Реферат: Рекомендации по определению физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов геофизическими методами Москва Стройиздат 1989

Производственный и научно-исследовательский институт
по инженерным изысканиям в строительстве

(ПНИИИС) Госстроя СССР

Рекомендации
по определению физико-механических свойств
мерзлых дисперсных грунтов
геофизическими методами

Москва Стройиздат 1989

Разработан комплекс методов, включающий электроразведку на постоянном токе и сейсмоакустические методы в модификации наземных и скважинных измерений, радиоизотопный каротаж и термометрию. Рассмотрены физические основы применения отдельных методов комплекса, вопросы методики и техники выполнения наблюдений, геофизической и геологической интерпретации полученных данных, способы расчета физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов по данным отдельных методов и их комплексу. Приведены примеры выполнения расчетов и форма представления получаемых результатов.

Для геофизиков и инженеров-геологов проектно-изыскательских организаций, выполняющих работы на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов.

Разработаны ПНИИИС Госстроя СССР (кандидаты техн. наук Ю.Д. Зыков, Н.Ю. Рождественский, инж. О.П. Червинская, канд. геол.-минер. наук А.Н. Боголюбов) и НИИОСП Госстроя СССР (кандидаты техн. наук А.А. Морозов, Н.В. Лавров, инж. М.И. Сторожев).

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения. Error: Reference source not found

1. Общие положения. Error: Reference source not found

2. Электроразведка на постоянном и низкочастотном переменном токе. Error: Reference source not found

3. Сейсмоакустические методы.. Error: Reference source not found

4. Радиоизотопные методы.. Error: Reference source not found

5. Термометрия. Error: Reference source not found

6. Комплекс геофизических методов для определения физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов. Error: Reference source not found

Приложение 1. Рекомендуемая аппаратура. Error: Reference source not found

Приложение 2. Определение поправки за диаметр скважины и глубины точки замера при определении ρt методом электрокаротажа. Error: Reference source not found

Приложение 3. Номограммы для определения льдистости лв методами электроразведки и теоретические основы их расчета. Error: Reference source not found

Приложение 4. Пример определения льдистости по данным электроразведки. Error: Reference source not found

Приложение 5. Обобщенные зависимости скорости продольных волн от температуры при фиксированных значениях весовой влажности грунтов различного состава. Error: Reference source not found

Приложение 6. Модель изменения параметров мерзлого грунта при изменении его влажности. Error: Reference source not found

Приложение 7. Калибровка прибора и преобразователей при акустическом просвечивании. Error: Reference source not found

Приложение 8. Форма записи результатов скважинных измерений. Error: Reference source not found

Приложение 9. Сводные диаграммы зависимостей vp от параметров состава и температуры для мерзлых грунтов. Error: Reference source not found

Приложение 10. Номограммы для определения механических свойств мерзлых грунтов по сейсмоакустическим данным.. Error: Reference source not found

Приложение 11. Номограммы для определения компонентов льдистости по данным акустических измерений. Error: Reference source not found

Приложение 12. Пример определения физико-механических свойств и элементов криогенного строения по данным акустических измерений. Error: Reference source not found

Приложение 13. Графики для определения плотности и влажности по данным радиоизотопного каротажа. Error: Reference source not found

Приложение 14. Экспериментально-аналитический способ градуировки радиоизотопных приборов для определения плотности и объемной влажности грунтов. Error: Reference source not found

Приложение 15. Форма записи результатов измерений. Error: Reference source not found

Приложение 16. Пример определения физико-механических свойств мерзлого грунта по данным радиоизотопного каротажа. Error: Reference source not found

Литература. Error: Reference source not found

^ Условные обозначения

Используемые параметры

Скорости счета импульсов:

Ngе - естественного гамма-излучения;

Ng - ослабленного гамма-излучения;

NW - замедленного нейтронного излучения.

Скорости распространения упругих волн:

vP˝ - продольной в горизонтальном направлении;

vP┴- продольной в вертикальном направлении;

vR┴ - релеевской в вертикальном направлении;

vS┴ - поперечной в горизонтальном направлении.

Удельное электрическое сопротивление:

ρm - среднеквадратическое;

ρt - продольное;

d - диаметр скважины;

θ- температура;

D - плотность твердых частиц (оценивается по литологическому составу).

