1、现场波速试验在岩土工程勘察中的应用摘要:以单孔检层法为例,介绍了现场波速试验的基本原理、现场测试方法及波速资料在岩土工程勘察中的各项应用。 关键词: 波速试验; 岩土工程勘察; 应用 中图分类号： TU198 文献标识码： A 引言： 在研究和分析重大工程和高层建筑基础岩土结构的动力特性时,首先应测试及计算地基土的动态参数。现场测试岩土层的纵波速度、 剪切波速度与动弹模量,是进行场地土的类型及建筑场地的类别划分,推测场地地层的沉积年代, 确定地基承载力,计算饱和砂土液化势及场地的地脉动卓越周期,普及动力基础反应分析等的重要依据。波速测试作为地基土动力特性测试项目之一。 1 方法原理 当固体介质
2、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分为瑞雷波(Raylcigh)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:跨孔法、单孔波速法(检层法)和面波法。在工程上,对于多层体系常用跨孔法,直接测定不同深度岩土层的波速。当土层软硬变化大(模量有突变) 和层次较少或基岩上为覆盖层时,可用单孔法
3、。面波在工程上较少用。在岩土工程勘察中,主要要求是测定覆盖层且主要是 20m 深度范围内土层的波速,采用单孔检层法最为简便,是现场波速试验最常用的方法,下面以单孔检层法为例说明。 1.1 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,主要可分为冲击振源与稳态振源两大类,冲击振源包括横向敲击板、锤击锤垫、落重、爆炸、电火花等形式,稳态振源主要有扫频电磁式或机械式激振器等。单孔检层法普遍应用的是敲击板法,它是将一块长 23m, 宽 0.30.4m, 厚 0.10.15m 的弹性较好的木板放在离孔口约 13m 处的地面上,木板与地面接触良好,木板上需压一定重量的重物(通常为汽车前轮
4、),用木锤或铁锤水平敲击木板两端( 短边),木板与地面产生剪切力,使地层产生剪切波,这种方法得到的记录,波形简单,易于识别。 1.2 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,我院使用的主要为长沙玉华仪器有限公司产的 GJY-1 等型号仪器,具有信号增强功能,能满足波速测试的要求。 1.3 测试方法 单孔法波速测试现场连接
5、如图 1 所示。 现场测试时, 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,保证相位不错。 1.4 资料分析整理 (1)波形分析与识别:现场波速试验的关键是要识别纵波(P 波)和剪切波(
6、Sh 波),并正确的判断纵波(P 波)和剪切波(Sh 波)的初至点。纵波速度快,频率高,振幅小,而剪切波速度慢, 频率低,振幅大。在波形记录上,首先出现的是纵波序列,而后振幅突然成倍的增大,同时周期又成倍的拉长的是剪切波序列。正反敲击木板两端时,所产生的剪切波波形相位相差180b,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,可靠求出各层的剪切波波速值。而纵波的相位与敲击板的方向无关,只有检波器的极性改变时,才会反相。 ( 2)波速计算:如图 2 所示,单孔法因激发点偏离孔口有一距离 x,波在地下的传播并非垂直距离 h 而是斜距 l,因此需把斜距的走
7、时 t,校正为垂距走时 t,公式为: t=tch/(h2+x2)=ktc 式中:k)垂距走时校正系数,k=h/(h2+x2)。 走时校正后,由下式计算各地层的速度:vs=(hi+1-hi)/(tsi+1-tsi)=vhi/vtsi vp=(hi+1-hi)/(tpi+1-tpi)=vhi/vtpi 式中:vhi)相邻两测点深度之差; vtpi、vtsi)孔中相邻两测点纵波、剪切波垂距走时之差。 2 波速成果的应用 2.1 划分场地土的类型与建筑的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 6(GB50011-2001)的规定,建筑场地的类别划分,应以土层等效剪切波速和场地覆盖
8、层厚度为准, 建筑场地覆盖层厚度的确定,一般情况下,应按地面至剪切波速500m/s 的土层顶面的距离确定。 土层的等效剪切波速按下列公式计算1:vse=d0/tt= Eni(di/vsi)式中:vse)土层等效剪切波速, m/s;d0)计算深度 m,取覆盖层厚度和20m 二者的较小值;t)剪切波在地面至计算深度之间的传播时间;di)计算深度范围内土层的厚度,m;vsi)计算深度范围内土层的剪切波速, m/s;n)计算深度范围内土层的分层数。土的类型根据土层剪切波速按表 1 划分为四类;建筑的场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表 2 划分为四类。 2.2 计算地基土的动参数在岩土工
9、程勘察中,有时需要计算地基土的动力参数,此时可利用实测的地基土的剪切波速 Vs 和压缩波速 Vp 来求取地基土的动弹性模量 Ed、动剪切模量 Gd 和泊松比 C。计算公式如下:动弹性模量:Ed=1V2sQ(3V2p-4V2s)2/(V2p-V2s)动剪切模量:Gd= QV2s 泊松比:C=(V2P-2V2E)/(2V2P- 2V2E)式中: Ed、Gd C)动弹性模量、动剪切模量、泊松比;Vp、Vs)岩土的压缩波速和剪切波速;Q)土的质量密度;Q=C/g,C 为土的容重,g 为重力加速度。 2.3 确定地层的沉积年代大量的资料表明,剪切波速与岩土的质量、 地层的沉积年代有着密切的关系, 沉积时
10、代愈老,剪切波速越大,反之,剪切波速越小。一般情况下,可根据表 3 来划分地层的沉积时代. 2.4 评价饱和砂土、 粉土的液化性饱和软弱地层( 如饱和的粘质粉土、 粉细砂地层),分析判定 其液化的可能性可依据实测地层的剪切波速度,当实测地层波速 Vs小于该地层液化临界波速时,有液化的可能性; 当实测波速 Vs 大于液化临界波速时, 则该地层不可能产生液化。对于地层临界剪切波波速的确定目前还没有统一的国家标准,计算液化临界波速公式各异,此方法只是作为判别饱和砂土、粉土液化性的一种辅助方法,在岩土工程勘察中应用不广。 2.5 估算场地微振的卓越周期建筑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,可应用下列的计算公式进行: T=Eni4hi/Vsi 式中:hi)第 i 层土的厚度,m;Vsi)第 i 层土的剪切波速,m/s;n)土层数。 3 结束语 单孔检层法作为一种简便的现场波速测试的方法,能较准确的测试地层的剪切波速,在岩土工程勘察中得到了广泛的应用,以上介绍的波速资料的各项应用,具体到某个工程上很少全部用到。对判定场地土类别、计算土(岩)层的弹性模量和求地基土动力参数等,波速资料是必不可少的,对于区分土质、评价饱和土的液化以及划分沉积年代等,波速资料则是一种辅助和补充,这些可根据工程具体情况选择使用。
