土層剪切波原位測試的誤差應對分析范文

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摘要：彈性波在土層中的傳播速度是反映土的動力特性的一項重要參數，根據波速測試的實測地層波速，場地土層剪切波速度不僅能為提供場地土的動力參數，成為地震反應分析的重要基本參數,同時也是場地分類法中劃分場地類別的重要依據。本文根據誤差分析理論，分析土層剪切波測試的誤差來源及影響程度,通過作者十余年從事大量工程的波速測試工作工作經驗，提出減小誤差的具體方法。

關鍵詞：工程地震；地層；剪切波；壓縮波；波速

引言

波速測試技術是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術的一個重要分支，是地震安全性評價的基礎數據。目前已廣泛應用于工業與民用建筑、鐵路工程、水利水電工程、石油工程、冶金工程等眾多巖土工程地質勘察領域，取得了良好的應用效果。一般來說，波速測試可原位測定壓縮波（P波）、剪切波（S波）等在巖（土）體中的傳播速度，從而避免了室內測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質問題，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結特性和軟硬程度、評價巖（土）體質量等；并可計算工程動力學參數，如動剪切模量、動彈性模量等[1-2]。波速測試作為淺層地球物理勘探方法（或原位測試技術），具有簡便、快速、經濟、準確、分辨率高、應用范圍廣等優點，受到工程技術人員的青睞和使用。但是，在波速測試的實際工作當中，不同的技術人員、不同的鉆探隊伍、不同的工作環境，得出的地層波速值往往差別很大，其原因很多，但誤差不外乎本文提出的幾個方面。

1剪切波測試方法

當地面震源激發振動訊號時（振動訊號產生的時間被記錄），儀器波便從震源發出穿過地層介質，到達井下三分量探頭，探頭中的檢波器，經過機電轉換把地震的振動信號轉換成電信號，通過電纜傳送到波速測試儀，由測試儀器記錄并顯示地震波形。本文就單孔波速測試進行分析。為取得土層沿深度各測點的剪切波速數據，采用速度檢層法對本場地的工程地震鉆孔進行測試，沿孔深每一土層界面設一個測試點，厚度大于2m的土層，一般每隔2m左右設一個測試點。用速度檢層法測得的剪切波速是鉆孔內相鄰二測點中間土層的平均剪切波速。首先從電腦測震儀記錄到的波形確定剪切波的初至時刻，再根據震源的起始時刻和波的初至時刻確定波的走時，然后由鉆孔中的測點深度與震源到孔的距離確定波的行程，將波的行程除以走時就可以確定剪切波的傳播速度。圖1是剪切波速計算示意圖。h1，h2…，hi分別為鉆孔內各測點間的厚度；s為震源到鉆孔的距離；L1，L2…，Li是各測點到震源的距離；a1，a2,…，ai是剪切波入射到孔壁的夾角。設t1，t2…，ti分別為剪切波由震源到各個測點的走時，則剪切波在各層的速度v1，v2…，vi分別為：