^ Определяемые характеристики

л.с. - литологический состав;

Wо - объемная влажность;

Wс - суммарная влажность;

Л - льдистость и ее параметры;

g - плотность грунта;

gск - плотность скелета грунта;

п - пористость;

Ед - динамические модули упругости;

Ес - статический модуль упругости;

Едеф - модуль деформации;

sсж - временное сопротивление одноосному сжатию.

Коэффициенты анизотропии:

χ - скорости распространения продольных волн;

λ - удельного электрического сопротивления.

^ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Возможности использования геофизических методов для оценки физико-механических свойств мерзлых грунтов базируется на существовании связей между ними с одной стороны и свойствами, определяемыми в процессе геофизических работ - с другой. В основе этих связей могут лежать либо функциональные зависимости, обусловленные единством физических полей, либо зависимости тех и других от одних и тех же параметров состава, строения и состояния пород.

1.2. Под параметрами состава понимается количество и общая характеристика твердых, жидких и газообразных компонентов грунта в занимаемом объеме; под параметрами строения грунта понимается форма, размеры и взаимное расположение этих компонентов; под параметрами состояния понимаются характеристики естественных или искусственных полей, в которых существует изучаемый объем грунта. В соответствии с такими представлениями свойства грунтов - это реакция на изменение их состояния.

1.3. Наряду со строением грунта следует различать строение массива, которое характеризует форму, размеры и местоположение достаточно крупных неоднородностей, состоящих из однородных или квазиоднородных грунтов.

1.4. Определяемые в процессе инженерно-геологического опробования параметры состава, строения, состояния и физико-механические свойства грунта относятся к объемам, измеряемым кубическими дециметрами, реже метрами, характеризующими, как правило, отдельные точки массива.

При геофизических исследованиях использование различных по размерам измерительных установок и длин волн позволяет определять параметры, относящиеся к различным объемам и таким образом переходить от характеристик массива в точках к крупным его элементам. На решение этой же задачи направлено комплексирование видов наблюдений: наземных, скважинных и наземно-скважинных.

1.5. В процессе геофизических наблюдений измеряются параметры соответствующих геофизических полей, структура и интенсивность которых в общем случае зависит не только от физических свойств грунтов, но и от строения массива. Поэтому параметры геофизических полей не тождественны физическим свойствам грунтов и могут совпадать лишь в случае однородных изотропных сред.

С помощью специальных приемов интерпретации осуществляется переход от параметров геофизических полей к параметрам строения массива и физическим свойствам грунтов в пределах выделенных неоднородностей.

1.6. Найденные таким образом физические свойства грунтов могут быть использованы для вычисления параметров состава, строения, состояния и физико-механических свойств с помощью установленных между ними связей. Этот этап обычно называется геологической интерпретацией геофизических данных.

1.7. На практике широко применяются экспериментальные способы установления связей, при которых используются результаты натурных наблюдений и данные, полученные на образцах естественного сложения или приготовленных искусственным путем (физическое моделирование).

Наиболее распространено установление парных зависимостей, которые могут иметь функциональный (причинно-следственный) или стохастический (корреляционный) характер. Независимо от жесткости этих связей, при практическом их применении требуется специальная проверка и корректировка для каждого конкретного случая.

Более универсальный характер носят многопараметровые зависимости, полученные с учетом изменения всех основных параметров состава, строения и состояния.

1.8. При установлении связей и особенно при их практическом применении необходимо учитывать масштабность исследований. Она связана непосредственно с соотношением базы наблюдений и длины волн с одной стороны, и размерами изучаемых объемов, с другой.

1.9. Разрешающая способность геофизических методов такова, что в большинстве случаев надежно выделяются неоднородности, линейные размеры которых соизмеримы или превышают базы и длины волн. Если размеры неоднородностей существенно меньше, то среда по геофизическим данным фиксируется как однородная (квазиоднородная). Таким образом одна и та же среда в зависимости от масштаба исследований может выступать как в качестве неоднородной, так и квазиоднородной.

1.10. Признаком неоднородности среды является закономерное изменение параметров измеряемого поля как при увеличении или уменьшении баз и длин волн, так и при перемещении измерительных установок с постоянными базами и длинами волн.

