用钻孔波速测试来确定长春地区基岩的风化程度
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摘要：近几年，随着我国各项建设事业步伐的加快，岩土工程勘察受到越来越广泛的重视和应用，作为岩土原位测试技术之一的波速测试技术也得以应用和发展，目前已广泛应用于工业与民用建筑、水利水电工程、路桥工程、油气、码头等众多岩土工程地质勘察领域，并取得了良好的应用效果。本文首先对岩体波速测试技术进行了概述，然后对波速测试技术的相关性因素进行了分析，最后结合实例探讨了钻孔波速测试确定基岩的风化程度的应用。
关键词：钻孔波速测试；基岩；风化；剪切波；钻探
Abstract: in recent years, along with our country speed up the pace of the construction, geotechnical engineering is more and more extensive attention and application of wave velocity testing technology as one of geotechnical in situ testing technology and application and development, now has been widely used in industrial and civil construction, water conservancy and hydropower engineering, bridge engineering, oil and gas, wharf, and many other geotechnical engineering geological areas, and achieved good application effect. This article first wave velocity testing technology for rock mass were summarized, then the correlation factors of wave velocity testing technology is analyzed, finally, based on the instance of application of borehole wave velocity test to determine the bedrock weathering degree.
Key words: borehole wave velocity test; The bedrock; Weathering; Shear wave. Drilling
中图分类号：P634.2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、岩体波速测试技术概述
波速测试技术是弹性波测试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论，即:介质的波速特征特别是剪切波速反映了介质的密实程度，因而，其大小可作为场地类型划分的主要指标，根据纵波波速特征，可以判别基岩的岩性风化程度。
（一）岩体中声波的形成
岩体可近似看作一种弹性介质，将受到一个瞬时力的作用后将发生运动和形变，这种形变将以弹性波的形式在介质内传播。声波在传播过程中遇到岩石中不同介质的分界面时，在界面上将产生波的反射、透射和折射现象。其中，透射和反射都遵循Snell定律，即当入射角大于一定值时，透射波将延界面滑行形成滑行波。当滑行波沿着界面传播时，会引起界面上各质点的振动。
（二）岩体中声波测试的物理基础
由于外力具有微弱性和瞬时性，在岩体声波测试中，岩石即表现为弹性介质，声波在其中的传播是符合弹性波传播规律的。因此，利用弹性波的波速特征和波形特征来揭示岩体内部结构和应力状态是可能的。声波的走时、频谱、振幅和岩石的结构及应力状态之间存在一定的对应关系。一般来说，岩石的破碎程度增加、结构松散、应力降低，声波即会表现为波速降低、振幅减小、频谱的主频向低端移动等规律。
（三）波速测试原理
波速测试即是以内部触发的方式向介质(岩石、岩体、混凝土构筑物)发射声波，在一定的空间距离上接受介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列工程中的有关问题。
图2波速测试波形
A-纵波初至时间点；B-为横波初至时间点
（四）钻孔波速测试的目的
