试论场地实测剪切波速与岩层判定的差异性

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　　 摘要：以多年实测剪切波速的经验，探讨波速值与标贯值两者对岩层判定的差异及原因，进而提出一定的解决方法。
　　 Abstract: Based on many years of measured experiences on shear wave velocity, the author tries to explore the difference on judgment of rock layer between wave’s velocity parameter and standard parameter and the reasons behind it, and forward some kind of solution accordingly.
　　 关键词：剪切波速值（波速值）、标准贯入试验（标贯）、浸泡、泥浆、孔壁、人为因素、自然因素、风化岩
　　 Key Words: shear wave velocity, standard penetration test, immerse, mud, hole wall, human factors, natural factor, weathered rock
　　 中图分类号：P634 文献标识码：A 文章编号：
　　
　　 一、波速值与标贯对判定岩性存在差异
　　 笔者从事岩土工程勘察的单孔剪切波速测试多年，在大多数实测数据中，剪切波速值（以下简称“波速值”）和根据标准贯入试验（以下简称“标贯”）进行岩土层分层判别的数据还是相吻合的，但仍有为数不少的数值存在差异。这种差异主要表现为规范标准、波速值和标贯三者之间的差异。即通过对比规范标准，波速值常常与标贯所划分的地层界线存在差异，甚至存在较大隔阂。
　　 为了让阐述简单明了，笔者利用福建省工程建设地方标准《岩土工程勘察规范》（DBJ13-84-2006）中的福建花岗岩风化程度划分标准（表6.4.2）（见下表）为例进行阐述。
　　
　　
　　 表中对福建省花岗岩的风化层界定了明确的波数值标准，在大多数情况下，波速值对照标贯符合这一标准。但依然存在不少实测数值低于（少数高于）上述标准的状况。经过长期实践，笔者简单归纳了如下原因，希望能抛砖引玉，有更多的同行能相互交流其中的经验，并对实际勘察工作中的同仁有所作用。以下是笔者遇到的有差异性的代表例子：
　　 1、在《宁德市天安金域兰湾Ｃ区岩土工程勘察》的K543钻孔中，根据标贯击数30-40击所划分的全风化花岗岩，波速值却均小于250m/s，据表1只能判定为残积土。
　　 2、《国家安全厅综合技侦大楼岩土工程勘察》中，残积砾质粘性土的标贯一般为20击以上，而相应层位所测的波速值为270-313m/s，较一般残积土为高，据表1甚至可划分为全风化岩。砾质含量25%有关。场地处于山坡地，在
　　 3、《福建省军区干部公寓楼4-6#岩土工程勘察》中的K5孔18m处标贯63击，可判定为散体状强风化辉绿岩，但实测波速值仅189m/s。
　　 是什么原因造成上述这些矛盾呢？在分析上述问题之前，我们先看看测试仪器的可靠性、测试原理及方法。
　　 二、仪器设备、测试原理及方法
　　 本文涉及的剪切波速值采用的仪器为河北省廊坊开发区大地工程检测技术开发有限公司生产的XG―I悬挂式波速测井仪，该仪器2004年获得了河北省“高新技术产品” 的荣誉。仪器主要技术指标如下：
　　 动态范围：96dB；
　　 前放增益：18－60dB（8－1000倍）；
　　 道一致性：≤0.1ms；
　　 ：1至3道可选；
　　 采样间隔：0.02―4ms可调；
　　 记录长度：512―16k可调；
　　仪器接收信号的探头采用悬挂式三分量井中检波器，主要技术指标如下：水平检波器的固有频率为40Hz，灵敏度为30V/m/s。
