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 СВОЙСТВ 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 V_p и поперечных V_s 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

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 "Поиск-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 (из 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

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 (см. 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 (см. 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

3. ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

3.1. Процесс обработки и интерпретации материалов сейсмоакустических наблюдений, осуществляемый для определения глубин сейсмических границ или мощностей слоев и скоростей распространения в них упругих волн, включает визуализацию материалов, их маркировку и оценку качества, корреляцию волн и установление их природы, построение годографов и их интерпретацию на основе принятой сейсмической модели. Эти вопросы, а также вопросы, касающиеся определения декрементов поглощения волн, достаточно полно освещены в литературе [5, 6, 7, 14, 15, 16 и др.], поэтому в настоящих Методических рекомендациях они не рассматриваются. В разделе приводятся лишь те данные, которые имеют частое употребление на практике или слабо освещены в литературе.

Обработка и интерпретация материалов наземных наблюдений

3.2. Количественную интерпретацию следует выполнять по материалам продольного сейсмического профилирования.

В случае параллельности нагоняемого и нагоняющего годографов разрез следует отождествлять со слоисто-однородной средой, а зарегистрированные волны считать преломленными. В случае непараллельности указанных годографов (при отсутствии проницания) разрез следует отождествлять с градиентной средой, а волны относить к рефрагированным.

Интерпретация годографов преломленных волн

3.3. Граничные скорости определяются несколькими способами [5, 6, 7, 14, 17]. В инженерной сейсморазведке рекомендуется применять способ разностного годографа, основанного на использовании выражения

,                                                   (3)

где  и  -      времена по встречным годографам  и  в точке x профиля наблюдений;

T -  взаимное время.

Разностный годограф θ(x) обычно строят графически (рис. 3). В тех случаях, когда встречные годографы не увязаны во взаимных точках, построения ведут от любой условной линии, параллельной оси абсцисс (расстояний). Граничная скорость V_Г определяется по разностному годографу из выражения

,                                                           (4)

где φ - угол наклона преломляющей границы, рассчитываемый по формуле

.                                                  (5)

Рис. 3. Определение граничных скоростей и положения преломляющей границы по встречным годографам

Здесь  - средняя скорость в покрывающей толще до границы;

,  - кажущиеся скорости на границе из встречных ПВ.

Если на интервале определения V_Г наклон преломляющей границы не более 15°, то граничная скорость с погрешностью, не превышающей 10 %, может определяться по упрощенной формуле

.                                                           (6)

Способ тем точнее, чем больше перепад скоростей на границе раздела.

3.4. Если участок перекрытия у встречных годографов отсутствует, значение V_Г приближенно определяется для всего интервала между ПВ по формуле

.                                                     (7)

Если имеется лишь одиночный годограф, величина V_Г приближенно принимается равной V*.

3.5. Когда по каким-либо причинам получение записей поперечных волн связано со значительными трудностями и неудобствами или эти записи просто отсутствуют, скорость поперечных волн V_s верхней части раздела можно определять через скорости релеевских V_R и продольных V_p волн с помощью палетки Кнопова (рис. 4). При этом отпадает необходимость в дополнительных записях по системе YY, так как релеевские и продольные волны регистрируются вместе на одной сейсмоленте, полученной по системе ZZ.

3.6. Построение преломляющих границ в инженерной сейсморазведке осуществляют в большинстве случаев способами средних и пластовых скоростей, используя параметр t₀ [5, 6, 7, 14, 17]. Последний определяют по формуле

,                                                  (8)

Рис. 4. Номограмма Кнопова-Коптева для определения коэффициента Пуассона по скоростям волн.

Параметр кривых λ/2πr, где r - радиус выработки

Обычно это делают графически на участках перекрытия встречных годографов (см. рис. 3). Дополнительно приближенные значения t₀ находят в точках ПВ путем продолжения (пунктирные линии) годографов до пересечений их с осью времен. При этом встречные годографы одноименной волны должны быть обязательно увязаны по времени во взаимных точках. Если встречные годографы не имеют участка перекрытия или имеется только один годограф, то значение t_o находится приближенно (пунктирные линии) по отрезку, отсекаемому на оси времен при продолжении годографа (рис. 5). Глубина залегания преломляющей границы в способе средних скоростей или мощность пласта в способе средних скоростей или мощность пласта в способе пластовых скоростей могут быть найдены во всех точках профиля, где известны значения t₀.

