CN105929450B - 海上软土波速测试方法 - Google Patents

海上软土波速测试方法 Download PDF

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Abstract

一种海上软土波速测试方法，该方法包括以下步骤：步骤一：多孔联测钻探孔；步骤二：现场测试纵波和横波；步骤三：数据处理，采用软件处理纵波和横波的识别及拾取时间；步骤四：岩土体波速精细化计算，进行收发距离校正；套管波速校正；孔内海水影响校正；纵波和横波速度精细化计算，并进行多孔联测速度校正。多孔联测法解决了海积软弱松散地层无法进行单孔波速测试的问题，同时避免了海水、套管、孔斜等干扰因素对波速测试计算结果的影响，获取的地层波速值精度大大提高。

Description

海上软土波速测试方法
【技术领域】
本发明涉及一种海上土体测试方法，尤其涉及测试软土的土体剪切波速度及岩体纵波速度的方法。
【背景技术】
准确获取各岩土层的土体剪切波速度及岩体纵波速度，对准确判定场地类别、土类别、确定隧道围岩级别、岩土体动泊松比提供精确的地球物理参数支持，同时为深圳地区海积地层纵横波波速提供精确的统计经验值。解决常规地层波速测试方法无法获取海积软弱地层真实波速的问题。
目前常规地层波速测试技术已比较成熟，包括有PS(地震纵波、横波)波测试技术及超声波测试技术等，其中PS波测试主要采用单孔捡层法测试各土层的纵波波速Vp和剪切波波速Vs，该方法是在地面水平方向敲击激震板，产生向土层四周传播的剪切波，由孔中的三分量传感器接受直达的纵波和剪切波，根据波的初至时间，计算出纵波波速Vp和剪切波波速Vs。
该方法需要先进行钻探成孔，在孔中放入传感器进行探测，要求钻孔必须畅通，不能出现垮孔及缩孔的情况，否则传感器将不能放入，无法进行测试。由于测试一般处于海域地段淤泥及流砂地层及松散的填土、填石等松软地层，成孔时极易出现垮孔及缩孔现象，在这种情况下为了保证传感器的顺利放入又必须采用套管对该部分地层进行护壁，才能保证测试工作的顺利进行。但是，如此一来，由于套管的影响，则无法准确测得该部分土体的真实波速，测量值与真实值存在较大误差，从而影响相关评价工作的准确性。目前尚未有较好方法来解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明针对以上情况提出了一种解决海积软弱松散地层无法进行单孔波速测试的问题，同时避免了海水、套管、孔斜等干扰因素对波速测试计算结果的影响，准确获得地层波速值的波速测试方法。
本发明所涉及的海上软土波速测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：多孔联测钻探孔，在软土区域布置三个联测钻孔，联测钻孔呈三角形布置，钻孔后并放置套管，在套管内设接收检波器采集震动数据，在每个水平层位都采用一个钻孔激发，另外两个钻孔采集的方式，并依次交换激发和采集的孔位；
步骤二：现场测试，纵波速度测试震源采用电火花震源，激发高频地震纵波，横波速度测试震源采用井下剪切波锤，贴壁激发高能量地震横波；接收检波器采用水中高精度三分量探头接收纵波和横波；
步骤三：数据处理，地震纵波(P波)和地震横波(S波)的识别及波至时间拾取采用HoleWin2.0软件，波速及各种模量的计算采用CROSSHOLE TEST INTERPRETATION软件；
步骤四：岩土体波速精细化计算，进行收发距离校正；套管波速校正；孔内海水影响校正；
纵波速度精细化计算公式为：
式中：
Vp为实测各岩土层的纵波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为纵波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vpt1、Vpt2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的纵波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器(水中三分量检波器)的半径；
横波速度精细化计算公式为：
式中：
Vs为实测各岩土层的横波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为横波波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vst1、Vst2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的横波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器的半径；