　　 电磁式激振源指标：供电电压直流96V，电流≤6A。
　　 工作时将悬挂式探头（即振源和检波器）放入孔中，用孔中的泥浆液作为震源和检波器与井壁耦合介质。震源为水平激振（垂直井壁）激发产生P・S波沿井壁地层传播，由两个相距1m的检波器接收沿井壁传播的P・S波振动信号并把P・S波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储。主机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度。
　　 三、试论差异性的原因
　　 有人说物探的可靠性较差，虽然有些偏颇，但也一定程度上反应了物探因各种因素的制约而存在误差。各种物探方法本身都有其科学依据，出现误差重要的是要找出其中的原因，并作出合理甚至科学的解释，那么物探的作用才能发扬光大，更好地应用到各项工作中。
　　 针对上述规范标准、波速值和标贯值三者之间确实存在的差异，笔者经过总结归纳，认为出自以下原因：
　　 1、标贯试验：该试验作为判断岩土层物理力学性质的重要测试方法得以广泛应用，但在实际应用过程中也存在诸多的不确定性因素。按照标准的贯入测试，锤击过程中应防止锤击偏心、探杆斜歪和侧向晃动，标贯器的刃角需在18-20°。但实际操作中，这些技术要求往往很难贯彻执行，而只要其中一项不符合要求，导致的唯一结果就是造成标贯的实测击数偏大。以至于实测过程中，常发现一种有趣的现象：相对于刚进入全、强风化岩面的标贯值（略大于30或50击），其波速值常常对应在220-240或310-330 m/s之间。而据表1，全、强风化花岗岩的剪切波速值宜大于250或350 m/s。虽然其偏移值不是特别明显，但一定程度上反映了标贯值的偏差性。
　　 一个较恶劣的例子就是：某台钻机重锤打断后重新焊接，长度由原先的落距76cm减少到55cm！造成标贯击数偏多，和实际的岩土强度特性严重偏离。而发现问题的起因就是波速值与其标贯值有很大出入。
　　 2、浸泡：有时一个钻孔施工时间较长，或者终孔后未能及时进行孔内剪切波速测试，其后测试的波速值对应于标贯值就会偏低。大家知道，风化岩遇水软化的现象很严重，经孔内地下水的直接浸泡后，未经较好泥浆护壁的土质将变得松软，所测波速值自然相应偏低。
　　 例如前面列举的《宁德市天安金域兰湾Ｃ区岩土工程勘察》的K543孔，就是施工若干天才进行测试，导致全风化花岗岩的波速值小于250m/s；而恰巧的是，与此相对应的例子是在同一场地的K203孔中，由于其地下水埋藏较深，虽然施工若干天才进行测试，但未经浸泡的岩层的波速值依然与地层划分相吻合。
　　 在《福建省军区干部公寓楼4-6#岩土工程勘察》中的K5孔，18m处的标贯值为63击，可判定为散体状强风化辉绿岩，但由于施工时间较长，其实测波速值仅189m/s，虽然强风化辉绿岩属于软岩，波速值会比坚硬岩偏低，但对比表1，偏低了两个等级，说明除了浸泡的因素，软岩也是一个原因。
　　 3、泥浆：钻孔施工过程中，为保证孔壁的完整性、防止孔壁坍塌，一般会使用泥浆护壁。但若泥浆过于浓稠，检波器所测到的剪切波就不完全是岩土层的波速值（包含了泥浆波速值），也将使波速值偏低。这可以从探头遇到浓稠泥浆不易下放时，波速值也变得偏小的状况看出来。
　　 4：孔壁：钻孔孔壁的好坏对于波速值影响较大，例如软土淤泥，由于其多呈流塑状，稳定性较差，钻进过程中常常发生缩径现象，在多次上下提钻后，孔壁周边淤泥的密实度必然降低，导致波速值相应降低。对于泥质含量较低或密实度较低的砂性土或碎石土，也存在类似的情况，在这些孔壁发生掉块或塌孔后，其孔壁就变得极不均匀甚至凹洞，所测得的数值自然与实际波速值相去较远。
　　 5、岩性：实测发现，同等风化级别的软质岩与坚硬岩的波速值相差较大。
