Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Тоннели и метрополитены arrow Рекомендации Методические рекомендации по определению состава, состояния и свойств грунтов сейсмоак  
17.08.2018
    
Рекомендации Методические рекомендации по определению состава, состояния и свойств грунтов сейсмоак

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
НАУЧНО
-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора института

Н. Б. Соколов

2 апреля 1985 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СОСТАВА,
СОСТОЯНИЯ И СВО
ЙСТВ ГРУНТОВ
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ

Одобрены Главтранспроектом

Москва 1985

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящей работе приведены рекомендации по проведению сейсмоакустических работ при изучении разрезов нескальных грунтов и определению их физико-механических характеристик. Особое внимание уделено производству работ с поперечными волнами, наблюдению во внутренних точках среды и оценке состава, состояния и свойств грунтов. Учтена специфика изысканий под транспортные сооружения, приведены основные разработки ЦНИИСа по данным вопросам.

Методические рекомендации предназначены для геофизиков-сейсморазведчиков, а также инженеров-геологов, знакомых с основами сейсмоакустики.

Методические рекомендации разработали инж. О. П. Аникин - гл. 1, 2, 3 (пп. 3.1, 3.13-3.24) и 4, канд. геол.-минерал. наук Ю. В. Горшенин - гл. 3 (пп. 3.2-3.12) и приложение.

Зав. отделением изысканий и
проектирования железных дорог

А.М. Козлов

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Под сейсмоакустикой следует понимать комплекс разночастотных методов, основанных на использовании упругих волн: сейсмических - на частотах от 30 до 500 Гц, акустических - на частотах от 0,5 до 10 кГц, ультразвуковых - на частотах более 10 кГц.

1.2. Изучение строения разреза и описание кинематики распространения упругих волн в реальных средах основывается в данной работе на линейной теории упругости, согласно которой в однородной изотропной среде при динамическом воздействии на нее в какой-либо точке возникают два вида объемных волн: продольные - сжатия Р и поперечные - сдвига S.

Со свободной поверхностью связано существование поверхностных волн Релея и Лява [1, 2]. Скорости упругих продольных Vp и поперечных Vs волн приведены в табл. 1.

1.3. В качестве характеристики поглощения выбран декремент поглощения волн ν, который для значительных интервалов частот или слабо зависит от частоты колебаний, или совсем не зависит от нее [2, 3] и определяется по формуле

ν = α · λ,                                                                       (1)

где α - коэффициент поглощения;

λ - длина волны.

Амплитуда волны на разных удалениях от источника колебаний при совместном действии факторов расхождения и поглощения определяется по формуле

,                                                               (2)

где A(x) - амплитуда волны на расстоянии x от некоторой начальной точки;

A0 -  амплитуда волны в начальной точке;

e -    натуральный логарифм;

τ -    показатель расхождения.

Таблица 1

Типы грунтов

Vp, м/с

Vs, м/с

Vs/Vp

Неводонасыщенные:

 

 

 

валунно-галечные отложения

500-1000

250-500

0,60-0,70

пески

200-500

150-300

0,50-0,70

супеси

250-700

150-400

0,45-0,60

суглинки

300-1000

150-500

0,30-0,55

глины (включая коренные)

400-1800

200-600

0,15-0,35

Водонасыщенные:

 

 

 

валунно-галечные отложения

2000-2700

250-500

0,10-0,20

пески

1500-2000

150-300

0,10-0,18

супеси

1500-1800

150-400

0,10-0,20

суглинки

1500-1900

150-500

0,10-0,25

глины (включая коренные)

1800-2500

200-600

0,10-0,25

В реальных средах на амплитуду волн влияет также неоднородность среды, вследствие чего определяемые на практике показатели поглощения следует считать, строго говоря, эффективными величинами.

1.4. Главной особенностью сейсмоакустических исследований, которую следует учитывать при определении состава, состояния и свойств грунтов, является необходимость определения истинных значений сейсмических характеристик как продольных, так и поперечных волн даже в тех случаях, когда для расчленения разреза можно обойтись только одним, обычно продольным, типом волн.

Спецификой изысканий под транспортные сооружения являются более высокие требования к портативности аппаратуры и оборудования и сложность подбора способов и уравнений расчета физико-механических свойств грунтов по относительно малому опорному материалу.

1.5. Задачами сейсмоакустических исследований при изучении массивов нескальных грунтов для определения их свойств, состава и состояния являются:

расчленение геологического разреза (определение числа и мощности слоев, конфигурации границ);

определение сейсмоакустических характеристик для выделенных толщ грунтов;

определение свойств, состава и состояния нескальных грунтов.