Рис. 5. Интерпретация годографов трехслойного разреза при отсутствии участков их перекрытия

Определение глубины до преломляющих границ по единичным годографам можно выполнять также по абсциссе точек пересечения ветвей годографов без использования t₀.

3.7. При способе средних скоростей для определения глубины преломляющей границы нужно знать не только величины V_Г и t₀, но также и среднюю скорость  в толще, лежащей выше границы. Точную величину  может дать сейсмокаротаж или ВСП.

Для нахождения средней скорости  можно использовать разведочные скважины, расположенные на профиле наблюдений. Средняя скорость определяется по формуле

,                                                          (9)

где H_Г - глубина до преломляющей границы в месте расположения скважины.

Если возбуждение волн производится на некоторой глубине Н_дз (например, с помощью портативной установки динамического зондирования), то средняя скорость  до промежуточной глубины h_Г может быть определена из выражения

,                                                      (10)

где Δt - разность времен вступлений волны при возбуждении на поверхности и глубине h_Г.

Угол i рассчитывается из выражения

,                                                          (11)

где V₁ - скорость вблизи поверхности наблюдений (берется по годографу прямой волны при возбуждении на поверхности).

В случае резкой границы, когда горизонтальным сносом можно пренебречь (например, УГВ), средняя скорость может быть определена по более простой формуле

.                                                         (12)

При возбуждении колебаний на поверхности приближенная величина средней скорости для К-й границы  может быть получена по точкам пересечения (ТП) годографов преломленных волн из выражения (см. рис. 5)

,                                                              (13)

где x_тпк и t_тпк - координаты точки пересечения годографов, соответствующие границе К.

Представление о величине относительных ошибок определения средней скорости  по точке пересечения годографов для трехслойной горизонтальной среды в зависимости от отношения V₁/V₂ можно получить из рис. 6. Параметром кривых является отношение V₁/V₃. Случай, представленный на рис. 6, а, рассчитан для отношения мощностей  = 1, а случай, показанный на рис. 6, б - для  = 3.

Рис. 6. Графики определения ошибок при расчете средних скоростей по координатам точки пересечения для трехслойного разреза

Глубина залегания К-й границы определяется по формуле

 или ,                               (14)

где                                    ;                                          (15)

 - средняя скорость в покрывающей толще до границы К;

V_ГК - граничная скорость на границе К;

 и  - кажущиеся скорости волны от границы (ветвь годографа К + 1) из встречных ПВ.

В частности, для первой преломляющей границы формулы (14) и (15) принимают вид:

 или ;                                      (16)

.                                   (17)

3.8. Способ пластовых скоростей является более точным, хотя и более трудоемким, чем способ средних скоростей. Он заключается в последовательном определении мощности каждого отдельного слоя h_i (см. рис. 5). При этом для каждой К-й границы определяют значения t_ОК и V_ГК согласно методике, изложенной в пп. 3.3 и 3.4.

Мощность первого слоя h₁, равного глубине Н₁ до первой границы, определяют по формуле (16).

Мощность второго слоя h₂ находят из выражения

.                                             (18)

Глубина до второй границы H₂ = h₁ + h₂.

Мощность третьего слоя h₃ определяют по выражению

,                     (19)

где                                           i₁₂ = arcsin V₁/V₂ = arcsin V₁/V_Г1;

i₁₃ = arcsin V₁/V₃ = arcsin V₁/V_Г2;

i₂₃ = arcsin V₂/V₃ = arcsin V_Г1/V_Г2;

i₁₄ = arcsin V₁/V₄ = arcsin V₁/V_Г3;

i₂₄ = arcsin V₂/V₄ = arcsin V_Г1/V_Г3;

i₃₄ = arcsin V₃/V₄ = arcsin V_Г2/V_Г3.

Глубина до третьей границы H₃ = h₁ + h₂ + h₃.

Аналогичные формулы существуют и для следующих слоев. Однако они слишком громоздки и неудобны для практических расчетов. На практике при определении мощности третьего и последующих слоев применяют комбинированный способ, при котором многослойная среда заменяется трехслойной, состоящей из слоя, мощность которого необходимо определить, подстилающего пласта и вышележащей толщи, объединенной в один слой со средней скоростью . Положение кровли искомого пласта находят способом средних скоростей, а его мощность - способом пластовых скоростей.

