《波速测井的应用》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本节内容,5.4波速测井的应用,5.4,-1 在工程地震勘察中的应用；,5.4,-2 场地土类型及类别的判断、划分；,一）关于场地土类型和场地类别,二）因为Vs比Vp 更能反映介质的弹性的变化，即用剪切,波速度判 断、 区分、确定场地土的类型更准确。,三）特殊土类:,A）填土,B）黄土,c）常用砂土：,四）场地土类型的划分举例：,五）建筑场地类别的划分：,六）场地工程地震勘察的内容：,5.4-1 在工程地震勘察中的应用,弹性波速测井简称波速测井，它是地球物理测井的一个分支，由于方法简单，可以直接得到剪切波速度，目前以广泛应用于石油、煤田、固体矿产和水文观察地质调查的多种领域，特别是工程及水文工程地质调查中，波速测井经常与浅层地震勘察相配合，两种方法可以取得 1+1,2的效果。在工程地震勘察的资料解释中，准确的Vp 和Vs 波资料是不可缺少的。在速度分析中获得的速度资料与测井相比，精度上是有较大差别的。因此，使用波速测井提供的速度资料，确定标准层、进行地层分层是工程地震勘察过程中不能短缺的重要方法。在设计和布置工程地震勘察测线时，如果测区内做过波速测井（或者其他地球物理观测），则应当使测线尽量通过测井或者靠近测井位置，以求得到原有的地层速度及其它地球物理资料，使勘察工作能够达到更高的水平。,在大面积工程勘察的施工时，为了地震勘察需要，在测区内或者测线上的地质构造复杂地段，可以专门进行波速测井测试，以求使工程地震勘察能够达到最佳效果。,一般来说，波速测井可以原位测定P波和S波的速度，在不同的地球物理前提下，能够有效地解决许多地质方面的问题。例如：提供断裂破碎带的位置、地层厚度、地层岩土的软弱特性和固结程度，还可以解决反射法、折射法难以探测和解决的低速夹层等问题。,5.4- 2 场地土类型与建筑场地类别的划分,一）关于场地土类型和场地类别：,场地土类型是确定建筑场地类别的主要依据。为了考虑不同场地土质条件对地震反映的影响，需要对场地土进行分类。场地土是场地工程地质条件（简称场地条件）的一个方面。它包括：地形地貌、水文工程地质、土层结构、剪切波速、岩土类型等方面。国内外地震现场调查资料表明，场地条件对地震场地效应具有重要影响。由于各地区各种工程地质因素组合不同，场地条件随之而变化，因此，产生的地震效应往往各地都不相同。,为了评估未来地震对建筑物场地可能产生的地震效应，以便对工程场地的抗震性能做出评价并提供有关工程抗震设防依据,。,因此，必须对场地土类型和场地类别进行评价。,场地土类型、类别不同，对地震的响应和影响大不相同。土是地球表层岩石经受风化作用后而形成的。其主要特征是,分散性、复杂性和多变性,。,它的性质随形成过程和自然环境的不同有显著的差异。在工程建设中，土既是作为承受建筑物荷载的地基，也是建筑物周围的介质和环境。地震波就是通过土介质传到地面，而产生强烈的地面运动。,由于场地土地质条件的不同，所产生的地震地基效应也不同，导致建筑物的破坏形式也不同。,场地土质条件，是在近场地范围内，地表以下的地层结构、土层类型、分布深度与厚度、土性变化与工程特征等以及对地基稳定性可能产生的地震影响。,场地土的类型系场地范围内表层土的刚度（软硬程度）的表征,，它是根据岩土名称、性状和剪切波速来划分的。我国现行有关建筑物抗震设计规范规定，一般按取地下20米，且不得深于场地覆盖层厚度内各土层的性状和平均剪切波速，将场地划分为：,坚硬土、中硬土、中软土、和软弱土,四种类型。见表,：,土 的 类 型,岩 土 名 称 和 性 质,土层剪切波速度(m/s),坚硬土和岩石,稳定岩石，密实的碎石,s,500,中硬土,中密、稍密的碎石土密，密、中密的砾、粗、中砂，,a200KPa的粘性土和坚硬黄土,500,s,250,中软土,稍密的砾、粗、中砂除松散外的细粉砂,a,200KPa的粘性土和粉土。a,130,KPa,的填土，可塑黄土,250,s,140,软弱土,淤泥和淤泥质的土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，,a,130,KPa的填土，流塑黄土。