Признаком квазиоднородности среды будет служить постоянство параметров поля при достаточно больших базах и длинах волн и закономерные изменения параметров при их уменьшении.

К параметрам полей, получаемым при малых базах и длинах волн, следует подходить так же, как и в случае неоднородных сред.

Признаком однородной среды является постоянство параметров полей независимо от размеров баз и длин волн.

1.11. Многопараметровый характер связей между физическими свойствами и параметрами состава, строения и состояния грунтов в большом числе случаев делает геологическую интерпретацию данных одного геофизического метода неоднозначной.

Для исключения или уменьшения пределов неоднозначности используется комплекс нескольких геофизических методов, основанных на изучении различных физических полей. Кроме возможностей повышения точности определения параметров грунтов и взаимоконтроля и корректировки результатов, получаемых каждым методом в отдельности, применение комплекса геофизических методов позволяет определять ряд параметров, которые ни одним из методов в отдельности определены быть не могут.

1.12. Основные требования, предъявляемые к геофизическим методам, используемым для определения физико-механических свойств мерзлых грунтов, заключаются в следующем:

связи, используемые для геологической интерпретации данных метода, должны быть теоретически обоснованы и хорошо изучены;

метод должен позволять определять свойства с достаточной степенью точности;

метод по возможности должен решать структурные задачи;

предпочтительно использовать методы, позволяющие проводить разномасштабные исследования (от образца до массива).



Рис. 1. Схема использования геофизических параметров для определения физико-механических характеристик мерзлых грунтов

^ 1 - сейсмоакустические; 2 - радиоизотопные; 3 - электрические

В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечает комплекс методов, включающий электроразведку на постоянном и низкочастотном переменном токе, сейсмоакустические и радиоизотопные методы, термометрию.

1.13. Общая схема использования параметров, определяемых с помощью перечисленных методов, Для оценки физико-механических свойств мерзлых грунтов приведена на рис. 1.

Основным объектом комплексных геофизических исследований, выполняемых в соответствии со схемой, являются сухие необсаженные скважины.

1.14. Данные, полученные по разрезу скважины, распространяются на околоскважинное пространство с помощью наземных и наземно-скважинных методов.

^ 2. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА НА ПОСТОЯННОМ И НИЗКОЧАСТОТНОМ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

2.1. Для определения инженерно-геологических характеристик мерзлых пород наиболее широко применяется электроразведка на постоянном и низкочастотном переменном токе. К числу ее преимуществ перед другими электроразведочными методами относятся:

применимость в районах распространения любых пород;

возможность определения пространственного положения геоэлектрических границ и электрических свойств пород в массиве;

наличие серийной электроразведочной аппаратуры, хорошо разработанной методики проведения полевых работ и приемов интерпретации результатов наблюдений;

сравнительно высокая производительность и мобильность, допускающая ее применение в труднодоступных районах.

2.2. Основным электрическим параметром, несущим информацию о составе, строении и состоянии мерзлых грунтов и льда, является удельное электрическое сопротивление (УЭС).

2.3. Электропроводность мерзлых горных пород имеет ионную природу и зависит от факторов, определяющих количество и характер распределения незамерзшей воды, т.е. от литологии, минерализации, пористости, льдистости, криогенной текстуры, температуры.

2.4. Связи, устанавливаемые между указанными параметрами с одной стороны и УЭС пород с другой, являются основой для геокриологической интерпретации данных электроразведки.

2.5. Измеряемыми параметрами в электроразведке являются разность потенциалов DV на приемных электродах и ток I в питающей цепи. По ним рассчитывается параметр , зависящей как от УЭС горной породы, так и от граничных условий (т.е. геометрии измерительной установки, учитываемой коэффициентом К, и конфигурации границ среды). Информация об УЭС по известному параметру ρк извлекается в результате различных приемов интерпретации в соответствии с используемым электроразведочным методом.

2.6. Точность определения параметра ρк подсчитывается по формуле

δ ρк = δ DV + δ I,

где δ DV и δ I - паспортные данные измерителей разности потенциалов и тока (обычно δ ρк = 3-5 %).