3.9. Способ определения глубин по абсциссе точек пересечения рекомендуется применять при небольших перепадах скоростей на границе (0,5 < V_K/V_K+1 < 1) и малых наклонах границ.

Мощность покрывающего слоя h₁ (см. рис. 5)

,                                                      (20)

где x_ТП1 - абсцисса точки пересечения годографов.

Мощность второго слоя

,                                           (21)

где

.                                      (22)

Результаты интерпретации годографов преломленных волн, приведенных на рис. 3 и 5, даны в приложении.

Интерпретация годографов рефрагированных волн

3.10. Большинство известных способов интерпретации годографов рефрагированных волн применяется при залегании градиентного слоя на полупространстве и отсутствии скачка скоростей на границе сред (границе второго рода).

Интерпретация годографов рефрагированных волн сводится к отысканию закона изменения скорости волны в градиентном слое V = f(h) и мощности градиентной толщи H. Интерпретацию следует осуществлять для каждого единичного годографа в отдельности.

3.11. Существует довольно много способов интерпретации годографов рефрагированных волн [6, 7, 14, 17 и др.]. Учитывая относительную трудоемкость процесса интерпретации, при ручной обработке рекомендуется применять относительно простые приближенные методы. В инженерной сейсморазведке широко апробирован и хорошо зарекомендовал себя способ Кондратьева [17, 18], в основе которого лежит представление градиентной среды как предельного случая слоисто-однородной среды при стремлении мощности слоев последней к нулю.

Глубину проникновения луча для выбранной произвольной точки годографа определяют по формуле (рис. 7, а)

,                                                   (23)

где  - средняя скорость в точке i;

t_Oi - значение времени, отсекаемое на оси времен касательной к годографу в точке i = 1, 2, 3 ... т;

V*_i - кажущаяся скорость в выбранной i-й точке с координатами t_i, x_i/2, равная истинной на глубине максимального проникновения луча h_i.

Среднюю скорость  вычисляют по формуле

.                                               (24)

Для построения зависимости V = f(h) на годографе выбирают ряд точек и выполняют вычисления, описанные выше. Результаты всех вычислений V_i = V*_i и h_i заносят в таблицу, по которой строят график V = f(h) для данного участка наблюдений (см. рис. 7, б).

Рис. 7. Интерпретация годографа рефрагированных волн:
а - годограф волн с элементами построений; б - соответствующий ему график изменения скорости в зависимости от глубины (по способу Кондратьева)

Для сильноградиентной среды более точные результаты при вычислении  получаются по формуле, предложенной Павленковой и Смелянской [14, 19]:

.                                                  (25)

Интерпретация годографов рефрагированных волн для границы первого рода (скачка скоростей) более сложна и трудоемка, поэтому реже производится на практике [5, 7].

3.12. Для интерпретации годографов рефрагированных волн эффективно применение ЭВМ. Наиболее полной в этой области является программа "Грунт" для машины типа ЕС-1020 на языке ФОРТРАН-1У [20, 21].

3.13. Информация о величинах скоростей поперечных волн в градиентном разрезе может быть получена по волнам Релея и Лява [10, 20]. Точность и разрешающая способность данного метода существенно ниже, чем при использовании годографов поперечных волн, и находятся в прямой зависимости от числа фазовых годографов разных гармоник, полученных в узких диапазонах низкочастотной части спектра (5-50 Гц).

Для количественной интерпретации в качестве исходных данных следует брать усредненные значения фазовых скоростей и периодов одной или нескольких (обычно двух) низших гармоник волн Релея и Лява [10, 20]. Хорошие результаты получаются при значительном (более пяти) числе наблюдений двух низших гармоник указанных волн на сильно различающихся частотах. Максимальная глубина исследований при этом составляет 10-12 м.

Ввиду большого объема вычислений практическая реализация данного метода целесообразна с применением ЭВМ, для чего разработан ряд программ, в том числе программа "Грунт".

Обработка и интерпретация материалов наблюдений во внутренних точках среды

3.14. Интерпретация материалов вертикального сейсмического профилирования сводится к определению скоростей продольных и поперечных волн в разрезе по глубине и разделению толщи на слои.