多孔联测总横波速度校正：采用三孔联测方式，每个钻孔都要分别作为发射钻孔和接收钻孔进行数据采集，因此每对钻孔任意测试深度之间的纵波和横波都会计算出两个波速值，即V(ZK1→ZK2)及V(ZK2→ZK1)，最终确定的岩土体波速值应为二者的平均值：
该三个钻孔呈三角形布置，中间的钻孔位置靠近其他两个钻孔的连接线，与连接线之间的垂线距离为5～10m；每两个钻孔之间的间距不超过20m。
在其步骤一中，需要对放置的套管提前进行壁厚精确测量。
所述壁厚精确测量是指将套管倾斜置于水中，采用单孔法准确测得套管纵横波速度，进行步骤四的套管波速校正。
步骤一钻孔施工结束后进行孔斜度测试，并记录实际测量结果，根据实测孔斜，进行步骤四的收发距离校正。
步骤四的孔内海水影响校正：纵波波速测试时，电火花激发信号经海水穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过海水后到达接收检波器；横波波速测试时，井下剪切锤紧贴套管激发，激发的横波信号穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过套管后到达接收检波器。
激发震源与接收检波器应保持沿钻孔中心位置垂直向下放置；激发震源与接收检波器应保持同一标高放置。
在步骤三数据处理中，测试记录中识别的波至时间拾取时，P波和S波的识别和对比根据以下原则：
各记录道的波形、振幅及振动延续度的相似特征；P波先于S波到达特征；P波振幅低于S波振幅；S波特征周期至少为P波特征周期的两倍；正反向激震时，S波相位相反、P波相位相同；纵波波至时间的拾取对比X分量和Y分量，横波初至时间的拾取对比Z分量，对比采用单相位对比或多相位对比。
拾取的纵波波至时间为初至时间；而拾取的横波波至时间为初至时间，当初至时间受到纵波波列影响时，横波波至时间采用最大振幅的时间。
本发明采用多孔联测发进行海上软土波速测试，多孔联测法解决了海积软弱松散地层无法进行单孔波速测试的问题，同时避免了海水、套管、孔斜等干扰因素对波速测试计算结果的影响，获取的地层波速值精度大大提高。
【附图说明】
图1是本发明所述涉及的海上软土波波速测试方法的联测钻孔布置图；
图2是本发明所述涉及的海上软土波波速测试方法的现场测试示意图；
图3是本发明所述涉及的海上软土波波速测试方法的纵波波速传播示意图；
图4是本发明所述涉及的海上软土波波速测试方法的横波波速传播示意图；
【具体实施方式】
下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。
本发明所涉及的海上软土波速测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：多孔联测钻探孔，请参考附图1，在软土区域布置三个联测钻孔，分别为ZK1、ZK2和ZK3，联测钻孔呈三角形布置，钻孔后并放置套管，在套管内设接收检波器采集震动数据，在每个水平层位都采用一个钻孔激发，另外两个钻孔采集的方式，并依次交换激发和采集的孔位；ZK1号孔激发，ZK2、ZK3号孔接收；ZK2号孔激发，ZK1、ZK3号孔接收；ZK3号孔激发，ZK1、ZK2号孔接收；保证每个水平层位均有两个实测数据，以提高采集数据及计算结果的可靠性。
放置的套管均应提前进行壁厚精确测量，所述壁厚精确测量是指将套管倾斜置于水中，采用单孔法准确测得套管纵横波速度，在波速计算时需要通过壁厚精确测量的结果进行套管波速校正。
钻孔施工结束以后应进行孔斜度测试，并记录实际测量结果，根据实测孔斜，进行收发距离校正。
步骤二：现场测试，请参考附图2，其中示出现场测试示意图，纵波速度测试震源采用电火花震源，激发高频地震纵波，横波速度测试震源采用井下剪切波锤，贴壁激发高能量地震横波；接收检波器采用水中高精度三分量探头接收纵波和横波；
数据采集时应注意：激发震源与接收检波器应保持沿钻孔中心位置垂直向下放置；激发震源与接收检波器应保持同一标高放置。
步骤三：数据处理，地震纵波(P波)和地震横波(S波)的识别及波至时间拾取采用HoleWin2.0软件，波速及各种模量的计算采用CROSSHOLE TEST INTERPRETATION软件；
在步骤三数据处理中，测试记录中识别的波至时间拾取时，P波和S波的识别和对比根据以下原则：
各记录道的波形、振幅及振动延续度的相似特征；P波先于S波到达特征；P波振幅低于S波振幅；S波特征周期至少为P波特征周期的两倍；正反向激震时，S波相位相反、P波相位相同；纵波波至时间的拾取对比X分量和Y分量，横波初至时间的拾取对比Z分量，对比采用单相位对比或多相位对比。
拾取的纵波波至时间为初至时间；而拾取的横波波至时间为初至时间，当初至时间受到纵波波列影响时，横波波至时间采用最大振幅的时间。
步骤四：岩土体波速精细化计算，
1、进行收发距离校正，所述收发距离校正即与孔斜度相关，孔斜度直接影响了孔的实际收发距离，所以精确测量孔斜度后，精确校正实际收发距离，排除实际收发距离对计算值的干扰。