,s,140,土的类型划分和剪切波速值的划分,建筑抗震设计规范规定，对于楼房层数不超过10层且高度不超过30米的一般建筑物，当场地尚无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表中划分土的类型，在利用当地经验在表内的剪切波速范围内估计各个土层的剪切波速。,这里特别指出的是，由于各地土层沉积环境的不同，由各种土类构成的层状场地土的性状差异很大，即使是同一类型的土层，其饱和度、密度、有效应力等物理力学性质也有明显的变化。显然，对于重大的建筑物场地进行场地土分类时，应该以实测剪切波速为依据。为什么使用实测剪切波速为依据来对场地土进行分类呢？,二）因为Vs比V,p,更能反映介质的弹性的变化，即用剪切波速度判断、区分、确定场地土的类型更准确,。,根据现有的一些资料，各类土的平均剪切波速VS值、承载力大致范围列表如下：,三）特殊土类：,特殊土类是在特殊的自然地理环境和人为条件下形成的具有特殊性质的土。这种土若按常规设计地基的方法便不能满足设计要求，必须按照专门的分类和有关的设计规范，才能满足设计要求。特殊土类主要有红粘土、湿陷性黄土、膨胀土、人工填土以及软土。由于时间关系，我们仅就在城市工程勘察经常遇到的对地基危害较大的人工填土、黄土简单加以介绍。,A）填土,是指由人类活动而堆积的各类土，一般岩土性质杂乱规律性较差，按其组成物质成分可分为：,1、素填土：,由碎石、沙土、粘性土等组成的，若分层压实为压实填土。,2、杂填土：,含大量建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。,3、冲填土：,由水力冲填泥沙形成的沉积土。,填土的波速、性状变化较大100m/s250m/s，物质成分复杂均匀性较差,。,素填土按主要组成物质分为碎石、粉性及粘性素填土。杂填土应为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。在使用填土地基修盖各种建筑物时，一定要进行处理。冲填土是用高压泥浆泵将挖泥船挖出的泥沙，或者使用高压泥浆泵把海岸边的沙土，通过输沙管，用水力运送到预定的地段，经排水后形成的填土。这种方法目前被广泛采用兴建大型人工港口、码头。,B）黄土,天然黄土主要是呈黄色和黄褐色，颗粒大0.050.005,mm,的粉粒为主富含碳酸钙，垂直解理发育，具有湿陷性黄土受到水侵湿后，土的结构迅速被破坏，黄土的强度迅速降低，具有湿陷性，黄土受侵湿后土体显著沉陷的特征。按总失陷量的大小，按 失陷黄土地区建筑规范（gbj-90)规定，将黄土地基的湿陷等级分为七级。,土地名称,砂 粒 含 量,砾 砂,粒径大于2mm的颗粒含量占全重25%50%,粗 砂,粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50%,中 砂,粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50%,细 沙,粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85%,粉 砂,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,表3-19 砂土的分类,在黄土地区进行工程建筑时，,应该尽量避免破坏黄土的天然结构以保持其较高的抗剪能力,。为了防止由于地基侵水产生失陷变形危害地基，在设计施工中应该采取应对措施，事先进行地基处理，加强建筑场地的排水、防水措施，消除地基的失陷性。,c）常用砂土：,砂土的密实度，可按标准贯入的捶击数N 值大小分为松散、稍密、中密、密实四类，具体分类见下表：,四）场地土类型的划分举例：,铁路工程抗震规范（GBJ11-87)将场地土划分为三类：,类场地土： 岩石和土层为密实的块石、砾石土和岩土，土层的平均剪切波速大于500 m / s 。,类场地土： 类场地土和类场地土以外的稳定土或土层的平均剪切波速大于140 m / s 并小于500 m / s 。,场地土： 土层为松散饱和的中砂、细砂、粉砂；新近沉积的粘性土或软塑至流塑的粘性土；淤泥和淤泥质土；新填土，或土层的平均剪切波速小于或等于140 m / s 。,（五）建筑场地类别的划分：,建筑场地的类别是场地条件地表征，划分场地类别主要是作为,抗震设计中选择设计反应谱的依据,。