Точность определения УЭС зависит, в первую очередь, от точности способа интерпретации и от типа исследуемого разреза. Для некоторых типов разреза она может быть оценена аналитически [2]. В общем случае точность определения УЭС оценивается статистической обработкой результатов проверки по данным бурения, в среднем ошибка составляет 10 %.

2.7. Основным требованием к измерительной аппаратуре является высокое входное сопротивление (Rвх ³ 1,5 МОм) [3] и возможность измерения разности потенциалов от первых единиц до тысячи милливольт. Обычно измерительными приборами на постоянном токе служат электроразведочные компенсаторы ЭСК-1 или АЭ-72 (прил. 1).

2.8. По способу измерений и характеру решаемых задач методы постоянного и низкочастотного переменного тока подразделяются на профилирование, вертикальное электрическое зондирование и каротаж скважин.

2.9. Электропрофилирование (ЭП) применяется для изучения строения массивов талых и мерзлых грунтов в горизонтальном направлении. С помощью ЭП решаются следующие задачи:

выделение участков распространения мерзлых грунтов в плане;

поиск и определение элементов залегания жильных льдов;

изучение изменений состава, влажности (льдистости), криогенной текстуры и температуры мерзлых грунтов в горизонтальном направлении.

2.10. В зависимости от характера изучаемого поля и измеряемых параметров могут быть выделены следующие виды профилирования:

профилирование на постоянном токе и низкочастотном переменном токе методом сопротивления (ЭП КС);

профилирование на постоянном токе методом двух составляющих (ЭП МДС).

2.11. Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) в зависимости от характера изучаемого поля и измеряемых параметров разделяется на ВЭЗ на постоянном и низкочастотном переменном токе методом сопротивления (ВЭЗ КС) и по методу двух составляющих (ВЭЗ МДС).

2.12. С помощью ВЭЗ решаются следующие задачи:

выделение в разрезе слоев различного литологического состава и определение их элементов залегания;

определение мощности мерзлых грунтов, обнаружение чередования талых и мерзлых грунтов в вертикальном направлении и оценка их мощности;

изучение изменения состава, влажности (льдистости), криогенной текстуры и температуры мерзлых грунтов в вертикальном направлении.

2.13. В случае горизонтально-слоистого геоэлектрического строения массива применяются ВЭЗ КС. При необходимости изучения наклонных и крутопадающих геоэлектрических границ применяются круговые ВЭЗ КС и ВЭЗ МДС.

2.14. Электрический каротаж скважин выполняется по методу КС двумя типами зондов: градиент- и потенциал-зондами.

2.15. С помощью электрического каротажа скважин могут быть решены следующие задачи:

уточнение границ в массиве между грунтами различного состава;

выделение слоев грунтов с различной криогенной текстурой;

обнаружение мощных прослоев льда или интервалов с повышенной льдистостью;

определение общей льдистости грунтов за счет ледяных включений.

Сведения, получаемые в результате обработки каротажных диаграмм, необходимы также для повышения точности интерпретации данных ВЭЗ.

2.16. Специфика электрического каротажа мерзлых пород заключается в том, что все измерения могут быть проведены только в сухих необсаженных скважинах. Электрокаротаж осуществляется зондами со щеточными электродами, смонтированными на штанге из изолятора. Оптимальными размерами зондов являются: для градиент-зонда А1М0,1N, для потенциал-зонда A1M (размеры, м); шаг измерений по глубине для соблюдения непрерывности составляет 10 см. Электрод В для градиент-установки и электроды В и N для потенциал-установки относятся на расстояние, в 10 раз превышающее глубину каротируемой скважины (на «бесконечность»), при этом В и N разносятся в противоположных направлениях.

2.17. Результаты электроразведочных работ представляются по общепринятой форме:

ЭП - в виде графиков изменения ρк по профилю и карт изоом;

ВЭЗ и ВЭЗ МДС - в виде кривых на билогарифмическом бланке;

каротаж КС - в виде каротажных диаграмм изменения ρк с глубиной (прил. 4).

2.18. Интерпретация ВЭЗ производится любым из общеизвестных способов:

с помощью палеток A.M. Пылаева, А.А. Огильви, К. Шлюмберже и др.;

с помощью ЭВМ;

с помощью номограмм по методу особых точек.

Интерпретация ВЭЗ МДС производится по методике, изложенной в [4].