　　 例如《三明阳光城》的风化岩为软岩中的粉砂岩，其波速值相对于表1，正好低了一个风化级别。即全风化粉砂岩的波速值在250m/s以下，强风化岩在250-350m/s之间。之前提及的辉绿岩波速值偏低也属于同一道理。而《国家安全厅综合技侦大楼岩土工程勘察》K5孔残积砾质粘性土中大于2mm颗粒含量大于25%，波速值略大于表1中250m/s的界线，与同级别软岩的波速值形成鲜明对比。
　　 6、人为因素：表1表明：强风化花岗岩波速值在300-500m/s之间。但根据本人多年实地测试结果，强风化花岗岩中的碎块状甚至碎裂状强风化岩波速值也大于500m/s。碎块状强风化花岗岩的数值多在530m/s以上，是判定场地覆盖层厚度强有力的依据。但是经常看到钻探工人所判定的碎块状强风化花岗岩对应的波速值低于500 m/s的情况。经过与钻机工人的沟通，本人认为主要原因如下：
　　 （1）碎块状强风化岩块含量较少。钻机工人在施工中多以响声及钻进速度作为判断依据，其经验存在很大的个体差异。实测波速时发现有的居然把具一定响声的碎裂状强风化岩判定为碎块状强风化岩，造成与实测碎块状强风化岩界面相差13米之巨！
　　 （2）将有间歇性响声（含有碎块状岩块）作为判断碎块状强风化岩的依据。
　　 7、自然因素：经大量的实测发现，许多山坡地风化岩的波速值与标贯所判定的岩性界线存在较大差异，扣除前述的标贯因素，其数值依然明显偏低。如标贯击数大于50击，但对应的波速值却明显低于350 m/s。经过分析，发现这些山坡地风化岩与平原风化岩存在以下差异：山坡地风化岩由于淋滤、冲刷作用较强烈，其细颗粒成份多被雨水掏空，残余下来的多为粗颗粒，而这些粗颗粒的摩阻系数依然较大，标贯测试依然维持较高击数。我们知道，剪切波的数值大小主要取决于岩土的孔隙率的大小，其次为饱和度、应力等。因此在有淋滤作用强烈、具较大孔隙率的岩土中，波速传递速度明显变慢，造成了剪切波速与标贯击数匹配性存在较大差异。
　　 四、应对方法
　　 针对以上差异性的分析，笔者经过总结归纳，提出一些自认为可行的应对方法，供大家指正：
　　 1、对于标贯试验，应提高钻机工人的操作素质，避免锤击过程中锤击偏心、探杆斜歪和侧向晃动。技术员要对标贯器的刃角现场把握，对于稍有刃角缺口的标贯头，在暂时无法及时更换新的标贯头之前，应对其实测标贯数值进行相应折减，并可视实际操作和标贯头的状况对地层界线的划分深度予以适当加深，让波速值和标贯值趋于吻合。
　　 2、尽量在终孔后及时进行声波测试，防止地下水对孔壁的长时间浸泡和大量泥浆的沉淀造成波速值偏低。对于已有浓稠泥浆的钻孔，可在不引起孔壁坍塌的前提下，将泥浆返浆稀释。
　　 3、对于易缩径、坍塌的钻孔，选用优质泥浆护壁，尽量保证孔壁的完整性，以测得较理想的波速值。
　　 4、在勘探初期就进行声波测试工作。声波测试在某种程度上对钻机工人对岩土强弱的判断上能产生很好引导作用，对整个场地的地层判断起指导作用，因此可在钻机施工1-2孔后，即可进行声波试验。此举既可避免因打多孔后才发现误判地层的尴尬，又可对之后的钻孔地层的界线分层起指导作用。而上诉落锤变短的问题就是在实测波速与现场标贯分层存在较大差异的情况下及时发现的。
　　 5、通过上述方法，可以基本解决波速值与标贯值划分地层的差异性。但依然存在淤泥缩径、塌孔等无法规避的现实，也存在经淋滤作用的山坡地波速值偏低的无奈。但我想，如果声波测试工作者能及时发现这些现象、问题，而非单纯地实地测试一下就离开，那么，通过结合标贯、土样、静探等手段，弥补不足，相辅相成，这些问题就可以通过有把握的经验值加以修正，让波速值更贴近于岩土的本质！
　　
　　 参考文献
　　 福建省建筑设计研究院等，《岩土工程勘察规范》（DBJ13-84-2006），2006
　　
　　 作者简介：吴钦文，男，1969年5月出生，汉族，水文地质工程地质工程师
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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