我国现行有关工业与民用建筑物、结构物的抗震设计规范主要根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度将建筑物场地划分为四类：见表7-2,1、场地覆盖层厚度的确定方法：,建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：,（1） 一般情况，按地面至剪切波速大于500 m / s 的土层顶面的距离来确定。,（2） 当地面5米以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层时，且其下卧岩土的剪切波速均不小于,400 m / s 时，可按地面至该土层顶面的距离确定。,（3） 剪切波速大于500 m / s 的孤石、透镜体、，应视同周围土层。,（4） 土层中的火山硬夹层、应视为刚体，其厚度应从覆盖土层扣除。,2、土层等效剪切波速的计算：,场地土层剪切波速的平均，采用等效剪切波速的公式计算，即：,式中：Vse - 土层等效剪切波速,d,0,- 计算深度（m） ，取覆盖层厚度和20米二者的较小值,t - 剪切波从地面至计算深度之间的传播时间,d,i,- 计算深度范围内第i 土层的厚度（m),V,Si,- 计算深度范围内第i 土层的剪切波速,n - 计算深度范围内土层的分层数,各个行业的工程场地类别举列：,铁路工程抗震设计规范规定，场地类别按场地土平均剪切波速和基本承载力确定，见表7-4,构筑物抗震设计规范（JB50191-93）和电力设施抗震设计规范（GB50260-96）采用场地指数作为场地评定标准将建筑场地划分为四类：硬场地、中硬场地、中软场地、软场地。,场地类别,场地土场平均剪切波速,V,S,m / (m/s),500,500140,140,场地土基本承载力,0,/,KP,a,1000,1000100,100,表7-4 铁路工程场地类别,场地指数可按下列公式计算：,场地分类,硬场地,中硬场地,中软场地,软场地,场地指数,1,0.80,0.80,0.35,0.35,0.05,0.05,0,场 地 分 类,当场地土的剪切模大于500,MPa,，或者覆盖层的厚度小于5米时，场地指数取1.0。场地土层的平均剪切模量，可采用地面以下20米深度范围内土层的平均剪切模量。当厚度小于20米时，可按实际覆盖地层厚度确定。,场地指数；,场地土层刚度对地震效应响应的权系数，可采用0.7；,场地覆盖层厚度对地震效应响应的权系数，可采用0.3；,场地土层刚度指数,场地覆盖层厚度指数,场地土层的平均剪切模量（MPa）,场地覆盖层厚度（m)，可采用地面至剪切波速大于500m/S 的土层顶面距离。（或者剪切模量大于500MPa ）,六、场地工程地震勘察的内容：,1、场地第四纪地质与地貌的特征,2、场地范围内地层分布、土层结构与性状,3、场地覆盖层厚度、基岩埋藏深度,4、场地下水位,5、场地饱和沙土层和软土层成因、岩性分布,6、场地土层剪切波速与地面脉动卓越周期,7、场地以及进程地质调查、第四纪以来的活动断层,8、场地斜坡地段地震稳定性调查与评价,9、场地以及近场地震调查与地震烈度的复合,10、确定建筑物场地的类别,11、场地地震危险性分析,12、确定地震动参数，编制地震小区划图,13、确定场地地震地质灾害类型,5.4-3,估算场地固有周期：,场地固有周期T 与场地的很多性质有关，获得场地固有周期T 除了使用“常时微动”观测能够得到外，还有很多的计算方法（七种），我们讲其中与剪切波速有关的三种：,（一）四分之一波长法求固有周期：,1）单一土层场地的基本周期：,式中：,T,0,- 场地基本周期.,Vs,- 覆盖土层总厚度，实测平均剪切波速（m / s ).,H,- 覆盖土层总厚度.,2)多层土场地的基本周期：,式中,（二）使用剪切模量法计算常时微动固有周期：,基本公式：,这是一种估算的方法，与实测相比有一定误差。,卓 越 周 期T（S）,场 地 类 别,0.1,T,0.40,0.4,T,0.80,T,0.8,卓越周期判定场地类别,场地土在振动情况下可能出现最大振幅的周期，称为,场地基本周期,（T0），或场地的卓越周期、固有周期。场地基本周期反应场地土的固有动力性质，与场地地震基本周期相当.,根据场地土平均剪切波速值计算场地基本周期,5.4,-4 其它方面的应用,剪切波速测井在工程勘察和地震安全性评价等方面，得到了非常广泛的应用。在这里仅简单加以介绍。,1）利用地震刚度法调整烈度：,V,S,与密度,的乘积叫刚度。,在工程地震小区划的工作中，通常将土层中波的传播速度与土层密度的乘积称为地震刚度。