Полную информацию о распределении скоростей в разрезе следует получать из интерпретации продольных и непродольных вертикальных годографов. Последние в большей степени рекомендуются для поперечных волн, так как непродольные системы обеспечивают лучшее разрешение во времени поперечной волны от продольной.

Наиболее простой является интерпретация продольных годографов, поэтому в большинстве случаев непродольные годографы рекомендуется приводить к продольным (к вертикали).

3.15. Приведение непродольных годографов к вертикали осуществляют обычно на основе модели однородной среды по формуле

,                                                      (26)

где h - глубина наблюдения;

S - расстояние от ПВ до устья скважины.

Приведение выполняют лишь для тех частей годографов, для которых выполняются условия h/S ≥ 0,3÷0,5 и S < 10, тем самым времена на приведенном годографе определяются с погрешностью, не превышающей 10 %.

3.16. Интерпретацию вертикальных продольных (или приведенных) годографов рекомендуется осуществлять двумя способами.

Согласно первому годограф осредняет ломаной линией, предполагая, что разрез сложен однородными слоями. Пластовые скорости для каждого выделенного слоя определяют по угловым коэффициентам соответствующего отрезка ломаной линии.

Второй способ заключается в аппроксимации по частям вертикального экспериментального годографа элементом теоретического годографа рефрагированных волн вида [11]

t(h) = ah + bh².                                                            (27)

Для этого весь годограф разбивается на элементы с числом точек в каждом из них 3-7 (в среднем 5). Для каждого элемента рассчитывают коэффициенты a и b по следующим формулам:

;                                         (28)

.                                          (29)

Скорость на данном интервале глубины (на элементе) вычисляют по формуле

.                                                         (30)

Данный способ позволяет восстанавливать скоростной разрез при любом законе изменения скорости от глубины.

Имеется алгоритм и составлена программа "Обработка вертикального годографа с приведением" (ОВГП-1) для ЭВМ "Наири-2" [11, 12].

3.17. Интерпретация непродольных вертикальных годографов без приведения их к продольным более сложна и трудоемка, а получаемые результаты ненадежны [11, 12]. Поэтому этот способ обработки рекомендуется применять только в тех случаях, когда по каким-либо причинам непродольные годографы сложно привести к продольным.

Расчеты по непродольным годографам рекомендуется выполнять только с применением ЭВМ, для чего имеются соответствующие программы [20].

3.18. При наличии нескольких вертикальных непродольных годографов со значительными удалениями ПВ от устья скважины (S > h) рекомендуется построение поля изохрон в плоскости S-h [5, 21]. Такое представление результатов более рельефно подчеркивает скоростные особенности разреза. При этом более уверенно выделяются зоны с повышенными скоростями, чем с пониженными.

Пример построения поля изохрон по непродольным вертикальным годографам представлен на рис. 8.

Рис. 8. Представление материалов вертикального профилирования через поле изохрон:

а - вертикальные годографы первых вступлений; б - поле изохрон, построенное по годографам на графике “а” для воображаемого источника у устья скважины

3.19. Точность определения скоростей по годографам продольного и непродольного вертикального профилирования зависит от качества экспериментальных годографов. Для того, чтобы погрешность в скоростях не превышала 10 %, значения времен на годографах должны быть определены с точностью 0,0005-1,001 с.

Приближенная количественная оценка относительной погрешности определения скорости  в зависимости от систематической ошибки во времени Δt_φ/t, связанной с неточной поправкой за фазу, выполняется из следующих отношений [20]:

а) при занижении Δt_φ (времена годографа завышены) систематическая ошибка в скорости ;

б) при завышении Δt_φ (времена годографа занижены) систематическая ошибка в скорости гораздо больше:

;

в) наибольшая ошибка в скорости  имеет место для глубин .

Завышение времени на годографе приводит к систематическому занижению величин скоростей и наоборот.

Аналогичная ошибка в скорости в зависимости от погрешности при определении расстояния ПВ от устья скважины может быть оценена из соотношения [20].

Обработка и интерпретация материалов ультразвуковых наблюдений

3.20. Интерпретация данных ультразвуковых наблюдений (для прямых волн) выполняется по обычной системе и не вызывает затруднений [14, 22]. Скорость поперечных волн рекомендуется определять по скоростям продольных и поперечных волн с помощью палетки Кнопова (см. рис. 4).

