跨孔試驗

孔法波速試驗是目前岩土地基勘察中一種常用的原位測試手段, 主要用於測定岩土層的縱波速度Vp 和橫波速度Vs 。結合土工試驗資料計算出岩土層的動剪下模量Gd 、動彈性模量Ed 及動泊松比μd , 為設計提供場地及構築物振動分析所需的動力參數。

基本介紹

• 中文名：跨孔試驗
• 外文名：Cross hole test
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 目的：測定岩土層的縱波速度和橫波速度
• 新技術：超音波測試和彈性波工程CT 技術

簡介

跨孔法波速試驗是目前岩土地基勘察中一種常用的原位測試手段, 主要用於測定岩土層的縱波速度Vp 和橫波速度Vs 。結合土工試驗資料計算出岩土層的動剪下模量Gd 、動彈性模量Ed 及動泊松比μd , 為設計提供場地及構築物振動分析所需的動力參數。

隨著建築物基礎深度的不斷增加, 跨孔法波速試驗的深度越來越大。對民用超高層建築物設計要求的跨孔法波速試驗深度已大於80 m , 大型核電站核島部位的跨孔法波速試驗深度已達124 m 。通過二十多個大型發電廠、核電站跨孔試驗的實踐證明:深層跨孔法波速試驗已不同於深度在50 m 以內的常規跨孔法波速試驗, 對試驗設計、試驗過程、試驗設備等都有一套新的技術要求。

深層跨孔法波速試驗設計

1 　深層跨孔法波速試驗步驟

整個試驗步驟包括:

(1)根據設計要求選定試驗位置;

(2)編制工作大綱, 進行深層跨孔法波速試驗設計;

(3)鑽孔, 套管埋設及灌漿;

(4)現場測試(鑽孔傾斜度測量和跨孔試驗)。

由於深層跨孔法波速試驗對鑽孔要求較高, 且深孔鑽探尤其是基岩深孔鑽探費用較大, 故現場工作開始前必須進行第二個步驟的工作, 即進行深層跨孔法波速試驗設計, 其目的是制定試驗流程, 提出每一流程中應達到的具體技術指標

2 　鑽孔的設計

鑽孔的設計內容包括鑽孔的深度、直徑、平面布置及鑽孔垂直度。

(1)鑽孔的深度

鑽孔的深度應大於試驗的最大深度(通常超出1.0 ～ 2.0 m)。

(2)鑽孔的直徑

鑽孔的直徑應綜合考慮跨孔試驗孔中設備的直徑、所下套管的直徑及套管與孔壁間隙灌漿工藝的要求。

(3)鑽孔的平面布置

鑽孔的平面布置一直是鑽孔設計的要點, 一般根據工程設計階段、工程重要性及岩(土) 體類型不同可採用三種不同的布置方式:①雙孔(一發一收), ②直線三孔(一發兩收), ③L 型五孔(垂直正交的兩方向, 共用一個震源孔, 一發兩收, 用於各向異性的岩土體)。平面布置的另一個參數是鑽孔間距。常規跨孔試驗可套用規範推薦值, 如對於三孔跨孔試驗, 取兩間距相等L1 =ΔL , 土體中取2 ～ 5 m, 岩體取8 -15m 。但對深層跨孔法波速試驗而言這樣簡單套用則存在問題, 這將在後面細述。