2.19. В результате интерпретации ВЭЗ и ВЭЗ МДС определяется геоэлектрический разрез, характеризуемый среднеквадратичными значениями УЭС ρm для каждого из выделенных слоев. Положение геоэлектрических границ при наличии скважин уточняется с помощью данных каротажа, выполненного градиент-зондом.

2.20. Данные электрокаротажа, полученные потенциал-зондом, позволяют получить значения продольного УЭС ρt для каждого из слоев, с учетом поправок за диаметр скважины (прил. 2).

2.21. Несовпадение значений ρm и ρt свидетельствует о наличии анизотропии УЭС. Коэффициент анизотропии рассчитывается по формуле λ = ρm/ρt. В этом случае значение мощности анизотропного слоя, определенное по ВЭЗ, должно быть уменьшено в λ раз:

,

где hист - истинная мощность слоя; hВЭЗ - мощность слоя, полученная при интерпретации кривой ВЭЗ; λ - коэффициент анизотропии.

2.22. Инженерно-геологическая интерпретация данных электроразведочных методов производится с помощью номограмм 1-4 (прил. 3).

2.23. Цитологическое расчленение мерзлой толщи производится по УЭС в соответствии с номограммой, которая отражает корреляционную зависимость УЭС дисперсных мерзлых грунтов массивной текстуры от литологического состава и температуры (рис. 1, прил. 3).

2.24. Совместное использование данных ВЭЗ ρm и электрокаротажа ρt позволяет оценивать криогенную текстуру и льдистость мерзлых грунтов. Качественная оценка криотекстуры производится в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Значения ρm, ρt, Ом·м

λ = 1

1 < λ < 10

λ ³ 10

ρm ³ 103

Равномерно-сетчатая

Слоисто-сетчатая

Слоистая

ρt ³ 103

ρm < 103

Массивная

Линзовидная

-

ρt< 103

2.25. Количественное определение льдистости (прил. 4) за счет льдовыделений Лв производится по номограммам 2-6, прил. 3 для определенного типа криотекстуры следующим образом. При известных литологическом составе грунта и его температуре по номограмме 1, прил. 3 определяется УЭС породы с массивной текстурой ρпр и вычисляются отношения ρm/ρпр и ρt/ρпр, используя значения УЭС, полученные по ВЭЗ (ВЭЗ МДС) и каротажу. Эти значения ρm/ρпр и ρt/ρпр откладывают на соответствующих осях номограммы, после чего, двигаясь по номограмме параллельно оси абсцисс, находят точку пересечения данных ординар ρm/ρпр и ρt/ρпр с кривыми, имеющими одинаковый индекс. Считывая абсциссу найденных точек, определяют значения льдистости Лв (рис. 2 ).



Рис. 2. Ключ к номограммам определения льдистости Лв по данным электроразведки (прил. 3)

^ 3. СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.1. К параметрам пород, определяемым с помощью сейсмоакустических методов, относятся скорости распространения упругих волн, показатели поглощения этих волн и спектральные характеристики.

В рекомендациях основное внимание уделено определению скоростей упругих волн - продольных vР, поперечных vS и поверхностных vR. Показатели поглощения и спектральные характеристики для решения инженерно-геологических задач практически не применяются в силу недостаточной изученности и отсутствия аппаратурного обеспечения.

3.2. Возможность использования скоростей упругих волн для оценки инженерно-геологических характеристик базируется на скоростной дифференциации мерзлых грунтов, обусловленной различием их состава, строения и состояния.

3.3. Зависимости скоростей продольных волн от температуры и влажности для мерзлых пород различного литологического состава представлены в виде графиков, полученных в результате обобщения большого массива экспериментальных данных (прил. 5).

3.4. Взаимосвязь акустических параметров с физическими характеристиками мерзлых грунтов может быть представлена в виде сводных диаграмм (прил. 9), построенных на базе модели изменения грунта при изменении его влажности (прил. 6).

3.5. Возможность использования сейсмоакустических методов для определения динамических упругих параметров основана на существующих теоретических связях между скоростями упругих волн (vР, vS и vR) с одной стороны и динамическими коэффициентами Пуассона μ и модулем Юнга Eg - с другой.



или





где g - плотность грунта.