3.21. Предельную относительную ошибку в определении скорости при профилировании можно оценить из соотношения

,                                        (31)

где V -    скорость, рассчитанная по наклону годографа;

Δx -  расстояние между соседними положениями датчика на профиле (соседними точками на годографе);

к_Г -     число точек на годографе;

Δt_V -  предельная абсолютная ошибка определения времени по отношению к аппроксимирующей годограф прямой линии.

При просвечивании аналогичная ошибка в определении скорости находится из выражения

,                                                    (32)

где l - база просвечивания;

Δl и Δt_V - абсолютные ошибки в определении соответственно базы просвечивания и времени пробега волны.

Геологическая интерпретация сейсмоакустических данных

3.22. Отождествление сейсмических границ с геологическими и гидрогеологическими по сейсмическим данным следует производить: по форме записи волны на сейсмограмме, по форме годографов, по упругим и поглощающим характеристикам среды.

Для нескальных грунтов нужно учитывать при геологическом отождествлении границ степень водонасыщенности пород или их положение (выше или ниже) по отношению к уровню грунтовых вод.

3.23. Литологические границы выше уровня грунтовых вод следует выделять на основе регистрации как продольных, так и поперечных волн либо их совместного использования. Качественную классификацию грунта можно сделать по величине отношения V_s/V_p согласно табл. 4.

Таблица 4

3.24. Литологические границы ниже уровня грунтовых вод наиболее успешно отражаются на записях поперечных волн, и их скорости изменяются в более широком диапазоне, чем продольных (см. табл. 1).

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, СОСТОЯНИЯ И СОСТАВА НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

Выбор расчетных уравнений

4.1. Основными показателями свойств, состояния и состава нескальных грунтов, для оценки которых может использоваться сейсмоакустика, являются: модуль общей деформации E_деф, удельное сцепление С, угол внутреннего трения φ, плотность γ₀ (плотность скелета грунта γ_ск), пористость n (коэффициент пористости е); влажность w, степень влажности g, показатель консистенции J_L, число пластичности W_n и пределы пластичности W_Г и W_p, гранулометрический состав - содержание глинистых (менее 0,005 мм) Г_гл, пылеватых (0,05-0,005 мм) Г_пл и песчаных (более 0,05 мм) Г_пс частиц.

Упругие деформации и сдвиг при динамических нагрузках характеризуются соответственно динамическими модулями деформации Е_g (модулем Юнга) и сдвига μ_g, коэффициентом Пуассона ν_g.

4.2. Корреляционные уравнения связи, приводимые в настоящем разделе, справедливы при следующих размерностях входящих в них параметров:

V_p и V_s                                                           м/с

φ                                                                    град/см

E_деф, Е_g, C, μ_g                                                МПа

γ₀ и γ_ск                                                           г/см³

W и Г (грансостав)                                      % весовые

W_n, W_Г и W_p                                                  % влажности

Остальные параметры                                Безразмерные

Указанные размерности необязательны (и в общем случае несправедливы) для точных физических соотношений теоретического характера. Для этих соотношений размерность параметров зависит от выбранной физической системы единиц [23].

4.3. Для определения каждого параметра в большинстве случаев существует несколько способов расчета и расчетных уравнений. Выбор конкретного способа (или способов) и уравнения (или уравнений) зависит от необходимой точности и надежности определений, простоты и быстроты расчетов, наличия исходных сейсмических и других данных о грунте и условий его залегания в разрезе. Правомочность выбранного способа расчета должна подтверждаться экспериментально.

4.4. По точности результатов, быстроте и простоте расчетов предпочтение следует отдавать простейшим корреляционным уравнениям (с числом исходных параметров, не превышающих двух), имеющим наибольшее применение на практике. Среди них в свою очередь рекомендуются те частные зависимости, которые по типу пород, условиям их залегания и региону применения наиболее близки к каждому конкретному случаю.

Меньшее предпочтение следует отдавать корреляционным зависимостям, более региональным и универсальным по типу пород. При этом обязательным является разделение грунтов на несвязные (слабосвязные) и связные. Для первых из них региональный фактор не так важен по сравнению с типом грунта, для вторых он играет заметную роль.