(4)鑽孔垂直度

用作深層跨孔法波速試驗的鑽孔, 對鑽孔垂直度有很高的要求。一發兩收三孔跨孔法的計算公式是:V =ΔL/Δt , 其中, V 指兩接收孔間岩(土) 體的平均波速, ΔL =L2 -L1 是兩接收孔間距, Δt =t 2 -t 1 是第二個接受孔初至波時間t 2 與第一個接受孔初至波時間t1 之差。該公式的使用前提是:三個鑽孔中同一深度上一發兩收三個點必須在同一直線上。對於深孔而言鑽孔垂直度要求就相當高, 如60 m的鑽孔, 當傾斜度為0.3 度時孔底偏移距為0.31 m , 當兩個接收孔的偏移方向垂直三孔軸線且反方向偏移時, 情況就更加不利, 雖然通過測斜可以計算出實際路徑L'1 和L'2 , 但此時地震波的行徑方向已發生變化。而對於鑽探來說要達到傾斜度小於0.3 度這一要求已具相當難度。為此, 要求鑽探人員設計一套高標準的鑽探工藝, 其中包括澆鑄鑽機平台、鑽進過程中隔段測斜並及時糾偏等內容, 以保證鑽孔的垂直度。

3 　鑽孔間距

鑽孔間距是試驗設計中的重要參數, 直接關係到試驗成果的好壞。確定合理的鑽孔間距須綜合考慮多種因素。

(1)兩個前提條件

跨孔法波速試驗中確定鑽孔間距的兩個前提條件是:①保證獲得清晰的直達波初至;②避免各種干擾波。

滿足第一個條件主要是考慮儀器設備的能力, 即激振力的大小及主機的增益大小。隨著技術的進步, 儀器設備的能力已有了大幅度的提高。規範中所選用的鑽孔間距(土體為2.0 ～ 5.0 m , 岩體為8 ～ 15 m)主要是針對常規淺層跨孔試驗且依據七十年代至八十年代初所使用的儀器設備的能力。而根據目前情況(如使用美國ES2401 型地震儀、BISON1465 -1 型井下剪下波錘)保證獲得清晰的直達波初至, 鑽孔間距在第四系軟土中可達30 m 以上, 岩體中可達60 m 以上。

滿足第二個條件的目的是得到清晰的有效波波列。土體中主要是避免折射波干擾,保證分層精度。顯然, 若將土體中地層分層當作跨孔試驗的主要目的時, 這一條件必須滿足。而對於深層跨孔法波速試驗而言, 設計人員則更側重於土體的整體波速。岩體中則更側重於防止各波列的相互疊加。

(2)孔斜與鑽孔間距的關係

鑽孔傾斜影響波的行進路徑, 當鑽孔垂直度一定時, 孔距越小, 影響越大, 孔距越大, 影響越小。從這個角度出發, 則要求鑽孔間距越大越好。

(3)鑽孔間距與有效波的識別

跨孔試驗中的有效波是直達縱波和直達橫波的初至。干擾波通常為:①波列最前端的電脈衝(D 波列), ②橫波的初至被縱波覆蓋, 此時對S 波列來說P 波列就是干擾波。土體中一般不會出現這種現象, 因為電脈衝、縱波、橫波三者速度相差較大。

可見增大孔距有益於有效波的識別, 而岩體規範推薦的孔間距8～ 15 m, 實際工作中應選擇運用。

(4)鑽孔間距與地層的關係

顯示了第四系土體與完整岩體兩種極端情況, 如孔距L1 =4 m 對土體來說分辨有效波已綽綽有餘, 但對完整岩體孔距L1=10 m 仍然不夠。所以鑽孔間距應隨地層波速的提高而增大。

(5)鑽孔間距與儀器設備的關係跨孔試驗一般採用地震儀作為主機, 在土體中沒有問題, 但在岩體中則會出現前述的干擾波問題, 這與主機性能有較大關係。

如ES2401 型地震儀, 其最高採樣率為50μs , 最小記錄長度為25 ms 。對於10 m 的孔距, P 波初至時間為2.05 ms , S 波初至時間為3.55 ms , 均出現在記錄的前端, 免不了相互干擾。較先進的R24 型地震儀, 其最高採樣率也僅為31.25 μs (此時頻寬為2 ～16000Hz , 動態範圍120 db 。對於這類儀器,在完整基岩中的孔距L1 宜取15 ～ 20 m。

