单孔波速测试在工程中的应用 al9L+ruR
王祥 张春 B=mk@gX,G
(江苏省水文地质工程地质勘察院,淮安,223005) )!:}R}q
摘要:波速测试作为地基土动力特性测试项目之一,也是一种简便、快速、准确的原位测试技术。通过波速测试可获得岩(土)体的弹性波速,为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析等。本文介绍了单孔波速(检层法)的工作原理和野外测试方法,并结合工程实例,说明其应用效果。 qd=&*?
关键词:波速测试技术 剪切波速 压缩波速 0T{Z'3^=
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1.测试原理、仪器设备及方法 E{m\LUd^
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1.1测试原理 M7|k"izv
当固体介质受到外力冲击时,介质受到应力作用而产生应变,在作用于介质的应力消失后,应变和应力失去平衡,应变就在介质中以弹性波的形式由介质中的质点依次向周围传播,这种弹性波既有面波又有体波,体波又分为压缩波(P波)和剪切波(S波) ,剪切波的垂直分量叫SV波,其水平分量称Sh波。在地层表面传播的面波可分为瑞雷波(Ray lcigh)和拉夫波(Love),各种波在介质中传播的特征和速度不相同。 ',o ,o%n
1.2仪器设备及方法 ?n 9<PMo
试验仪器包括震源和信号采集仪器两部分。 Ungex@s_
1.2.1震源设备:要求产生能量大、稳定性和重复性好的剪切波震源,常见的有击板法、弹簧激振、定向爆破等方法,在工程测试中一般使用击板法,击板法就是将击振板放在离孔口1m左右处的地面,并整平地面,使击振板与地面持良好接触,在木板上压大于400kg的重物,沿板的纵轴从两个方向敲击板的两端,木板与地面产生剪切力,使地层产生剪切波。 3(De> gs$
1.2.2测试仪器:由孔内三分量检波器与地震仪组成。三分量检波器由三个互相垂直的检波器组成(X、Y、Z方向各一个),它们同时安装在一个密封的钢筒内,垂直方向安装的检波器用于接收纵波,两个水平方向的检波器可接收地表传来的横波(Sh波)。地震仪需要具有信号增强功能,以便突出有效信号,降低噪声及干扰的影响。目前地震仪的型号较多,该次工程使用的是中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM—24FD浮点工程动测仪接收,通过计算机专用软件取值、计算分析并存,便于室内作进一步的分析整理。 y3 vDKZ
1.2.3测试方法:单孔法波速测试现场连接如图1所示。 kDAPT_Gid
H]7MN Y
将检波器放至孔底后,自底部向上依地层界面测试,检波器上装有一利用电磁铁原理制成的当断电后自动成开的装置,使其紧贴孔壁,锤或铁锤水平敲击木板两端,敲击所产生的剪切波经地层传播到达测试点 ,孔中水平检波器接收Sh波信号,经电缆送入地震仪进行放大、储存和记录。测试点的间隔根据地层界面情况而定,通常的是地面上用木1~3m一个测点,层位变化处应加密。 b'Scoa7@'
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图1 单孔波速测试现场连接图 tp-PE?