观察表明场地的地震烈度的调整还要依赖于该场地土层的地震刚度。选择一个标准场地和有关参数与研究场地相比较，可以得到地震烈度经验调整公式：,式中,I 为烈度增减量；,分别为所研究场地与标准场地的卓越频率,；,分别为所研究场地与标准场地的横波速度。,2）用G,0,定性评价震害程度：,我国的地震工作者通海、海城和唐山等地区震害调查资料和地震波速的实验研究，提出土层的平均剪切模量是衡量具体场地土质条件的一个有效参量，它与地震灾害存在某种定性关系，平均平均剪切模量用G,0,来表示，其定义为：,式中 为第i 层土的动剪切模量，它等于V,S,平方与密度,的乘积。,是所考虑土层的有效厚度。,用这种方法研究场地称为平均剪切模量法。,3）土层动力放大倍数的估算：,在进行工程场地选择时，有时还要针对各类建筑物估算其场地土层的动力放大倍数（或系数），定义为：,作为估算值，土层的动力放大倍数可以利用土层剖面的剪切波速值求出。,对于基岩之上只有一层土的时候，土层的动力放大倍数可以这样计算：,式中 分别为土层和基岩的剪,切波速度和密度值。,为干扰力的原频率；,H,为地层厚度；,的最大值发生在共振状态，即,这时在地表面的最大值可以记为：,4）场地土动弹模量的计算：,剪切波速度与传播介质的弹性模量有关，当近似的考虑和研究土层的弹性性质时，利用场地土实测的波速值，可以计算出土层的弹性模量。利用波速值计算出来的弹性模量叫做动弹模量，它与室内利用应力与应变计算出来的静弹模量还是不相同。计算静弹模量的公式有：,、,为拉梅弹性常数；,E,为杨氏模量。,5）根据V,S,的大小判定场地液化：,目前国内已有几种根据剪切波速度判断场地液化的经验公式。下面介绍两个常用的公式：,A）,基于室内实验的资料和野外观测的经验，直接由剪切波速度判断场地液化的式子：,式中 为液化临界剪切波速，当实测剪切波速 时判为液化。,是深度为1米处液化临界剪切波速 ，其大小与土层烈度有关。,为沙层和粉土层的埋深。,B）,利用剪切波速度V,S,和标准灌入N值得相关性，可以把以N值为判断液化的判别式转换为以V,S,的判别式，现场研究的经验公式为：,V,s,= 116N,0.258,( 六）,剪切波速推测的工程应用,摘要：,剪切波速是场地地震反应分析中，一个重要的计算参数。针对工程中剪切波速测试不能达到技术要求的情况，本文简单分析了剪切波速测试不能达到要求的原因，并介绍了使用剪切波速推测作为弥补手段，使剪切波速达到要求。通过工程实例介绍了两种推测剪切波速度的方法。一种是利用指数形式的经验公事推测剪切波速，主要是介绍了通过微调部分参数，使得推测结果更接近实际情况。另外一种是利用多项式形式拟合来推测剪切波速。主要是通过观察其分布规律，来确定其分布函数的形式。,关键词：剪切波速、推测、经验公式,引言,剪切波速是工程场地地震安全性评价和地震小区划中必备的参数之一，是土层地震反应分析中的一个重要参数。剪切波速反应了土层的刚度特征，并对场地地震动参数有显著影响。即剪切波速是关乎场地结果的一个重要参数，故剪切波速的测试与估计是一项重要的工作。然而，在在具体的工程场地地震安全性评价和地震小区划工作中剪切波速测试是一个实际的工程问题，它将受到实际情况（钻孔深度、土层埋藏条件、土类、成孔工艺和测试方法）等的制约，使得剪切波速测试过程中出现塌孔现象，使得剪切波速测试不能达到测试工作要求深度，或者是钻孔深度达到相关规范规定的极限深度而剪切波速测试结果未满足要求（如500m/s)，这也是过程中经常遇到的问题，这时必须对剪切波速进行估计，以便得到比较合理的估算土层地震反应的结果。,目前剪切波速的推测工作已经取得不少成果，基本都是根据土性参数出发，对实测的波速资料进行统计分析，得到剪切波速拟合的公式，从统计的土性参数来看，经验公式有以下几种：,第一种方法：,仅根据深度来统计，认为剪切波速值随深度线性变化，具体形式为：,s = a + bh,(式中 s为剪切波速值，h 土层的深度，a、b 拟合系数）。,第二种方法：,根据土性和深度来统计，认为剪切波速值随着两个两个参数值呈指数变化，具体形式为：,s = a + bh,(式中 s为剪切波速值，h 土层的深度，a、b 拟合系数）,第三种方法是：,根据标准惯入值来统计。认为剪切波速随着标准贯入N值成指数变化或者是呈双曲线变化。具体形式为 或,s =,N/(aN+b),(式中s为剪切波速值，N为标准贯人击数，a、b、c为拟合参数）。