1.6. При изучении разрезов нескальных грунтов следует применять:

сейсмические наземные измерения;

вертикальное сейсмическое профилирование и каротаж;

ультразвуковые измерения в естественных условиях и на образцах пород.

2. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ

Аппаратура и методика наземных сейсмических измерений

2.1. Сейсмическая аппаратура должна выбираться в зависимости от вида измерений, строения сейсмогеологического разреза, характера решаемых задач и категории местности. Основные типы регистрирующей аппаратуры, рекомендуемой для выполнения работ, и ее характеристики приведены в табл. 2.

При изучении сложных разрезов для регистрации волн в первых и последующих вступлениях предпочтение должно быть отдано многоканальным отечественным сейсмическим станциям типов оиск-1-6/12", АСМ-ОВ, СМОВ-24 и зарубежным - ИСН-01, Mc Seis-1300.

Малоканальные сейсмические установки обладают значительно меньшими возможностями и применяются в основном при наблюдениях по методу первых вступлений для решения простейших задач (например, изучения границ, связанных с уровнем грунтовых вод или поверхностью коренных глин).

2.2. Измерения следует производить способом продольного профилирования на единичных профилях или их системе. Непродольное профилирование используют редко, так как оно не гарантирует точных количественных построений, поэтому в настоящих Методических рекомендациях не рассматривается.

2.3. При сложном строении разреза (например, инверсионном распределении скоростей и неполном экранировании) пункт возбуждения колебаний рекомендуется заглублять. Обычно это делается с помощью взрывов в буровых скважинах, что относительно сложно и дорого. Как показал опыт ЦНИИС, более экономичным и технически доступным является использование для этой цели портативной установки динамического зондирования з комплекта ЭДЗ ЦНИИС [4]).

2.4. Методика наземной сейсморазведки на продольных волнах достаточно полно освещена в литературе [5, 6, 7 и др.]. Поэтому в этом разделе рассматриваются лишь особенности производства работ с поперечными и поверхностными волнами, менее освоенными в технико-методическом отношении.

Таблица 2

Аппаратура

Число каналов

Полоса пропускания, Гц

Точность отсчета времени, мс

Накапливание сигнала

Регистрация

Динамический диапазон, дБ

Чувствительность, мм/мкВ

Потребляемая мощность, Вт

Масса, кг

МАЛОКАНАЛЬНАЯ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОСУ-2

1

20-600

0,1

Нет

Аналоговая на ЭЛТ с фиксированием на фотопленку

-

2

10

7

ДОСУ-1

2

20-1000

0,1

-«-

То же

120

4

13

16

СНЦ-1

1

10-1000

0,1

Цифровое

Аналоговая на ЭЛТ и электроэррозионную бумагу

60

4

15

15

Bison 1550 (США)

1

5-2000

0,01

-«-

Аналоговая на ЭЛТ

-

-

3

5

МНОГОКАНАЛЬНАЯ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поиск-1-6/12 АСМ-ОВ

12

15-125

0,5

Нет

Аналоговая на магнитную ленту и фотобумагу

40

20

120

150

Поиск-1-24 МОВВ

24

15-120

0,5

-«-

То же

46

20

300

250

СМОВ-0-24

24

10-120

1,0

Аналоговое

Аналоговая на магнитную ленту с воспроизведением на бумагу

-

-

70

-

ИСН-01-024 (ВНР)

24

20-2000

0,1

Цифровое

Цифровая на магнитную ленту и аналоговая на электроэррозионную бумагу

96

-

100

50

Мс Seis-1300 (Япония)

24

5-1000

0,5

Цифровое неограниченное

Аналоговая на бумагу с ультрафиолетовым проявлением

86

-

60

16

2.5. В методике работ с поперечными волнами имеются две принципиальные трудности, которые следует учитывать при проведении исследований:

получение чистых записей поперечных волн, не осложненных присутствием продольных волн, находящихся в первых вступлениях;

возбуждение поперечных волн достаточной интенсивности.

Первое имеет место в ближней (1-3λ) к ПВ зоне, второе - при значительной глубине исследований.

2.6. Из поперечных волн рекомендуются в первую очередь волны типа SH, которые возбуждают горизонтальными ударами по вертикальной стенке ямки или торцу прикопанного бревна в направлении, перпендикулярном линии профиля (по оси Y), и принимают горизонтальными (по оси Y) сейсмоприемниками. Для опознания волн типа SH следует получать записи с противоположно направленными ударами, за счет чего поперечная волна меняет фазу на противоположную, а продольная волна - нет.

Однако направленность источников возбуждения (особенно типа сосредоточенной силы) и сейсмоприемников такова, что одновременно с волнами типа SH на записях (в ближней к ПВ зоне) присутствуют довольно интенсивные волны типа Р.