场地土层(及岩层)的波速测试，对于了解工程场地的岩土动力特性起着重要作用，从某种意义说搞清了场地介质波速特征，就大体搞清了场地岩土介质的主要动力特性。同时，波速测试数据经过对比分析可划分基岩的风化程度、评价岩体完整性，综合评价桥址区不同岩石的工程地质特征。弹性波和面波的传播介质之间存在着密切关系，通过岩土层的波速测试可以解决工程地质、工程抗震等领域中的诸多问题。岩土工程波速原位测试方法主要有钻孔法(包括单孔法和跨孔法)和瑞利面波法。本文着重介绍单孔法。
单孔法通常是指在地面或在信号接收孔中激振时，检波器在一个垂直钻孔中自上而下(或自下面上)逐层检测地层的P波和S波，计算每一层的P波和S波波速，称为单孔法。单孔法测试的是地层的竖向平均值，主要有以下两种测试方法：1.地表激发孔中接收，可测波形为P波和SH波；2.孔中激发孔中接收，使用发多收专门探头在孔中点测或连续测量， 可测波形为P波和SV波。
二、波速测试技术的相关性因素分析
（一）可控因素分析
1、激发条件的影响
主要包括激发方式、激发强度、震源和地面的耦合状况等。一般来说，在敲击冲量一定的条件下，激发的SH波振幅随板上载重量增大而增大，但载重超过一定值后，对SH波振幅的影响就会有所减少；长板效果比短板好；板与地面的接触条件对激振效果影响显著，板底面装钉齿片、地面上泼水或水泥浆以便增大板与地面接触的紧密程度可改善激振效果。
2、接收条件的影响
主要包括检波器、放大器和记录仪的频率特性对波的改造、检波器的组合效应、检波器与地面耦合状况等。现场测试时，有时会接收到一个等振幅衰减的波形，这是三分量检波器本身自振的结果，是由于检波器气囊外壁未贴紧孔壁而造成的。
3、资料采集和数据处理的质量
在资料采集和数据处理中，若方法和参数选择不当，会影响分析质量，使时间剖面的同向轴发生变化，甚至会造成假象、出现假构造，影响解译工作的准确性。而且波形解译还受其分辨率的限制，如较小的地质体或薄层在时距曲线上是难以区分的，解译人员的经验、素质等因素也都将直接影响到解译工作质量。
（二）不可控因素
1、波的传播特征
波在传播过程中随着距离（或深度）的增加，高频成分会很快地损失，而且波的振幅也会按指数规律衰减，其原因是：波前扩散和吸收衰减。在均匀介质中，点震源的波前为球面，其振幅与传播距离成反比，遵循波前扩散原则。但在实践中，由于自然界介质并非均匀介质，波的扩散过程会产生相应的变化，而不遵循球面扩散规律。
由于实际岩层并非理想的弹性介质，在波的传播过程中，其质点间的相互摩擦消耗了振动的能量，也就是介质对波的吸收衰减过程。介质的吸收系数与介质的性质以及波的频率密切相关。工程实践总结出如下几点：一般胶结程度差的疏松岩（土）层，吸收系数较大；风化层随其风化程度而逐渐增大；致密岩（土）层，吸收系数则较小。对于同一种介质，吸收系数的大小与波的频率成正比，频率越高，则吸收系数越大。因此，波在传播过程中，高频成分损失较快，而存留了较低的频率成分，介质相当于一个低通滤波器。在这种滤波作用下，往往使得浅层波的频率较高，深层波的频率较低。
2、岩土介质对波的吸收衰减
通常疏松和破碎的岩石其吸收系数要比固结致密的岩石大，风化层和断裂带的吸收系数往往很大，按照胶结摩擦理论，吸收系数和频率的平方成正比，但根据弹性理论则认为吸收系数和频率是线性关系。对于致密坚硬的岩石适合于弹性理论关系，疏松介质则符合摩擦理论关系。一般在一些风化岩石和疏松土层中，横波的衰减比纵波要快。
疏松覆盖层又称“低速带”，对波有较强的吸收作用，尤其对波的高频成分吸收更强，使反射波的走时产生“滞后”现象，需要进行校正，而且低速带下界面易产生多次反射波而使波形记录复杂化，也是种不可忽视的干扰因素。
3、地下岩层界面的形态和平滑程度
由于地下岩层的界面并非完整和平滑，如断层、尖灭层、透镜体会造成介质界面的突然中断，岩层的风化侵蚀面会使界面起伏不平。在这种情况下，在界面的突变点和不平地段将产生波的绕射和散射（漫射）现象，这种过程会消耗波的能量，使波的振幅减小。绕射波的特征是在绕射点正上方信号最强，两侧逐渐减弱。
界面局部的无规则的变化，使反射波的传播方向到处散射，断断续续的反射信息，给解译工作带来困难。如果发现时距曲线上有不正常的滞后段或突然地“脱节”现象，很可能存在局部性的不连续层。
长春市地貌是以伊通河为界，以西为长春市波状台地地貌，以东为伊通河冲积堆积平原地貌，工程区区域总体地势主要是波状岗地和冲积河谷平原相间分布的地貌特点。波状岗地和冲积河谷平原呈带状分布，走向近南北向。按成因和形态，近场区地貌形态可分为四类,
(1) 河谷带状低平原
