单孔波速测试在工程中的应用

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1、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

2、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，使击振板与地面保持良好接触，在木板上压大

3、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RSM24FD 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。 1.2.3 测试方

4、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 13m 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

5、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： d= （3） Ed=2V (1+) （4 ） Gd=V （5 ） 式中：d 为动泊松比；Ed 为地基土的动弹性模量；Gd

6、 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

7、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 ） d 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 4.9 143

8、1 130 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 （GB500112001） ，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 备注 Vse500 0 黑体部分为场地覆盖层厚度，单位：米 500Vse250 50 Vse140 1580 80 本次测试两个孔等效剪切波速分别为 151、153

9、m/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： 1GB50011

10、2001，建筑抗震设计规范（S）. 2GB500212001,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，波速测试在北京市政工程勘察中的应用，北京市勘察设计研究院，北京. 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.第二篇一、前言波速测试作为地基土动力特性测试项目之一，自 80 年代以来广泛用于重大工程、 高层建筑等一级建筑及有特殊要求的二级建筑中，随着国家经济建设的飞速发展，城市建设的重要基础工程-市政工程( 道路、立交桥及管线)大量出现，在一些重要的市政工程勘察中，除进行常规原位测试工作外，还进行

11、了野外剪切波波速测试工作。北京市近年来陆续建设了二环路、三环路及四环路等城市道路，并先后修建了京石、京津塘、京沈、京哈、京张以及八达岭等 几条通往外省市的高速公路。这些工程均修建了大量的立交桥，在立交桥的勘察过程中，绝 大多数均进行了剪切波波速测试工作。二、波速测试的基本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，这种弹性波成分比较复杂，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

12、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各不相同。弹性波速测试方法有：面波勘探法检测地层的瑞雷波速度后，推算出地层的剪切波速度；单孔法或跨孔法可测定地层的压缩波的速度 Vp 和剪切波的速度 Vs。在市政工程勘察中，通常只需测试地层的剪切波速度 Vs，采用的测试方法以单孔检层法最为简单方便，下面以单孔检层法为例说明。1、震源设备：震源要求是产生能量较大、稳定性和重复性好的剪切波震源，主要有击板法 、弹簧激振法和定向爆破法三种。弹簧激振法、定向爆破法两种震源产生的能量较大，能测试较深的钻孔，而普遍应用的是击板法，它是将长 23m 宽 0.3m 厚 0.

13、05m 的激振板放在 离孔口约 13m 处的地面上，木板与地面接触良好，木板上需压一定量的重物(通常为汽车前轮) ，用木锤或铁锤水平敲击木板两端，木板与地面产生剪切力，使地层产生剪切波。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(S h 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，我院使用的有美国 Bison-1580、重庆产 DZQ12-1、长沙产 GJY-1 和 C

14、E9201 等型号仪器，它们均具有信号增强功能，能满足波速测试的要求。3、测试方法：单孔法波速测试现场连接如图 1 所示。图 1 单孔法波速测试示意图将检波器放至孔底后，自底部向上依地层界面测试，一般用气筒充气固定检波器，使其紧贴孔壁，地面上用木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，通常的做法是平均 1.0m 一个测试点，界面处的测试点需重复测试。这种测试方法的好处一是测试时带有深度记号的电缆(或细钢丝绳)不弯曲，保证测试深度的准确性，二是便于追踪剪切波的初至

15、，保证相位不错。 4、波速计算：正反敲击木板两端时，所产生的剪切波波形相位相差 180，这一特征十分有利于剪切波的分辨，也就是意味着我们能够在不同界面点准确测定剪切波的到达时间，可靠求出各层的波速值。如图 2 所示，波在地下的传播并非直线而是折线，如果按照折线考虑，计算方法很复杂，当板孔距 L较小时，可简化按下式计算：Vs=(H2-H1)/ 2COSarctg(L/H2)- 1 COS arctg(L/H1)式中：H 1 测点 1 的深度(m)；H2 测点 2 的深度(m)；t1 测点 1 的读时(ms)；t2 测点 2 的读时(ms)；图 2 波旅行路程计算图三、波速成果的应用波速资料目前主要用于下列方面：1、划分场地类别这是测试剪切波速度最主要的用途。根据建筑抗震设计规范(GBJ -89)的规定