3.6. Физически обоснованными являются также связи упругих параметров с деформационными и прочностными характеристиками [6, 7]. Количественное их выражение устанавливается, как правило, с помощью корреляции и выражается в виде эмпирических зависимостей:

Ес = 0,6 + 0,16 Еg + 0,01 Еg2;



где Ес - статический модуль упругости; Едеф - модуль деформации.

Связь между скоростью продольных волн и сопротивлением одноосному сжатию (скорость нагружения образца 2 МПа/мин) выражается уравнением



где А, В, С - коэффициенты, зависящие от температуры.

3.7. Криогенные текстуры мерзлых грунтов вызывают, как правило, анизотропию (точнее квазианизотропию) упругих свойств, что может быть положено в основу оценки их строения.

Параметром, определяющим анизотропию, является коэффициент χ, равный отношению скоростей v˝/v┴, где v˝ - скорости упругих волн, распространяющихся в горизонтальном направлении, v┴ - скорости упругих волн, распространяющихся в вертикальном направлении.

3.8. Наибольшей анизотропией обладают грунты со слоистой криогенной текстурой. Коэффициент анизотропии в них при прочих равных условиях зависит от толщины шлиров льда и тем самым от влажности.

3.9. У грунтов с массивной и равномерно-сетчатой криогенной текстурой анизотропия отсутствует (χ = 1).

3.10. В мерзлых грунтах со сложным криогенным строением общая льдистость Ло может быть представлена в виде следующих компонентов (рис. 3):

Ло = Лв + Лц = Л׀׀ + Лрр + Лц = Л׀׀ +Лi,

где Лi = Лрр + Лц; Лв, Лц, Л׀׀, Лрр - лед шлировыделений, лед-цемент, лед, обусловливающий анизотропию, лед равномерно-сетчатой текстуры, соответственно.

Для слоистой текстуры Лрр = 0, для равномерно-сетчатой - Л׀׀ = 0, для массивной Л׀׀ + Лрр = 0.

3.11. Экспериментальные исследования зависимости коэффициента анизотропии от толщины шлиров льда, выполненные в рамках моделей слоистых и слоисто-сетчатых текстур с различными параметрами (температура, влажность, литологический состав), позволили построить номограммы, связывающие Ло, Л׀׀ , Лi).

Анизотропия свойств грунтов со слоисто-сетчатой криогенной текстурой обусловлена только преобладанием толщины шлиров льда в одном из направлений.

3.12. Для определения скоростей упругих волн, как основных информативных параметров в различных точках массива, и характеризующих различные объемы мерзлых грунтов, используется комплекс сейсмоакустических методов, состоящий из сейсмических наблюдений на дневной поверхности методом преломленных волн (МПВ), акустического каротажа (АК), межскважинного просвечивания (МП), вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и акустического измерения на образцах.

3.13. С помощью наземной сейсморазведки решаются следующие задачи:

изучение строения массива;

определение скоростей распространения упругих волн;

прослеживание изменения состава и состояния мерзлых пород в плане;

проведение наблюдений за динамикой сезонного промерзания и оттаивания.

3.14. Акустические измерения в скважинах АК и МП обеспечивают:

получение истинных значений скоростей упругих волн;

расчленение разреза по скоростям упругих волн;

оценку состава грунта;

расчет упругих модулей выделенных слоев;

оценку прочностных и деформационных характеристик пород.

3.15. Акустический каротаж (АК) позволяет определять скорости продольных vP┴ и поверхностных vR┴ волн, распространяющихся в вертикальном направлении, при межскважинном просвечивании (МП) определяются скорости продольных vP˝ и поперечных vS˝ волн, распространяющиеся в горизонтальном направлении.



Рис. 3. Модель распределения компонентов льда в объеме мерзлого грунта со слоисто-сетчатой криогенной текстурой

Совместное использование данных АК и МП позволяет:

определять упругую анизотропию исследуемого массива;

оценивать особенности криогенного строения мерзлых пород.

3.16. Акустическое измерение на образцах (керне) используется в основном для:

определения скоростей продольных волн по разным направлениям;

непосредственного сопоставления инженерно-геологических характеристик со скоростями упругих волн.

3.17. Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) позволяет, опираясь на данные АК и МП, производить детальное расчленение околоскважинного пространства по упругим свойствам.