Наиболее общие и универсальные корреляционные зависимости (для связных и несвязных грунтов всех районов СССР) не имеют пока необходимого экспериментального обоснования и вызывают определенные сомнения. Поэтому они могут быть использованы (особенно для связных грунтов) лишь для приближенной оценки соответствующих параметров и должны дублироваться другими способами расчета, учитывающими большее число факторов и физическую причинность связей.

При выборе конкретного уравнения (уравнений) связи рекомендуется пользоваться графическим представлением зависимости на одном планшете. Такие графики приведены в разделе по большинству анализируемых параметров.

4.5. В тех случаях, когда имеющиеся простейшие корреляционные зависимости не обеспечивают необходимой надежности определений (см. п. 4.4), расчеты следует производить:

а) по более сложным многомерным (более двух) корреляционным уравнениям, включающим простейшие физические свойства, влияние которых на искомый параметр и сейсмические характеристики наиболее велико;

б) по теоретико-экспериментальным зависимостям, полученным на основе теоретических моделей грунта.

Необходимые дополнительные данные для первого случая (см. подпункт а) следует получать из прямых инженерно-геологических определений, а при их отсутствии - на основе сейсмических характеристик по системе замкнутых (число неизвестных равно числу уравнений) корреляционных многомерных уравнений в результате итерационного процесса.

Во втором случае (см. подпункт б) число исходных параметров увеличивают за счет использования помимо скоростей волн также их декрементов поглощения (способ ЦНИИС) или путем контроля ряда параметров при расчете, причем технологически наиболее удобны модель и способ В. И. Бондарева.

Указанные способы расчета носят более региональный и универсальный характер в силу более полного учета факторов, влияющих на искомый параметр, и большей физической обоснованности данного подхода. При этом, однако, увеличивается влияние на конечный результат погрешностей в исходных параметрах по сравнению с использованием простейших уравнений.

4.6. При установлении новых зависимостей или проверке существующих соотношений необходимо, чтобы все сопоставляемые параметры были получены в одинаковых инженерно-геологических условиях с соблюдением масштабного эффекта. Последнее относится к неоднородным грунтам. Однородные грунты свободны от действия этого эффекта.

Определение механических свойств грунтов

4.7. Динамические модули деформации Е_g и сдвига μ_g используют для решения специальных задач (расчета фундаментов при динамических нагрузках и др.) и вычисления статических характеристик грунта. Динамические модули вычисляют по известным функциональным зависимостям линейной теории упругости:

;                               (33)

;                                                        (34)

;                                                             (35)

где γ₀ - плотность грунта.

Таблица 5

4.8. Модуль общей деформации Е_деф может быть найден с помощью:

простейших корреляционных уравнений связи (табл. 5);

многомерного корреляционного уравнения для четвертичных суглинков различных районов СССР;

теоретико-экспериментальных зависимостей для глинистых грунтов различных районов СССР;

теоретико-экспериментальных зависимостей для любых песчано-глинистых грунтов отдельных регионов СССР.

4.9. Выбор конкретных уравнений связи, содержащихся в табл. 5, выполняют согласно п. 4.4. Наиболее обоснованными и проверенными на практике являются линейные зависимости модуля общей деформации Е_деф от динамического модуля упругости Е_g. Все зависимости такого рода сведены вместе на рис. 9. Менее тесная связь Е_деф имеет место со скоростью только продольных или поперечных волн.

4.10. Многомерное корреляционное уравнение (данные ЦНИИС) позволяет определять модуль общей деформации (для нагрузок 0,3-0,4 МПа) на основе скоростей продольных V_p и поперечных волн V_s, а также плотности скелета γ_ск и предела текучести W_Т:

Е_деф = 0,0060 V_p + 0,0732 V_s + 15,94 γ_ск + 2,274(W_Т - 27,8) (γ_ск - 1,56) - 29,22.         (36)

Уравнение характеризуется коэффициентом множественной корреляции R = 0,83. Область применения уравнения лежит в пределах 7 ≤ Е_деф ≤ 30 МПа. При неизвестных значениях γ_ск и W_Т их определяют согласно п. 4.15.

4.11. Теоретико-экспериментальные зависимости (данные ЦНИИС) получены на основе стандартной реологической модели сплошной среды и откорректированы на экспериментальном материале [16]. При определении модуля общей деформации Е_деф нужно знать величины скоростей V_p и V_s, а также декрементов поглощения ν_p и ν_s продольных и поперечных волн. Расчет производят в следующем порядке.