2.7. Для подавления продольных волн на записях поперечных следует осуществлять фильтрацию колебаний, так как спектр колебаний продольных волн является более высокочастотным, чем поперечных, и ограничение спектра со стороны высоких частот (применение ФНЧ) значительно ослабляет или даже подавляет первые из них.

2.8. В тех случаях, когда возбуждение поперечных волн типа SH с помощью кувалды не обеспечивает необходимой интенсивности колебаний, следует применять специальные ударные устройства [8, 9].

В качестве одного из таких источников возбуждения поперечных волн рекомендуется маятниковое устройство конструкции ЦНИИС для нанесения горизонтальных касательных ударов (рис. 1). Цилиндрической формы наборный груз 1 массой 15-50 кг подвешивается на стержнях 3 к горизонтальной оси 10, удерживаемой муфтами 13 на двух опорных ногах треноги 7 на высоте 2 м. Груз на рабочую высоту (до 2,5 м) поднимается ручной лебедкой 9, трос 8 от которой через блок 6 треноги 7 и несущий рычаг 4 специальным захватом 2 крепится к грузу 1. Несущий рычаг удерживает груз при подъеме. С помощью спускового шнура 5 захват 2 размыкается, и груз начинает двигаться вниз в вертикальной плоскости до нанесения удара по подставке 11. Конструкция блока сочленения 12 стержней 3 груза с горизонтальной осью 10 обеспечивает возможность некоторого перемещения груза в плоскости, горизонтальной оси (перпендикулярно нанесению удара), благодаря чему груз движется вертикально и ослабляется боковая вибрация треноги.

Рис. 1. Маятниковое устройство для возбуждения поперечных волн

2.9. В качестве нового высокоэффективного источника возбуждения поперечных волн рекомендуется скважинное устройство, применение которого обеспечивает высокую чистоту возбуждения поперечных волн при низком уровне продольных. Схематическая конструкция подобного устройства, используемого в ЦНИИСе, показана на рис. 2. Оно состоит из металлических контактных щек 1, деревянных прокладок 2, распорной воздушной камеры (с подводящим шлангом) 3, металлического диска 4. При работе устройство опускается в лунку или мелкую скважину таким образом, чтобы над поверхностью выступала часть его высотой примерно 20 см.

Рис. 2. Скважинное устройство для возбуждения поперечных волн

Ручным насосом создается давление в распорной камере, в результате чего она увеличивается в объеме и через прокладки давит на контактные щеки, плотно прижимая их к стенкам лунки. На торцы контактных щек кладется металлический диск 4, по которому наносятся удары молотком или кувалдой.

Длины, поперечные размеры и давление в камере следует выбирать в зависимости от мощности источника, условий бурения лунок или скважин и транспортировки. Как показал опыт ЦНИИС, оптимальными параметрами устройства являются следующие: длина контактных щек 80-100 см, диаметр 15-20 см, давление в распорной камере 0,3-0,5 МПа. Они обеспечивают в большинстве случаев глубину исследований до 10 м. Контактные щеки удобно изготавливать из отрезка трубы указанных размеров, разрезав ее по длине на две части. Кожухом распорной камеры может служить пожарный рукав, а внутренняя воздушная камера склеивается из резины. Давление в камере контролируется простейшим манометром.

Лунки глубиной до 1 м рекомендуется бурить ручными бурами (типа садового или шнекового ледобура).

2.10. При глубине исследований, превышающей 10 м, длина установки должна составлять 1,5-2,0 м, а давление в камере - 0,7-0,8 МПа. Удары по накладному диску осуществляют падающим грузом разной массы.

Вместо одного большого устройства могут быть применены два малых, состыкованных последовательно друг за другом в скважине по глубине.

2.11. Для возбуждения с помощью скважинного устройства поперечных волн типа SH следует бурить наклонную (в плоскости ZY) лунку с отклонением от вертикали на 30-45°. Колебания возбуждают ударами кувалды вдоль оси устройства, прием осуществляют горизонтальными сейсмоприемниками, ориентированными по оси Y. Если нужно получить записи с противоположной поляризацией удара, следует бурить другую лунку с отклонением от вертикали в противоположную сторону.

При данной методике работ обеспечиваются максимальная чистота записи поперечных волн и их надежное опознавание, в связи с чем отпадает необходимость в низкочастотной фильтрации колебаний.

2.12. Наибольший эффект при применении скважинного устройства достигается при работе с поперечными волнами типа SV в случае возбуждения и приема колебаний по системе ZZ, при этом отпадает необходимость в замене вертикальных сейсмоприемников горизонтальными при переходе от регистрации продольных волн к поперечным. Не вызывает трудностей и обеспечение необходимой интенсивности колебаний.