3.18. Лабораторные акустические измерения служат для установления зависимостей между инженерно-геологическими и акустическими свойствами мерзлых грунтов, которые используются при интерпретации результатов применения наземных и скважинных методов.

3.19. В зависимости от конкретных решаемых задач, сложности геосейсмического разреза, характера объекта и стадии изысканий применяются либо все методы в комплексе, либо некоторые из них.

3.20. Наземная сейсморазведка выполняется в соответствии с «Инженерными изысканиями для строительства. Технические требования к производству геофизических работ. Сейсморазведка. РСН 66-87*».

3.21. Акустические измерения в скважинах и на образцах осуществляются с помощью импульсной ультразвуковой аппаратуры, марки и основные характеристики которой приведены в прил. 1.

3.22. Каротажные измерения ведутся в сухих необсаженных скважинах. Методика проведения работ, специфика измерений в таких скважинах и получение скоростей упругих волн изложены в «Инструкции по применению каротажных методов при инженерных изысканиях для строительства» (РСН 46-79).

3.23. Межскважинное просвечивание выполняется между двумя скважинами, в одной из которых проводится акустический каротаж. Расстояние между скважинами выбирается таким, которое обеспечивает получение сигнала с помощью используемой аппаратуры (для мерзлых грунтов, как правило, X = 70 - 100 см). Для исключения ошибок определения базы прозвучивания по глубине скважин, связанных с отклонением их от вертикали, необходимо учитывать расхождение или сближение стволов скважин. Это может осуществляться с помощью отвесов или по непараллельности штанг над скважиной при их четком расположении по оси скважин.

3.24. МП осуществляется при нахождении излучателя и приемника в разных скважинах на одной глубине и одновременном их подъеме, либо при многократном перекрытии исследуемого участка лучами различных направлений. Шаг наблюдений, принятый в инженерной геофизике, изменяется от 0,1 до 0,5 м в зависимости от неоднородности разреза и решаемых задач.

3.25. Для регистрации продольных волн по первому вступлению датчики должны ориентироваться соосно. Для выделения во вторых вступлениях поперечной волны оси излучателя или приемника должны составлять с направлением просвечивания угол 35-50°. Это достигается поворотом одного или обоих датчиков вокруг оси с помощью штанг, на которых они крепятся жестко.

3.26. При ультразвуковом МП используются датчики поршневого типа, работающие в области низких ультразвуковых частот (25-60 кГц). Предпочтение отдается датчикам с более низкой частотой, обладающим широкой диаграммой направленности, которая позволяет получать интегральные характеристики скоростей упругих волн, распространяющихся вдоль слоистости, v˝.

3.27. Прижим датчиков к стенкам скважин осуществляется с помощью пневмосистем, надежно фиксирующих датчики на каждой глубине. Для осуществления лучшего контакта со стенками скважин излучающая и принимающая поверхности датчиков должны иметь форму усеченного конуса с прижимной площадкой в несколько миллиметров.

3.28. Расчет скоростей продольной и поперечной волн при МП в каждой точке производится по формуле



где х - база просвечивания между устьями скважин на поверхности; D х - поправка за невертикальность скважин; tотс - время первого вступления; D t - поправка; К - множитель цены деления.

Поправка D t и множитель цены деления К определяются в процессе калибровки прибора и датчиков (прил. 7).

3.29. При керноскопии, использующей методику просвечивания, по первому вступлению определяют скорости распространения продольных волн вдоль и поперек керна (vPк˝ и vPк┴ - соответственно). Для корректного использования этих значений необходимо отсутствие градиента температуры в керне и четкая привязка данных к абсолютному значению температуры. Это может достигаться применением специальных способов термостатирования образцов или выполнением измерений при температуре воздуха ниже 0° и достаточно близкой к температуре пород в коренном залегании. При существенной разнице температур необходимо соответствующее выдерживание керна с охраной его от иссушения.

3.30. Лабораторные акустические измерения проводятся в соответствии с [5]. В случае выполнения измерений на образцах ненарушенного строения к ним предъявляются требования, сформулированные в ГОСТ 12071-84.

3.31. Результаты измерений и расчетов скоростей упругих волн АК и МП фиксируются в табличной форме (прил. 8).