Рис. 9. Графики зависимости модуля общей деформации Е_деф от динамического модуля упругости Е_g (номера графиков и характеристики пород см. в табл. 5)

Определяют реологический параметр

.                     (37)

Рассчитывают теоретический модуль длительной деформации стандартной линейной модели

.                                     (38)

При к_р > 3 рекомендуется пользоваться (с погрешностью менее 10 %) более простым соотношением:

.                                                 (39)

Переход от теоретического к реальному компрессионному модулю общей линейной деформации Е^к_деф.л, МПа, т.е. корректировку теоретической зависимости (38), выполняют по корреляционному соотношению

Е^к_деф.л = 4,5 + 0,308 Е^Т.                                                    (40)

Уравнение характеризуется коэффициентом парной корреляции r = 0,85.

Исходя из общей обоснованности данного подхода и имеющихся экспериментальных данных, расчет Е^к_деф.л по формулам (38)-(40) можно производить для любых глинистых грунтов в диапазоне 5 ≤ Е^к_деф.л ≤ 30 МПа.

Модуль общей деформации Е^к_деф для требуемой нагрузки σ в области нелинейной зависимости деформации от напряжения определяют по формуле

,                                                        (41)

где f(σ) - функция напряжения (например, thσ или arcshσ), подбираемая из опыта [24, 25].

Переход от компрессионного модуля общей деформации Е^к_деф и модулю общей деформации Е_деф осуществляют по формуле

.                                                      (42)

При отсутствии декремента поглощения поперечных волн ν_sЕ_деф рассчитывают в следующем порядке.

Через динамический эффективный модуль Е^эф_g = V²_pγ₀ по корреляционной зависимости определяют H_g, МПа:

H_g = 1,59 Е^эф_g - 90,                                                     (43)

характеризующейся коэффициентом корреляции r = 0,92. Далее по функциональному уравнению находят параметр к_p

.                       (44)

Теоретический модуль длительной деформации Е^Т определяют по формуле

.                                                  (45)

или по формулам (38) и (39).

Дальнейшие расчеты Е^к_деф и Е_деф выполняют по формулам (40)-(42) аналогично предыдущей схеме.

4.12. Способ расчета с помощью теоретико-экспериментальных зависимостей для любых песчано-глинистых грунтов отдельных регионов СССР заключается в том, что, задаваясь группой физических характеристик грунта, главными из которых являются пористость n, степень влажности g, коэффициент Пуассона ν и глубина залегания h, можно определить соответствующие им скорость V_p и динамический модуль E_g (задаваясь ν) по модели дискретной зернистой среды, предложенной В. И. Бондаревым [20], а модуль общей деформации E_деф - по СНиП-II-15-74 (ч. II, гл. 15) [26] или аналогичным им региональным нормам.

Задаваясь численными значениями этих исходных характеристик в диапазоне их возможного изменения, характерного для интересующего нас типа грунта и условий его залегания, можно рассчитать серию значений E_деф и V_p (или E_g), ограничивающих область взаимосоответствия между анализируемыми характеристиками, и найти (или проверить) соответствующие уравнения взаимосвязи между ними.

Для расчета V_p требуются следующие простейшие физические параметры:

γ₀, γ_0Г, γ_газ, γ_ж - плотность зерен кварца, глинистых частиц, газа и жидкости соответственно;

V₀, V_0Г, V_газ, V_ж -     скорости продольных волн в зернах кварца, глинистой оболочке, газе и жидкости соответственно;

ν₀, ν_Г -   коэффициент Пуассона зерен кварца и глинистой оболочки;

к -    относительная доля глинистых частиц в скелете грунта (в ядрах);

n, g -   пористость и степень влажности грунта соответственно;

h -    глубина залегания грунта.

Все параметры кварцевых зерен, газа и жидкости являются постоянными величинами и имеют свои численные значения. Практически постоянным является также плотность глинистых частиц γ_0Г.

Ввиду малого изменения ν_Г ему при расчетах присваивается какое-то усредненное численное значение. Величину V_Г, м/с, конкретных типов грунтов, что определяется численной величиной параметра К, рекомендуется рассчитывать по следующим эмпирическим зависимостям [20]:

для песков (К = 0,020)

;                                             (46)

для супесей (К = 0,065)

;                                             (47)

для суглинков (К = 0,200)

.                                                (48)

Численные значения n, g и h задаются в качестве исходных данных.