Чистота записей волн типа SV достаточно высока, хотя и несколько хуже, чем волн типа SH. В некоторых случаях для подавления продольных волн рекомендуется осуществлять фильтрацию колебаний.

2.13. Работу с поверхностными волнами типа Релея и Лява рекомендуется проводить лишь в тех случаях, когда трудности методического характера не позволяют получить качественные записи поперечных волн ввиду относительной сложности и трудоемкости измерений, а также более низкой надежности и точности результатов. Эти измерения могут дать информацию о скоростном (для волн) строении среды примерно до глубины 10 м при условии ее градиентного характера.

Аппаратура и методика работ подробно освещены в литературе [10]. Следует отметить, что для уверенного и детального освещения разреза необходимы записи первых низших гармоник волн на пяти или более отличающийся частотах в диапазоне 5-70 Гц. Каждая гармоника имеет свой интервал регистрации, где она разрешена во времени с другими волнами и достаточно интенсивна. Волны Релея наблюдают по системе ZZ, Лява - по системе YY.

Аппаратура и методика наблюдений во внутренних точках среды

2.14. Наблюдения во внутренних точках среды наиболее эффективны при изучении скоростного строения разреза, так как они позволяют исследовать разрезы с любым распределением скоростей, в том числе и инверсионным, когда их изучение наземными сейсмическими методами затруднено или невозможно.

2.15. Вертикальное сейсмическое профилирование в скважинах (ВСП), как сухих, так и заполненных водой, рекомендуется выполнять с помощью многоэлементных сейсмических зондов и многоканальных (более 12) сейсмостанций (см. табл. 2). Для уверенной регистрации продольных и поперечных волн каждый приемный элемент должен состоять из вертикального и горизонтального приборов. Необходимое качество записи (особенно для поперечных волн) обеспечивается плотным прижатием каждого элемента к стенке скважины.

2.16. Количество пунктов возбуждения (ПВ) и их удаление от устья скважины зависят от предполагаемого способа интерпретации.

Если количественная интерпретация предполагает приведение непродольных наблюдений к продольным, то первый ПВ располагается вблизи устья скважины и два других - на расстояниях 0,3 Н и 0,5 Н, но не далее 10 м, где Н - глубина скважины [11, 12].

Когда интерпретация проводится без приведения непродольных наблюдений к продольным, то первый ПВ располагается также у устья скважины, а два других - на расстояниях примерно 0,5 Н и 1,0 Н, но не далее 20 м.

Если предполагается построение поля изохрон, то ПВ удаляются на 2-3 Н.

Следует учитывать также, что поперечная волна разрешена на записях во времени с продольной лишь в тех случаях, когда ПВ удален от скважины на 3-5 м и более.

2.17. Методика возбуждения и приема волн при ВСП аналогична методике при наземных наблюдениях м. пп. 2.4-2.12). На системах ZZ наблюдают продольные и поперечные волны типа SV, на системах YY - поперечные волны типа SH. Более высокочастотными на записях поперечных волн являются волны типа SV.

При относительно малых удалениях ПВ от устья скважины (менее Н) регистрация продольных и поперечных волн типа SV уверенно осуществляется и по системе ZZ, в связи с чем при больших объемах работ экономически целесообразно применение многоэлементного сейсмического зонда с вертикальными сейсмоприемниками.

2.18. Сейсмический каротаж скважин, являющийся частным случаем ВСП (регистрация первых вступлений), рекомендуется выполнять с помощью одного-, двухэлементного зондов и малоканальных сейсмических установок. Обычно наблюдения ведут на продольных волнах. За счет высокой точности регистрации времен указанной аппаратурой, особенно нового поколения м. табл. 2), достигается высокая разрешающая способность метода при расчленении разреза и определении скоростей. Шаг наблюдений в неводонасыщенных породах в некоторых случаях целесообразно уменьшать до 25 см.

Регистрация волн типа S в принципе также возможна при условии подавления продольных волн. Волновую картину лучше фиксировать для последующего камерального анализа.

Аппаратура и методика ультразвуковых измерений

2.19. Ультразвуковые измерения на образцах грунта и в массиве проводят с помощью импульсной аппаратуры, рассчитанной обычно на питание от сети переменного тока (табл. 3). Измерения в полевых условиях рекомендуется выполнять аппаратурой с автономным питанием типов УК-10П и Р-5-5 (последняя требует специальной переделки [13]).

2.20. Измерения осуществляют по методике продольного профилирования и просвечивания [14].

Таблица 3

Параметры

Единицы измерения

Тип прибора

n>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: