的地震波速度主要取決于他們的彈性常數?、?、和密度?。一般說來，地震波速度隨深度增加而增加，另外還與下列各因素有關：

（a）巖性是影響地層速度的決定因素 很顯然，不同巖性的地層有不同的速度。但是，實際地層并非由“純”地層組成，在北京地區(qū)，第四紀沉積層往往由許多薄的夾層構成。此外，由于沉積環(huán)境、沉積年代不同，同一巖性的地層在速度值上也會有很大的變化，不同巖性地層的速度值可以在某一范圍內重疊。

（b）裂隙、孔隙度是影響速度的基本因素

由于地震波速度在氣體、或液體中傳播速度低于巖石骨架固體中的傳

飽和時，速度就可以降低15％～20％；而孔隙中如果被氣態(tài)碳氫化合物所充填時，則速度值會大大降低。還有，疏松的沙丘，橫波速度一般才幾十米每秒，若將砂在容器中壓緊，速度可達200m/s以上。砂類土顆粒間含有空氣，速度會降低；若含水速度將會適當增高。當含水量增多，土和軟巖的骨架遭受破壞時，地震波速度會降低。 （d）風化、破碎帶

巖石風化破碎后，地震波速度就會降低，應用地震勘探可以發(fā)現(xiàn)基巖和未固結層層中的破碎部分。

（e）埋藏深度對速度的影響 一般的地層埋藏得越深、年代越老，承受上覆地層壓力的時間長和強度大。因此同樣巖性的地層，埋藏深、年代老的要比埋藏淺、年代新的地層速度更大。

加斯曼（Gassman）1951年給出了速度和深度、孔隙度之間的經驗公式為

81v?v230?4.44?10z2.7?1.7?

式中：v0為z?0時的速度值。 圖3給出了當v0=1400m/s，不同地層孔隙度時，速度和深度的關系曲線。

圖3 速度與深度關系曲線圖

五 結語

我們相信，隨著電子技術、信號分析、數據處理等手段的廣泛運用，鉆探技術人員和地震波速測試人員水

平的不斷提高，所測地層波速值會越來越接近實際地層波速值，必將為工程設計、施工、監(jiān)測等諸方面提供更多可靠的參數和設計依據。

參考文獻

姚姚，2006，地震波場與地震勘探，北京，地質出版社