2波速的誤差來源及誤差傳遞分析

一般說來，在任意深度h的位置，公式（1）可以變換為：由此可見，在工作中我們需測量的物理量有3個，深度h、孔口至激震源距離a和S波到時t，它們在測量的時候都有一定的各自誤差。包含有隨機誤差（randomerror）、系統誤差（systematicerror）和過失誤差（mistake）。隨機誤差系不可預知的規律變化著的誤差，絕對誤差時正時負，時大時小，產生的原因為偶然因素，通過多次測量，平均或期望值，從而減小誤差。系統誤差系在一定試驗條件下，由某個或某些因素按照某一確定的規律起作用而形成的誤差，產生的原因多方面，大小及其符號在同一試驗中是恒定的，無法減小更無法消除，如受到儀器采樣間隔影響等對到時t產生的誤差。過失誤差（mistake），實驗人員粗心大意造成，可以完全避免，本文不予考慮。一般函數，由n個自變量組成y=f（x1，y2，…，xn）（6）如果變量xi各自誤差為δxi，根據直接測量值的誤差來計算間接測量值的誤差，對（6）式進行變分得到[3-5]：現在根據上述公式進行誤差分析。假定深度h=10m，孔口至激震源距離a=2m，測得到t=35ms。根據（5）式，則波速v=291.37m/s。若此時深度誤差δh=0.1m=10cm，其它量準確，δa=0，δt=0代入（8）式，δv=2.80m/s，相對誤差|δv|/v=1.0%。若孔口至激震源距離誤差δa=0.1m=10cm，其它量準確，δh=0，δt=0代入（8）式，δv=0.56m/s，相對誤差|δv|/v=0.2%。若此時到時誤差δt=1ms，其它量準確，δa=0，δh=0，則δv=-8.324m/s，相對誤差|δv|/v=2.86%。可見深度h和孔口至激震源距離a的誤差對波速引起誤差的較小，而到時t誤差對波速影響較大[6]。而且，深度h和孔口至激震源距離a對波速引起誤差一般是隨機誤差，尤其是孔口至激震源距離a誤差通過多次認真測量而減小。但到時誤差對波速影響較大，而且一般是既有隨機誤差又有系統誤差，難以克服，故到時t測量和數據讀取特別重要，到時誤差δt的系統誤差是有儀器系統的采樣間隔造成的，如果采樣間隔Δt=1ms，則波速v固有誤差8.314m/s。另外，產生時誤差δt的另一個更大因素是剪切波震相的識別正確與否，導致其δt達到如3～5ms，甚至更多，|δv|達幾十m/s，相對誤差|δv|/v，幾十%。下面專門分析。同時由（10）可見，靠近地面幾個測點由于，到時t較小，則誤差δv較大；反之，隨著測點深度的增加，到時t越來越大，則誤差δv越來越小。

3剪切波震相識別

我們知道，現場采集的波形一般由三部分組成：第一部分是從零時開始至直達波能量的到達，其信號除受外部干擾出現毛刺外，基本上是一條接近于直線的平穩段；第二部分從波的第一個初至起到第二個初至止，此段屬于P波（壓縮波、縱波）段，振幅小，頻率高；第三部分是以S波（剪切波、橫波）為主的部分，振幅大，頻率低（如圖2）。

（1）P波傳播速度較S波速度快，P波為初至動。

（2）震源板兩端分別作水平激發時，S波相位反向，而P波相位不變。

（3）檢波器下孔一定深度后，P波波幅變小，頻率變高，而S波幅度相對較大，率相對較低。

（4）最小測試深度應大于震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速地層界面可能造成的折射波影響。室內判讀主要是精確地判讀出第一個S波到達的時間。對不同方向激振所記錄下來的波形，根據正反向激發S波極性相反的特點[7]，確定S波的初至，并以觸發信號的起點為零時刻，取第一個剪切波到達的時刻。如圖3中的ts所示。隨著測試深度的增加，有效信號的頻率會有所降低，對數據的準確讀取有一定的影響（可選在有效波起跳點或第一波峰處）。隨著測試深度的增大，S波信號能量逐漸減小。為提高有效信號的幅度，單純增加激發能量也會增大噪聲的干擾。在選擇適當激發能量的同時，采用多次疊加的方法不僅能提高有效信號能量，還可壓制噪聲。測試的時候應該認真、仔細，多次正反方向錘擊激振器[8-9]。

4結語

波速誤差由深度h、孔口至激震源距離a和到時t誤差引起。其中探頭深度h和孔口至激震源距離a對波速引起誤差的較小，而到時t誤差對波速影響較大。前二者是隨機誤差，可以通過多次認真測量而減小。時誤差δt對波速影響較大，而且一般是既有隨機誤差又有系統誤差，難以克服，到時誤差δt的系統誤差是有儀器系統的采樣間隔造成的，產生時誤差δt的另一個更大因素是剪切波震相的識別，需要特別注意。正確識別S波震相，對于到時t的數據準確與否至關重要，因為剪切波速的誤差更多來源于此。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010：建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50021-2001：巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]王鍾琦.地震區工程選址手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[4]林在貫.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[5]常士驃.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[6]劉康和，童廣才.場地原位試驗的工程應用[J].國外地質勘探技術，1996，18（6）：7-11.

[7]高朝軍，張志鵬，候賽因，等.基于遠震P波接收函數計算巴里坤臺站下方的地殼厚度和泊松比[J].華南地震，2016，36（1）：1-6.

[8]丁伯陽.土層波速于地表脈動[M].蘭州：蘭州大學出版社，1996.

[9]吳華平，郭良田.活動斷層探測中斷層氣真、假異常判別方法[J].華南地震，2016，36（2）：50-55.

作者：柴榮建 單位：廣東地震局