2、套管波速校正，即精确测量套管的厚度，将套管倾斜置于水中，采用单孔法准确测得套管纵横波速度，波速计算时应将套管影响计算在内。
3、孔内海水影响校正，纵波波速测试时，电火花激发信号经海水穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过海水后到达接收检波器；横波波速测试时，井下剪切锤紧贴套管激发，激发的横波信号穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过套管后到达接收检波器。因此波速计算时应充分考虑海水的影响因素。现场测试时应提前测得钻孔附近的海水纵波速度。
4、纵波速度精细化计算，请参考附图3，示出了纵波传播方式，纵波波速测试时，电火花激发信号经海水穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔的套管，穿过海水后到达接收检波器，传播路径如上图所示，则修正以后的岩土体纵波速度为：
式中：
Vp为实测各岩土层的纵波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为纵波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vpt1、Vpt2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的纵波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器的半径；
5、横波速度精细化计算，横波波速测试时，井下剪切锤紧贴套管激发，激发的横波信号穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过套管后转换成纵波信号穿过孔内海水后到达接收检波器。传播路径如上图所示，则修正以后的岩土体横波速度为：
式中：
Vs为实测各岩土层的横波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为横波波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vst1、Vst2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的横波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器的半径；
6、多孔联测总横波速度校正：采用三孔联测方式，每个钻孔都要分别作为发射钻孔和接收钻孔进行数据采集，因此每对钻孔任意测试深度之间的纵波和横波都会计算出两个波速值，即V(ZK1→ZK2)及V(ZK2→ZK1)，最终确定的岩土体波速值应为二者的平均值：
由于在套管存在的情况下也能准确获取各岩土层的波速值，使得多孔联测法能在任何情况下适用，同时通过多次测试求取平均值，测试精度更高，所以相对传统波速测试技术而言，本发明具有测试精度更高，适用性更广的优点。从而能更准确、有效地判定场地类别、土类别、确定隧道围岩级别、岩土体动泊松比提供精确的地球物理参数支持，为深圳地区海积地层纵横波波速提供精确的统计经验。
妈湾跨海通道工程是深圳市的首条海底隧道项目，设计方案拟采用沉管隧道对海域段进行穿越，穿越地层主要为深厚的海积淤泥、砂、吹填土等软弱土层，钻探成孔时该部分钻孔必须采用套管进行护壁，防止塌孔、缩孔等，此时采用常规的波速测试技术时，不能获得该部分钻孔的真实波速，从而影响对该部分地层性质评价的准确性，而该部分地层是本项目的主要地层，进而会误导工程设计，造成工程事故的发生等。而本发明针对此缺点，对症下药，从根本上解决了套管的存在不能获取岩土层准确波速值的问题，为本项目对软弱土层性质进行全面、准确的评价提供了精确、有效的依据，从而为项目的设计提供准确、可靠的参数及评价建议。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种海上软土波速测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：多孔联测钻探孔，在软土区域布置三个联测钻孔，联测钻孔呈三角形布置，钻孔后并放置套管，在套管内设接收检波器采集震动数据，在每个水平层位都采用一个钻孔激发，另外两个钻孔采集的方式，并依次交换激发和采集的孔位；
步骤二：现场测试，纵波速度测试震源采用电火花震源，激发高频地震纵波，横波速度测试震源采用井下剪切波锤，贴壁激发高能量地震横波；接收检波器采用水中高精度三分量探头接收纵波和横波；
步骤三：数据处理，地震纵波(P波)和地震横波(S波)的识别及波至时间拾取采用HoleWin2.0软件，波速及各种模量的计算采用CROSSHOLE TEST INTERPRETATION软件；