,本文在后面也尝试用到另一种方法，这种方法认为剪切波速随深度呈二项式变化，具体形式为,s = a+bh+ch,式中s为剪切波速值，,h 为土层深度，,a、b、c为拟合参数,利用指数形式的经验公事推测剪切波速,利用指数形式的经验公事推测剪切波速度是目前较为传输的一种方法，目前在工程上研究院一定的应用。构筑物抗震设计规范（GB50191-93）中给出了较完整的经验公式，薄景山在期博士后出站报告中5对规范中的方法加以完善补充，是目前较完整的剪切波速的推测经验公式，该经验公式依据土类、沿途形状和深度对剪切波速进行推测，具体如下：式中hi是第i层土中点处的深度(m)、a 土层剪切波速计算系数，b土层剪切波速计算指数a和b由下表决定：,岩土形状,系数,名称,土 的 名 称,粘性土,粉细纱,中粗沙,卵石、碎石,固结较差的流塑、软塑土、松软砂土,a,70,90,80,b,0.30,0.243,0.280,软塑、可塑粘性土土，中密或稍密的砂、卵,a,100,120,120,170,b,0.3,0.243,0.280,0.243,硬塑、坚硬粘性土,密实的砂、卵、碎石,a,130,150,150,200,b,0.3,0.3,0.280,0.243,再结较的砂、卵碎石、风化岩石,a,300500,300500,300500,300500,b,0,0,0,0,1.1 剪切波速公式推测的应用,上述剪切波速的土层公式在山东济南一工程场地的地震安全性评价中得到应用。该工程第四号钻孔深度达103.5米，塌口现象严重，致使剪切波速仅测到86米深度，并且未达到（500m/s)的标准。故应用公式（1）对下部的剪切波速进行了推测。推测采用了两种方法，一种是严格按照公式1中和表一中的参数进行推测，简称方法一：二是对表1中的某些参数进行微调后进行推测，简称方法2。推测的深度、相应的沿途形状和土的名称以及论证方法推测的结果列于表2。两种方法的拟合结果如图一所示。,1.2,推测结果的分析,从图1和表2的结果可以看出，方法1和方法2拟合个结果都能够反应剪切波速变化的规律，一旦误差范围内都能够对实测剪切波速进行拟合。图1显示出方法2的拟合结果和实测的波速值拟合很好，其拟合效果明显好于方法1，表2显示出方法2的推测结果与实际误差比方法1的小。这些都说明，对推测剪切波速的经验公式的参试进行微调的方法可以更准确的取得波速值。剪切波速估计的经验公式本身就是对已有结果统计而来的，反映了剪切波速随深度、土类和沿途性状的变化的大体规律，但在不同的具体地区有一定的差别，所以对于一个具体的钻孔来说，利用具体钻孔的剪切波速资料对公式的部分参数进行微调，使已有资料更好的拟和效果，从而获得该钻孔更准确的拟和参数，进而探测未测部分的剪切波速，这种做法，是值得推荐的一种做法。,推测深度（m),土的名称,岩,土,性,状,剪切波速实测值,(m/s),剪切波速推测值（m/s）,方法一,方法二,a,b,波速,误差,%,a,b,波速,误差,%,76.0,粉质粘土,375.4,100,0.3,366.6,-2.30,102.5,0.3,378.8,0.11,78.0,粉质粘土,380.3,100,0.3,369.5,-2.84,102.5,0.3,378.7,-,0.42,80.0,粉质粘土,378.5,100,0.3,372.3,-1.64,102.5,0.3,381.6,0.82,82.0,粉质粘土,385.5,100,0.3,375.1,-2.70,102.5,0.3,384.5,0.26,84.0,粉质粘土,387.2,100,0.3,377.8,-,2.43,102.5,0.3,387.3,-0.03,86.0,粉质粘土,390.1,100,0.3,380.5,-2.46,102.5,0.3,390.0,0.03,表2,剪切波速推测结果,87.0,粉质粘土,100,0.3,381.8,102.5,0.3,391.4,89.0,粉质粘土,100,0.3,384.4,102.5,0.3,394.0,91.0,粉质粘土,可塑,硬塑,100,0.3,425.7,110,0.3,425.7,93.0,粉质粘土,100,0.3,467.4,120,0.3,467.4,95,粉质粘土,100,0.3,509.6,130,0.3,509.6,97,粘土,硬塑,100,0.3,512.8,130,0.3,512.8,