與地震儀相比, 超音波儀器的採樣率要高得多(可達0.1 μs), 頻寬為1 ～ 1MHz ,動態範圍可達120 db 。配置大功率發射機,在混凝土體(如地下混凝土連續牆)中的測試距離可達10 ～ 15 m 。但缺點是:①橫波成分不豐富, ②風化岩體中測試距離較短。在完整岩體中超音波法常用作輔助測試手段(確定P 波初至), 此時孔距宜取小於15 m 。

目前國內生產的動測儀最高採樣率可達5·25 μs , 動態範圍大於118 db , 該類儀器綜合了地震儀和超音波儀的優點。當通道數多於六道時可用作跨孔試驗主機, 以提高有效波解析度。

(6)採用不等距鑽孔

在三孔跨孔法試驗中, 我們習慣選用等間距鑽孔, 即L2 =2 L1 。該方法的原意一是為了消除觸發器的延時, 二是為了計算方便。但對深層跨孔法試驗來說, 鑽孔避免不了傾斜, 即測點間距不可能滿足L2 =2 L1 ,所以實際計算時仍須運用有關計算軟體。結合前面幾點分析筆者認為:在岩體跨孔試驗中, 應改用不等距鑽孔。

4 　套管埋設與灌漿設計

按照規範要求, 深層跨孔法波速試驗應在鑽孔內預先埋設套管。目的有兩個:一是保證試驗設備在鑽孔中順利操作, 二是保持鑽孔垂直度, 保證測斜精度。只有在一些特殊情況下(如在極完整的基岩孔中, 混凝土連續牆中)才允許進行裸孔試驗。套管埋設由試驗人員設計並現場指導, 由鑽探人員完成。

(1)土體中的套管埋設

土體中埋設套管前先測量孔深達到設計要求。埋設的套管一般使用封底悶頭, 以防止泥漿或土體進入管內。由此造成較大的上浮力, 故在套管下到一定深度後須向管內注水, 同時藉助鑽機施加向下壓力將套管壓至設計深度。不使用封底悶頭埋設套管時, 下套管較方便, 但下好後必須進行套管內清孔。之後在管內注滿清水, 套管口用悶頭封好。

套管外壁與土體接觸是否緊密, 直接影響跨孔試驗的精度。當預備時間充足時, 土體中經常採用填砂、攪搗、長時間自然塌落的方法。但當沒有足夠預備時間時, 則應採用孔壁灌漿的方法。

(2)岩體中的套管埋沒

岩體中埋設套管前先進行清孔, 待孔深達到設計要求、孔內水體清澈時才能下套管。埋設的套管不使用封底悶頭(後邊還要注漿)。

(3)管壁注漿

管壁注漿即在套管外壁與鑽孔間隙內注入水泥漿體。可分為套管內注漿和套管外注漿兩種方法。

①套管外注漿適用於鑽孔孔徑較大, 套管與鑽孔孔壁有較大間距的土體和岩體鑽孔。直接將灌漿管在套管外插入孔底(下部為花管), 地面接好灌漿泵, 灌漿時自下往上逐步提升, 直至孔口溢出水泥漿。

②套管內注漿一般適用於套管與鑽孔孔壁間隙較小的岩體鑽孔。它是將灌漿管從套管內插入孔底, 運用特殊孔底注漿裝置進行注漿。

5 　鑽孔垂直度測量設計

鑽孔垂直度測量設計有兩個目的:一是檢驗鑽孔質量, 對於達不到要求的鑽孔必須重打;二是用於準確計算震源孔與接受孔的間距。所以鑽孔垂直度的測量精度直接影響跨孔試驗的精度, 通常要對測斜管、測斜儀兩個方面加於控制。

(1)測斜管的要求

測斜管的質量元素包括:原材料、生產工藝、強度、直徑、壁厚、長度偏差、扭角、接頭等, 每一元素都有其相應的標準。

這裡特別指出的是測斜管的扭角問題, 按一般要求, 測斜管的扭角只要滿足小於0.17°/m但對於深層跨孔法試驗來說, 這種精度顯然是遠遠不夠的。對此提出兩種解決方法:一是控制測斜管的生產工藝, 將扭角限制在0.05°/m 以內;二是測斜時增加扭角測量。另一個需要考慮的是測斜管與套管的接觸問題, 設計選擇管徑時應滿足兩管間隙小於4 mm 。