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2.资料整理 Z9MT,
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2.1波速计算 gn>qd6P
单孔检层法测试弹性波时,由于震源板离孔口尚有一定距离,需要将弹性波通过的斜线距离时间换算成通过垂直距离的时间,计算公式如下: lC8DhRd0_
t′=t ………(1) brk>oM;t
式中:t为弹性波通过的斜线距离时间(s); t′为弹性波通过垂直距离的时间(s); Ps@a@d"83
h为测点孔深(m); l为震源距孔口的距离(m); 38Q>x
根据已求的时间 T′,可以求出波在每层土中的传播速度: h#ogL-UU
Vi= ………(2) #-wtNM%1#
式中:Vi为第i测点土层的波速(m/s); e^?0uVxS1
hi+1为测点hi的下一个测点深度(m); dVh* a
ti+1为波通过测点ti下一个测点的时间(s) pDlU*&
2.2地基土动力参数计算 h7iI=[_V
根据实测的弹性波速(剪切波速Vs和压缩波Vp),可计算岩土的动力参数: =@F1J7
μd= ………(3) Ed=2ρV (1+μ) ………(4) Gd=ρV ………(5) ^a6c/2K
式中:μd为动泊松比;Ed为地基土的动弹性模量;Gd为地基土的动剪切模量; VfK8')IXk
2.3场地卓越周期的估算 "w#jC~J<W
场地微振卓越周期是建筑抗震设计的重要参数,利用地层剪切波速估算场地地基土的地震卓越周期(Tg)及卓越频率(Fg),计算公式如下: p,hDZea
Tg= ………(6) Fg=1/ Tg………(7) G(2(-x"+
式中:hi―场地计算深度内第i层土层厚度(m); ^{3,ok*Nf
Vsi—场地计算深度内第i层土层的剪切波速(m/s); o/grM+_
n—场地计算深度内土层层数。 nwOT%@nw
3.工程实例 y6bl&_
3.1工程概况 ai!zb2j!E
淮安威灵电机制造有限公司一号厂房位于淮安市经济开发区,地貌上属于黄泛冲积平原,勘探深度20m范围内为第四纪全新统黄泛冲积物,岩性主要以粘土、粉质粘土、粉土、为主。 D\}A{I92F4
3.2资料解释 C 'YL9r-G
本次共测试了两个孔,具体资料如下: TmZ%
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表1 波速测试分层结果数据表 'gDhi!h%
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岩土名称 层顶埋深 gq|T:
(m) 层厚 >}tm8|IHoo
(m) Vp UE2!,Z,
(m/s) Vs cN}Aeo
(m/s) μd HB}!Lf#*P
Ed 'rZYl Qm
Gd %jgB;Y
vR X_}`m8#
2层:粉土 0 3.0 1403 127 0.5 93.1 31.1 }0&@J'<
2-1层:粘土 3.0 1.0 1647 138 0.5 105.4 35.2 G1t{a:
3层:粉土 4.0 4.6 1679 154 0.5 136.9 45.8 fO+$`r>9
4层:粘土 8.6 1.4 1631 172 0.49 172.4 57.7 2m]CmdV^
5层:淤泥质粉质粘土 10.0 13.0 1948 162 0.5 138.2 46.2 Z=P]UD
J12 afVl)2h
2层:粉土 0 4.9 1431 130 0.5 92.5 30.9 8.S&J6
4层:粘土 4.9 6.3 1578 153 0.5 136.5 45.6 MCBZq\c
5层:淤泥质粉质粘土 11.2 11.2 1908 165 0.5 143.6 48.0 .Du-~N4\
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J1时距图、波速深度图 J12时距图、波速深度图 E>t5/^c)*w
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3.3场地类别的判定 5 *8V4ca
根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),场地类别可按下列标准判定: vhA4ol
表2 建筑场地类别判定标准 r &<sSE;5
等效剪切波速 hmfO\gc}y
(m/s) 场地类别 ,i>{yrsOh
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 备注 ]!JUiFj"uD
Vse>500 0 黑体部分为场地覆盖层厚度,单位:米
Rt
&Oz!TQ
500≥Vse≥250 <5 ≥5 ZK1H%&P=R
250≥Vse≥140 <3 3~50 >50 E;Akm':
Vse≤140 <3 3~15 >15~80 >80 jA&ZO>4
D<-MbK^S
本次测试两个孔等效剪切波速分别为151、153m/s,根据其它钻孔资料揭露,场地覆盖层厚度大于50m,按表2标准综合判定该场地类别为Ⅲ类。 s<f<:BC
4.结论 Sm@T/+uG:
73b(A|kQ@
(1)测试结果表明:场地土层等效剪切波速分别为151、153m/s,场地类别为Ⅲ类。 n-/{H4\
(2)弹性波在岩(土)层中的传播速度是反映岩(土)体的动力特性的一项重要参数,根据实测岩(土)体的弹性波速,能为抗震设计提供岩(土)体的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析、地震破坏潜势分析等提供科学参数。 ?Vy%<f$
(3)波速测试作为浅层地球物理勘探方法(或原位测试技术),具有简便、快速、经济、准确、分辨率高、应用范围广等优点,深受工程技术人员的青睐。 i(hI\hD
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参考文献: e}
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