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单孔波速测试在工程中的应用 hKp-"
王祥 张春 ,tOc+3Qz$
(江苏省水文地质工程地质勘察院,淮安,223005) XE*#5u8t
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。 QEq>zuz5;
关键词:波速测试技术 剪切波速 压缩波速 gMZ
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1.测试原理、仪器设备及方法 {UEZ:a
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1.1测试原理 j&=!F3[
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。 80O[pf*?
1.2仪器设备及方法 @X0$X+]E*8
试验仪器包括震源和信号采集仪器两部分。 e_CgZ
1.2.1震源设备:要求产生能量大、稳定性和重复性好的剪切波震源,常见的有击板法、弹簧激振、定向爆破等方法,在工程测试中一般使用击板法,击板法就是将击振板放在离孔口1m左右处的地面,并整平地面,使击振板与地面保持良好接触,在木板上压大于400kg的重物,沿板的纵轴从两个方向敲击板的两端,木板与地面产生剪切力,使地层产生剪切波。 +Tp>3Jh2
1.2.2测试仪器:由孔内三分量检波器与地震仪组成。三分量检波器由三个互相垂直的检波器组成(X、Y、Z方向各一个),它们同时安装在一个密封的钢筒内,垂直方向安装的检波器用于接收纵波,两个水平方向的检波器可接收地表传来的横波(Sh波)。地震仪需要具有信号增强功能,以便突出有效信号,降低噪声及干扰的影响。目前地震仪的型号较多,该次工程使用的是中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM—24FD浮点工程动测仪接收,通过计算机专用软件取值、计算分析并保存,便于室内作进一步的分析整理。 Y!nE65
1.2.3测试方法:单孔法波速测试现场连接如图1所示。 &1Idv}@!
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将检波器放至孔底后,自底部向上依地层界面测试,检波器上装有一利用电磁铁原理制成的当断电后自动成开的装置,使其紧贴孔壁,锤或铁锤水平敲击木板两端,敲击所产生的剪切波经地层传播到达测试点 ,孔中水平检波器接收Sh波信号,经电缆送入地震仪进行放大、储存和记录。测试点的间隔根据地层界面情况而定,通常的是地面上用木1~3m一个测点,层位变化处应加密。 PF/eQZ*4
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图1 单孔波速测试现场连接图 09rbu\h
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2.资料整理 D&#ph%U,P
2.1波速计算 Z&0*\.6S~
单孔检层法测试弹性波时,由于震源板离孔口尚有一定距离,需要将弹性波通过的斜线距离时间换算成通过垂直距离的时间,计算公式如下: k:kx=K5=4
t′=t ………(1) Y+#VzIZw
式中:t为弹性波通过的斜线距离时间(s); t′为弹性波通过垂直距离的时间(s); 5i1Xumh 4
h为测点孔深(m); l为震源距孔口的距离(m); ]W 6!Xw)[
根据已求的时间 T′,可以求出波在每层土中的传播速度: n8>(m,
Vi= ………(2) rQPV@J]:
式中:Vi为第i测点土层的波速(m/s); o%=OBTh_
hi+1为测点hi的下一个测点深度(m); Ycve[31BDd
ti+1为波通过测点ti下一个测点的时间(s) !XS ;&s7[*
2.2地基土动力参数计算 +}0/ %5 =1
根据实测的弹性波速(剪切波速Vs和压缩波Vp),可计算岩土的动力参数: f\gN+4)
μd= ………(3) Ed=2ρV (1+μ) ………(4) Gd=ρV ………(5) ;3WVrYe
式中:μd为动泊松比;Ed为地基土的动弹性模量;Gd为地基土的动剪切模量; 8;]U:tv
2.3场地卓越周期的估算 RI
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场地微振卓越周期是建筑抗震设计的重要参数,利用地层剪切波速估算场地地基土的地震卓越周期(Tg)及卓越频率(Fg),计算公式如下: yGtGhP8
Tg= ………(6) Fg=1/ Tg………(7) 72 >/@
式中:hi―场地计算深度内第i层土层厚度(m);
^iaG>rvA
Vsi—场地计算深度内第i层土层的剪切波速(m/s); qY$/i#
n—场地计算深度内土层层数。 $17utJ58
3.工程实例 MHkTN
3.1工程概况 s@ vHU4
淮安威灵电机制造有限公司一号厂房位于淮安市经济开发区,地貌上属于黄泛冲积平原,勘探深度20m范围内为第四纪全新统黄泛冲积物,岩性主要以粘土、粉质粘土、粉土、为主。 rXlJW]i
3.2资料解释 \"@BZ.y
本次共测试了两个孔,具体资料如下: op|/_I$
表1 波速测试分层结果数据表 ohe0}~)V
J1 PF?tEw_WB
岩土名称 层顶埋深 H[&X${ap
(m) 层厚 p$
%D
(m) Vp h*9s^`9)
(m/s) Vs Mm+kG'Z!S
(m/s) μd &c)n\x*
Ed =tE7XC3X_
Gd 1zUo.Tg0
k&PxhDf
2层:粉土 0 3.0 1403 127 0.5 93.1 31.1 <Sx-Ca7
2-1层:粘土 3.0 1.0 1647 138 0.5 105.4 35.2 PYp<eo\
3层:粉土 4.0 4.6 1679 154 0.5 136.9 45.8 R3SAt-IE
4层:粘土 8.6 1.4 1631 172 0.49 172.4 57.7 SiyZq"
5层:淤泥质粉质粘土 10.0 13.0 1948 162 0.5 138.2 46.2 w8df-]r
J12 NiQ_0Y}
2层:粉土 0 4.9 1431 130 0.5 92.5 30.9 2'zYrdem
4层:粘土 4.9 6.3 1578 153 0.5 136.5 45.6 #4e Taik
5层:淤泥质粉质粘土 11.2 11.2 1908 165 0.5 143.6 48.0 4 <`'?
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J1时距图、波速深度图 J12时距图、波速深度图 8QN#PaY
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3.3场地类别的判定 pO.+hy
根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),场地类别可按下列标准判定: S-\;f jh
表2 建筑场地类别判定标准 7C%z0/
等效剪切波速 !Z*2X
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(m/s) 场地类别 S0 AaJty
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 备注 uIkB&