3.32. Результаты определения vP┴, vP˝, vR┴, vS˝ и χ представляются в виде диаграмм распределения этих величин по глубине скважины. Если керноскопия выполняется с соблюдением равенства температуры керна температуре в коренном залегании, ее результаты (vPк┴, vPк˝, χк) могут также быть представлены на соответствующих диаграммах.

3.33. Интерпретация результатов измерения скоростей упругих волн ведется в следующих направлениях: оценка состава мерзлого грунта, определение упругих, деформационных и прочностных свойств, оценка криогенного строения и его параметров.

3.34. Опорными значениями скоростей продольных волн, используемых в номограммах, являются значения:

vP┴ (результаты АК), если χ > 1 (горизонтально-слоистая текстура);

vP˝ (результаты МП), если χ < 1 (вертикально-слоистая текстура);

vP┴ или vP˝, если χ ≈ 1 (массивная, либо равномерно-сетчатая текстура).

3.35. С помощью номограмм (прил. 5) оценивается литологический состав в том случае, если известны температура и суммарная влажность, полученная по данным радиоизотопного метода. Возможно и определение влажности при известном литологическом составе и температуре.

Если сочетание параметров vР, Wc и θ не укладывается в рамки приведенных зависимостей, необходимо прибегать к методу интерполяции между номограммами для грунтов разного литологического состава.

3.36. Диаграммы (прил. 9), построенные по экспериментальным данным на базе модели, описанной в прил. 6, позволяют определять физические характеристики грунта g, gск, n, q по известным литологическому составу и значениям vР и θ.

3.37. Значения vР и vR либо vР и vS используются для расчета коэффициента Пуассона μ и динамических модулей Юнга Eg по формулам, приведенным в п. 3.5, для чего необходимы дополнительные данные о плотности g, получаемые при радиоизотопном каротаже.

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона являются основой для расчета модуля сдвига G и объемного расширения К по формулам:

G = Еg/2 (1 + μ);

К = Eg/3 (1 - 2μ).

3.38. Для определения μ и Еg может быть использована специальная номограмма (рис. 4). Отправной точкой является отношение vR/vP, откладываемое на оси абсцисс; ордината пересечения его с кривой 1 дает значение μ; далее определяется точка пересечения ординаты, имеющей значение μ, с кривой 2, затем абсциссы этой точки с прямой 3, соответствующей известному значению g, и далее ординаты этой точки с прямой 4, соответствующей значению vP; абсцисса этой точки является искомым значением Eg.

Модули μ и Еg могут быть определены также с помощью номограмм, приведенных в прил. 10.

3.39. При определении модулей упругости следует иметь в виду, что приведенные формулы и номограммы строго справедливы лишь для изотропных сред.



Рис. 4. Номограмма для определения динамического модуля Юнга и ключ к ее использованию

3.40. Оценка величины модуля деформации Едеф осуществляется по значениям скоростей продольных волн с помощью формулы, приведенной в п. 3.6, либо с помощью ее графического выражения (прил. 10, рис. 2).

3.41. График корреляционной связи между динамическим и статическим модулями упругости Eg и Ес для мерзлых пород, приведенной в прил. 10, рис. 3, дает возможность оценки статического модуля упругости по результатам акустических измерений.

3.42. Определение временного сопротивления одноосному сжатию sсж осуществляется с помощью номограмм (прил. 10, рис. 4), построенных на основании экспериментальных данных для дисперсных грунтов и льда и связывающих sсж со значениями vР и θ.

3.43. Значения Ес и sсж, полученные по приведенным корреляционным связям, справедливы только для грунтов с массивной криотекстурой, на которых они получены.

3.44. Многочисленные расчеты, подтвержденные экспериментальными исследованиями, показывают, что точность определения скоростей упругих волн составляет 1-1,5 %, динамических упругих параметров 2-2,5 % и характеристик, оцененных с помощью корреляционных связей sсж, Едеф, Ес - 10-15 %.



Рис. 5. Ключ к номограммам определения компонентов льдистости (прил. 11)

Следует иметь в виду, что при межскважинном просвечивании точность определения скоростей упругих волн снижается в соответствии с точностью определения баз.

3.45. Оценка криогенн