分布于长春中部，区域内沿伊通河、新凯河、饮马河河谷呈条带状分布，走向为南北向，主要由冲积阶地和河谷漫滩构成，宽度约3-5km。表面较平坦，微向河床倾斜，阶地较发育，高差变化在3-30m，主要由粉质粘土和砂砾石层二元结构构成，白垩系泥砂岩构成基底。漫滩一般平坦低洼，高出河床2-3m。
(2) 长春市波状台地
分布于长春西部，区域内分布较广，主要分布于伊通河两岸，走向为南北向，地势较高，地形标高220-260m，呈波状起伏。主要由第四系中更新统粉质粘土、粘土构成，局部出露白垩系沉积的碎屑岩。
(3) 浑圆状丘陵
分布于长春地区东南部，标高为230-300m，相对高差为50-200m。丘陵多为浑圆状，地势较为平缓，坡角10-15°，主要由中生代沉积岩、华力西期花岗岩体组成，表层多被残坡积层覆盖。
（一）东剖山区花岗岩基底
花岗岩在形成过程中风化强烈，风化层可达几十米，一些风化花岗岩类风化成砂土状，根据经验可认为其为全风化层，但其强度又较大，这样全风化层和强风化层的划定就极易混淆，也给场地覆盖层的判定工作带来诸多不便。根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001规定，花岗岩类岩石，可采用标准贯入试验划分；N≥50为强风化，50＞N≥30为全风化，N＜30为残积土。但在实际操作过程中标准贯入试验外界影响因素较多，如钻孔的清底、人员的操作、标贯头的破损等等，而且在强风化花岗岩中，进行试验没几下，标贯锤就开始强烈反弹，试验一般进行不下去。因此利用波速试验来区分岩石的风化强度是可行的。一般情况下，岩石强度和岩石波速有很大关系，岩石越致密，波速越高，这时波速测试就可作为判定风化层的有力的判别依据。
现有某场地花岗岩全强风化界定模糊不清的钻孔资料，岩芯风化剧烈，多数呈砂土状，少数夹有碎块状从肉眼很难辨别出全风化和强风化的层位。根据野外钻探记录初步判定全风化层至19.0m，强风化层至25.7m，以下为中风化层。为了解该场地类别，对该孔进行剪切波速测试，实测结果如下表所示。
表钻孔波速测试成果表
从上表中可看出，从钻孔深度13.0～24.0m，所有剪切波波速均大于500m/s。根据同类别场地易分辨全强风化花岗岩的实测资料，全风化层花岗岩剪切波速小于500m/s，强风化层花岗岩剪切波速大于500m/s。所以根据该钻孔的剪切波速和同类别场地已知的实测资料，可建议全风化层划至12.0m。后根据其他原位测试资料，综合分析判定该钻孔全风化层划至13.18m。从而说明了波速测试的剪切波速值可作为该划分场地花岗岩全强风化层的强有力补充。
这里还有个问题需要说明，如果根据野外钻探记录将全风化层划至19.0m，那么在计算土层平均剪切波速时，选取该场地的覆盖层厚度即为19.0m。但从表中可看出钻孔深度大于13.0m时，剪切波速都大于500m/s，与《公路桥梁抗震设计细则》中划分覆盖层厚度相矛盾。所以从这也可得出，将花岗岩全分化层划至19.0m是不合宜的。
（二）长春地区中西部地区泥(砂)岩基底
根据吉林省地方标准《岩土工程勘察技术暂行规定》DB22/T367-2004。3.3.4根据标准贯入试验N值，按表3.3.4对风化泥(砂)岩进行风化程度的划分。
表标准贯入试验判定风化程度
长春地区白垩系泥岩(砂岩)风化程度是渐变的，高层和超高层的基础多采用桩基础，而桩端持力层均为强风化泥岩(砂岩)，而划分风化泥岩(砂岩)界限主要依据是标准贯入试验和野外鉴定，标准贯入试验外界影响因素较多，野外鉴定人为影响因素较大，钻孔波速测试克服了这方面的缺点。笔者依据长春地区的勘察经验，钻孔波速测试结合野外鉴定、标准贯入试验及岩石抗压试验能更好的确定风化泥岩(砂岩)风化界限。建议以Ｖ≥500m/s为中风化泥岩，350≤Ｖ＜500m/s为强风化泥岩(砂岩)，Ｖ＜350m/s为全风化泥岩(砂岩)。
结语
钻孔孔波速法作为一种简便的现场波速测试的方法，能较准确地测试地层的剪切波速，在岩土工程勘察中得到了广泛的应用。对判定场地土类别、计算土(岩)层的弹性模量和求地基土动力参数等，波速资料是必不可少的，对于区分土质、评价饱和土的液化以及划分沉积年代等，波速资料则是一种辅助和补充，这些可根据工程具体情况选择使用。
参考文献
[1]陈昌军.场地剪切波波速测试及其应用[J].华南地震，2003.12.
[2]邓国生.现场波速试验在岩土工程勘察中的应用[J].西部探矿工程，2004.9.
[3]马荣田.岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体速度测试中的应用[J].铁道建筑，2006.10.
[4]岩土工程勘察规范（GB50021-2001）［S］．北京：中国建筑工业出版社，2009．