Примечание. Для точной оценки внутренних сил сцепления (давления связности P_c) требуется знание также величин сцепления С и угла внутреннего трения φ грунта. Однако их зависимость от пористости позволяет дать для конкретных типов грунтов эмпирические формулы, обеспечивающие практические расчеты без С и φ.

Скорость продольных волн в среде согласно данной теории определяется по формуле

,                                                      (49)

где V_об и V_к - объемная и контактная составляющие скорости соответственно.

Для выражения V_об и V_к вводятся вспомогательные величины:

плотность глинистой оболочки

γ_Г = γ_0Г (1 - n) + gnγ_ж;                                               (50)

относительная доля глинистых частиц в грунте

;                                              (51)

относительная доля кварцевых зерен в ядре (шаре)

n₀ = 1 - n - n_0Г;                                                      (52)

эффективная плотность ядра

;                                           (53)

эффективная плотность грунта

γ_э = γ₀n₀ + γ_0Гn_0Г + gnγ_ж;                                              (54)

эффективный коэффициент Пуассона ядра

;                                          (55)

эффективная пористость среды

.                                                     (56)

Тогда объемную составляющую V_об скорости V_p можно выразить соотношением

,                                        (57)

где V_за и V_аэ - эффективные скорости в поровом заполнителе и ядре соответственно.

;                                     (58)

.                                          (59)

Соответственно контактная составляющая V_K скорости V_p в формуле (49) выражается соотношением

,                       (60)

где                                                  ;                                                       (61)

h_э = h + h_c - эффективная глубина.                                     (62)

Глубина связности h_c, см, рассчитывается с помощью эмпирических формул, составленных на основе анализа данных СНиП-II-15-74:

для песков

;                                                  (63)

для супесей

;                                            (64)

для суглинков

;                                                     (65)

Примечание. Более точные расчеты h_c для любых грунтов выполняют по формуле

;                                                                           (66)

Для практических расчетов V_p на основе данной модели рекомендуются следующие численные значения параметров: γ₀ = 2650 кг/м³; γ_0Г = 2750 кг/м³; γ_газ = 1,27 кг/м³; γ_ж = 1000 кг/м³; V^p₀ = 6000 м/с; V^s₀ = 4100 м/с; V_газ = 340 м/с; V_ж = 1450 м/с; ν₀ = 0,1; ν_Г = 0,4. Среднее содержание глинистых частиц: для песков К = 0,020, для супесей К = 0,065 и для суглинков К = 0,200.

Примечание. Существуют и другие, в том числе более совершенные, модели, которые в принципе могут быть использованы для расчета сейсмических характеристик по первичным физическим свойствам [27, 28]. Однако они трудно реализуемы для практических целей, так как включают параметры, численные значения которых установить экспериментально довольно сложно.

4.13. Сдвиговые характеристики (постоянную сцепления С и угол внутреннего трения φ) следует вычислять по простейшим корреляционным зависимостям, приведенным в табл. 6 (см. п. 4.4).

Для постоянной сцепления C наиболее тесная связь, обоснованная теоретически и подтвержденная экспериментально, наблюдается с динамическим модулем сдвига μ_g и со скоростью поперечных волн V_s. Связь C со скоростью продольных волн V_p менее тесная и физически менее обоснованная.

Для традиционно трудного параметра φ наиболее тесная связь установлена с декрементом поглощения поперечных волн ν_s.

Соотношение различных уравнений связи, приводимых в табл. 6, и общий характер взаимосвязей С и φ с динамическим модулем сдвига хорошо видны из рис. 10 и 11.

Примечание. Численные значения характеристик С и φ сильно зависят от схемы и вида сдвиговых испытаний [29, 30]. Однако для большинства корреляционных зависимостей, кроме зависимостей ЦНИИС, этот фактор не нашел отражения и, вероятно, не учтен при анализе. Последнее является, возможно, причиной неодинаковых результатов у различных авторов при анализе взаимосвязей для сдвиговых характеристик (в основном φ).

Определение физических свойств, состояния и состава грунтов

4.14. Общую пористость n и коэффициент пористости e рекомендуется определять двумя способами: с помощью простейших корреляционных зависимостей и по способу В. И. Бондарева.