步骤四：岩土体波速精细化计算，进行收发距离校正；套管波速校正；孔内海水影响校正；
纵波速度精细化计算公式为：
式中：
Vp为实测各岩土层的纵波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为纵波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vpt1、Vpt2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的纵波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器的半径；
横波速度精细化计算公式为：
式中：
Vs为实测各岩土层的横波速度；
ΔL为发射钻孔与接收钻孔中心之间的距离；
Rz1、Rz2分别为发射钻孔与接收钻孔的半径；
t为横波波初至时间；
D1、D2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的厚度；
Vst1、Vst2分别为发射钻孔与接收钻孔孔内套管的横波速度；
V海水为钻孔所在海域地段海水的纵波速度；
Rs为横波接收检波器的半径；
多孔联测总横波速度校正：采用三孔联测方式，每个钻孔都要分别作为发射钻孔和接收钻孔进行数据采集，因此每对钻孔任意测试深度之间的纵波和横波都会计算出两个波速值，即V(ZK1→ZK2)及V(ZK2→ZK1)，最终确定的岩土体波速值应为二者的平均值：
<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Z</mi> <mi>K</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>Z</mi> <mi>K</mi> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Z</mi> <mi>K</mi> <mn>2</mn> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>Z</mi> <mi>K</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
2.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，三个钻孔呈三角形布置，中间的钻孔位置靠近其他两个钻孔的连接线，与连接线之间的垂线距离为5～10m；每两个钻孔之间的间距不超过20m。
3.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，在其步骤一中，需要对放置的套管提前进行壁厚精确测量。
4.根据权利要求3所述海上软土波速测试方法，其特征在于，所述壁厚精确测量是指将套管倾斜置于水中，采用单孔法准确测得套管纵横波速度，进行步骤四的套管波速校正。
5.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，步骤一钻孔施工结束后进行孔斜度测试，并记录实际测量结果，根据实测孔斜，进行步骤四的收发距离校正。
6.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，步骤四的孔内海水影响校正：纵波波速测试时，电火花激发信号经海水穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过海水后到达接收检波器；横波波速测试时，井下剪切锤紧贴套管激发，激发的横波信号穿越套管沿岩土体传播至接收钻孔套管穿过套管后到达接收检波器。
7.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，激发震源与接收检波器应保持沿钻孔中心位置垂直向下放置；激发震源与接收检波器应保持同一标高放置。
8.根据权利要求1所述海上软土波速测试方法，其特征在于，在步骤三数据处理中，测试记录中识别的波至时间拾取时，P波和S波的识别和对比根据以下原则：
各记录道的波形、振幅及振动延续度的相似特征；P波先于S波到达特征；P波振幅低于S波振幅；S波特征周期至少为P波特征周期的两倍；正反向激震时，S波相位相反、P波相位相同；纵波波至时间的拾取对比X分量和Y分量，横波初至时间的拾取对比Z分量，对比采用单相位对比或多相位对比。
9.根据权利要求8所述海上软土波速测试方法，其特征在于，拾取的纵波波至时间为初至时间；而拾取的横波波至时间为初至时间，当初至时间受到纵波波列影响时，横波波至时间采用最大振幅的时间。
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