岩土工程勘察声波测井技术

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目前，煤田测井主要是利用煤、岩层的导电性、密度、放射性、声特性等物性差异，进行相应的方法测井。随着数字测井技术的不断发展提高，声速测井已成为重要的测井方法之一。可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数：可用弹性波横波速度判别沙土液化，参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数；其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。这些均可为工程建筑设计提供可靠的参考依据。

1声速测井的内涵

声波在不同的介质(不同的岩层)中的传播时差有明显差异，岩石中的裂缝、溶洞以及岩石风化等会对声波速度产生很大影响，可以通过声速测试了解岩层物性特征。声速测井所测的就是声波在地层中的传播时间。目前，声速测井一般测量的是纵波速度，由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播，经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的，所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度，结合其他物理参数，还可以计算出横波速度，从而进行岩性的划分、弹性参数的计算，为工程勘察所利用。

2理论基础

岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明，岩石的声波速度主要与密度有关，并且是随着岩石密度的增大而增大，其主要影响因素有以下几点：

(1)岩性。在不同岩性的岩石中，声波传播速度不同，这是因为不同岩性的岩石密度不同，一般纯净的石灰岩一砂岩一砂质泥岩一泥岩的密度依次减小，它们的声波速度也依次减小。

(2)岩石结构。岩石胶结性差、疏松，声波速度低；而岩石胶结性好、致密，则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

(3)岩石孔隙间的储集物。岩石中孔隙问的储集物不同，也会对岩石的声波速度产生影响。

(4)地层埋藏深度及地质时代。地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同，地层埋深大、压力大，则声波速度高；反之，地层埋深浅、压力小，由声波速度低。同一岩性，老地层比新地层声波速度高。声波在不同介质中的传播速度见表1。

3应用范围

(1)划分钻孔岩性。不同的岩层具有不同的声波传播速度，因此声速测井可以判断地层岩性，结合电阻率、自然伽玛等参数，对钻孔岩性进行划分。

(2)确定岩层风化、氧化带。岩石因风化、氧化，胶结程度变差，疏松甚至破碎，强度减弱，密度减小，波速减小。测得的声波速度与新鲜完整岩石的声波速度进行比较，波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度，据此可确定岩层风化、氧化带。

(3)解释裂隙和软弱夹层。岩层因为有裂隙及软弱夹层的存在，声波传播速度在此处降低，声速测井曲线产生低的异常是解释裂隙及软弱夹层的主要依据。

(4)确定弹性参数。根据弹性力学的知识，可根据介质密度D，介质中声波传播的纵波速度v与横波速度v确定介质的弹性参数：式中：E为介质的弹性模量；k为体积模量；u为切变模量；8为泊松比。声速测井一般提供的是纵波时差△，并可换算为纵波速度v，而横波速度v由经验公式计算：

4应用实例

4．1划分钻孔岩性

我市一综合楼AQJ1号勘察钻孔的综合测井成果如图1所示，钻探揭露的地层主要有黏土、砂质黏土、砂岩、泥岩。其中，砂岩、砂层的纵波速度较高，黏土的纵波速度较低，砂岩、砂层的视电阻率为高异常、自然伽玛为低异常，在综合分析解释的基础上，划分了钻孔岩性剖面，分层效果良好。

4．2确定岩层风化、氧化带

(1)I号抽水蓄能电站ZK01号勘察钻孔的综合测井成果如图2所示，所测深度内均为石英砂岩，垂深17．2m以下纵波速度平均为6200m／s，而在17．2m以上纵波速度平均仅为3300m／s。其原因即为浅部岩层风化、氧化，成为卸荷带，波速明显减小。

(2)Ⅱ号抽水蓄能电站SZK02号勘察钻孔的测井成果如图3所示，钻探揭露的基岩是花岗岩，纵波速度曲线在46．20m以浅为较低异常(最低170Ore／s，平均在3500rids左右)，确定46．20m以浅为岩层风化、氧化带。

4．3解释裂隙和软弱夹层

裂隙和软弱夹层都是工程建筑，特别是水利工程建设中需要重点处理的地质问题。Ⅲ号抽水蓄能电站LN01号勘察钻孔的测井成果如图4所示。钻孔揭露的岩层也是花岗岩，在孔深21．5O～22．0O，33．8O～34．4O，40．1O～40．90m纵波速度曲线均表现为低尖峰异常，与视电阻率曲线低尖峰异常一一对应，分析解释为岩层裂隙，经与钻探取心资料对比，完全吻合。当裂隙在后期充填泥质后就成为软弱夹层，曲线反映与裂隙相似。

4．4确定弹性参数

将测井计算的岩土层力学性质与实验室获得的岩土层样的力学性质进行对比，发现两者具有一定的相关性和可比性，可作为评价岩土层强度的依据，为工程勘察参考所利用。汝阳县前坪水库ZK3号工程勘察钻TLN井成果见表2。由于声波测井是连续的(一般0．05m，精度高)，计算的弹性参数也是连续的，根据需要，可以从测井数据库导出大于等于0．05m多种深度间隔的弹性参数数据表，非常方便。

5结语

2000年至今，先后对我市多个高层建筑的工程勘察钻孔进行了声速测井。在工程勘察中，岩土层的动弹模量等弹性参数反映了岩土层的相对强度，能够为建筑设计提供一定的参考依据。声速测井除了能够计算各种弹性参数外，还能够进行岩性划分、圈定岩体氧化带、解释软弱夹层等，在工程勘察中发挥了重要作用。依据声速测井资料，结合视电阻率和密度参数，较好地划分了风化、氧化带，确定了新鲜基岩面位置和裂隙及软弱夹层，划分了钻孔岩土层和建筑场地土的类型。实践证明，声速测井应用效果良好，产生了较好的经济和社会效益。