(2)測斜儀的要求

深層跨孔法試驗的鑽孔垂直度測量必須使用高精度測斜儀(讀數精度達1/10000),最好配有扭角測量裝置。

6 　現場跨孔試驗設計

現場跨孔試驗設計內容包括:

(1) 試驗人員的組織、分工;

(2)制定試驗步驟;

(3)儀器設備的準備與調試;

(4)試驗數據的現場分析與處理。

跨孔法波速試驗的儀器設備

跨孔法波速試驗的儀器設備包括:主機,震源, 接收器, 測斜儀, 室內數據處理系統,其它輔助設備。

1 　主機

主機的作用是採集、放大、顯示、儲存、分析試驗數據。以往通常採用地震儀作為主機, 目前有些單位已開始使用改進後的動測儀作主機(集地震儀、聲波儀的優點), 測試效果良好。

2 　震源

震源的作用是通過激振產生試驗所需要。目前採用最多的震源類型是液壓式井下剪下波錘。它最大的優點是激發能量強、定向性好(橫波、縱波波列清楚), 且可正反向激發。缺點是當試驗深度很大(超過80 m)時, 隨帶油管的重量極大,

影響孔中的準確定位及正反向激振。高壓電火花震源是良好的縱波震源, 與機械震源相比要輕便得多, 但若沒有解決好定向性問題, 則不可能產生優質的橫波。

3 　接收器

一般為井中三分量檢波器, 放置在接收孔中, 接收震源孔傳來的橫波與縱波信號。深層跨孔試驗中要解決好檢波器的貼壁問題。常用的貼壁方法有氣囊式、彈簧片式兩種。氣囊式檢波器貼壁效果較好, 深孔中氣囊常用氮氣瓶充氣, 但充氣量難於控制。改進後的彈簧式檢波器選用彈性極好的鋼片或紫銅片, 下部連線合適的配重, 同樣能起到良好的貼壁效果。

選擇合適的頻率範圍的檢波器, 關係到跨孔試驗的效果好壞。土體中一般影響不大, 檢波器主頻可選用28 ～ 100 Hz 。岩體中的效果就不一樣。

4 　測斜儀

通常使用的美國SINCO 測斜儀或GEOKON 測斜儀滿足深孔測斜精度要求, 且配有專用軟體, 可快速計算出鑽孔垂直度及測點間距。

5 　其它

室內數據處理系統負責跨孔試驗數據(包括測斜數據)的分析計算, 一般有微機、印表機及相關軟體。配合試驗所需的其它設備還有三角架、絞車、發電機等。

總結

要完成高質量的深層跨孔法波速試驗,筆者認為應從以下三方面著手。

(1)建立“試驗設計在先” 的思想。試驗任務下達後, 設計人員、試驗人員、鑽探人員三方應互相配合, 編制“深層跨孔法波” 及工作大綱。切忌各不通氣,盲目套用規範, 否則容易造成不良後果。

(2)強調現場調試的重要性。即使試驗設計再周密, 現場地質條件的改變往往出乎試驗者的意料, 所以正式測試前應根據現有設備情況, 反覆調試, 得出最佳試驗參數。若經努力仍得不出滿意效果時, 應及時更換或添置新的設備。

(3)新技術的綜合運用。對岩體波速特性的研究, 除了跨孔法試驗外, 還有超音波測試和彈性波工程CT 技術。超音波測試技術主要探測鑽孔附近岩體的波速, 範圍小但精度較高。彈性波工程CT 技術則可勾繪出整塊岩體的波速等值線圖, 它的實質是變相(改進)的跨孔法(但目前以測縱波為主)。三者的綜合運用, 將有助於對岩體特性進行更完整合理的描述。