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单孔波速测试在工程中的应用

单孔波速测试在工程中的应用
王祥张春
（江苏省水文地质工程地质勘察院，淮安，223005）
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。
关键词：波速测试技术  剪切波速  压缩波速

1．测试原理、仪器设备及方法

1.1测试原理
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。
1.2仪器设备及方法
试验仪器包括震源和信号采集仪器两部分。
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。
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。
1.2.3测试方法：单孔法波速测试现场连接如图1所示。

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。

图1 单孔波速测试现场连接图

2．资料整理
2.1波速计算
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：
t′=t ………（1）
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）；
h为测点孔深(m)；                      l为震源距孔口的距离(m)；
根据已求的时间 T′,可以求出波在每层土中的传播速度：
Vi= ………（2）
式中：Vi为第i测点土层的波速（m/s）；
      hi+1为测点hi的下一个测点深度（m）；
      ti+1为波通过测点ti下一个测点的时间（s）
2.2地基土动力参数计算
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：
μd= ………（3）    Ed=2ρV (1+μ) ………（4）      Gd=ρV  ………（5）
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；
2.3场地卓越周期的估算
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：
Tg= ………（6）                Fg=1/ Tg………（7）
式中：hi―场地计算深度内第i层土层厚度（m）；
Vsi—场地计算深度内第i层土层的剪切波速（m/s）；
n—场地计算深度内土层层数。
3．工程实例
3.1工程概况
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。
3.2资料解释
本次共测试了两个孔，具体资料如下：
表1 波速测试分层结果数据表
J1
岩土名称    层顶埋深
（m）    层厚
（m）    Vp
（m/s）    Vs
（m/s）    μd
    Ed
    Gd

2层：粉土    0    3.0    1403    127    0.5    93.1    31.1
2-1层：粘土    3.0    1.0    1647    138    0.5    105.4    35.2
3层：粉土    4.0    4.6    1679    154    0.5    136.9    45.8
4层：粘土    8.6    1.4    1631    172    0.49    172.4    57.7
5层：淤泥质粉质粘土    10.0    13.0    1948    162    0.5    138.2    46.2
J12
2层：粉土    0    4.9    1431    130    0.5    92.5    30.9
4层：粘土    4.9    6.3    1578    153    0.5    136.5    45.6
5层：淤泥质粉质粘土    11.2    11.2    1908    165    0.5    143.6    48.0


J1时距图、波速深度图                              J12时距图、波速深度图

3.3场地类别的判定
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001），场地类别可按下列标准判定：
表2 建筑场地类别判定标准
等效剪切波速
（m/s）    场地类别
    Ⅰ    Ⅱ    Ⅲ    Ⅳ    备注
Vse>500    0                黑体部分为场地覆盖层厚度，单位：米
500≥Vse≥250    <5    ≥5
250≥Vse≥140    <3    3～50    >50
Vse≤140    <3    3～15    >15～80    >80

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。
4．结论

（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。
（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。
（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。

参考文献：
[1]GB50011—2001，建筑抗震设计规范（S）.
[2]GB50021—2001,岩土工程勘察规范（S）.
[3]常士骠等，工程地质手册，中国建筑工业出版社，1990.
[4]谢昭晖，波速测试在市政工程勘察中的应用，市勘察设计研究院，.
[5]杨春播等，面波法与单孔法波速测试的工程实践，中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津.