剪切波測(cè)試技術(shù)在輸水管道工程勘察中的應(yīng)用

劉國(guó)華

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

剪切波速是評(píng)價(jià)巖土動(dòng)力特性的主要參數(shù)，單孔檢層法是剪切波速度測(cè)試最為常用的一種方法，可較精確地給出各分層的波速值，能較好地改善標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)行砂土液化判別不能反映土層的整體液化性狀［1］，剪切波速值的大小直接反映了地層的軟硬程度，具有快速、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)等獨(dú)特的優(yōu)越性。

1 剪切波測(cè)試方法

剪切波測(cè)試的單孔檢層法就是利用直達(dá)波的原理，由振源產(chǎn)生的剪切波（SH波），經(jīng)過(guò)巖（土）體，被放置在孔中的三分量檢波器接收，根據(jù)波傳播的距離和走時(shí)計(jì)算出場(chǎng)地土的波速，進(jìn)而評(píng)價(jià)場(chǎng)地土的工程性質(zhì)。

本次使用的設(shè)備為RSM-SW剪切波測(cè)試儀和RSM-JQⅥ三分量速度檢波器（其固有頻率為25Hz），儀器參數(shù)設(shè)置為：采樣間隔200μs，記錄長(zhǎng)度1024點(diǎn)，高通10Hz，低通240Hz。測(cè)試所用震源激震叩板規(guī)格：長(zhǎng)2.0m、寬0.3m、厚度0.1m，板壓重物大于500kg，激震錘4.54kg。激震叩板和檢波器布置如圖1。

圖1 剪切波測(cè)試示意圖

在距孔口中心O點(diǎn)適當(dāng)距離的地面上A點(diǎn)放置叩板，使板的走向與叩板中心點(diǎn)至孔口中心點(diǎn)的連線相垂直，水平方向錘擊叩板兩端產(chǎn)生剪切波；當(dāng)?shù)孛嬲裨醇ぐl(fā)產(chǎn)生剪切波信號(hào)時(shí)，信號(hào)便從震源發(fā)出，穿過(guò)地層介質(zhì)，到達(dá)井下B處放置三分量探頭，探頭中的檢波器，經(jīng)過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換把地震的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電纜傳送到波速測(cè)試儀，由測(cè)試儀器記錄并顯示自A點(diǎn)震源途經(jīng)L到達(dá)B點(diǎn)處的剪切波，由檢波器接收后，以數(shù)據(jù)文件的形式存入微機(jī)，一般觀測(cè)點(diǎn)距為1m。

為從實(shí)測(cè)波形記錄上準(zhǔn)確地獲取計(jì)算波速的初至?xí)r間，采用了波形曲線重疊顯示技術(shù)，將同一測(cè)點(diǎn)上正反兩個(gè)方向錘擊叩板的波形記錄曲線重疊放置在一起顯示。利用正反兩個(gè)方向錘擊所接收到的剪切波相位相差180°特性，來(lái)識(shí)別剪切波的初至相位，讀取其初至?xí)r間ts值。因?yàn)樵摃r(shí)間是從B點(diǎn)傳到A點(diǎn)的時(shí)間，而實(shí)際測(cè)定地層的時(shí)間是B點(diǎn)傳到O點(diǎn)的時(shí)間，因此應(yīng)對(duì)ts值利用式（1）進(jìn)行時(shí)間校正，確定剪切波速及動(dòng)剪切模量。

式中 H為測(cè)點(diǎn)深度；X為震源點(diǎn)偏離井孔距離；ts為剪切波原始斜距初至?xí)r間；△h為相臨兩觀測(cè)點(diǎn)的垂距；△t′s為相臨兩觀測(cè)點(diǎn)的剪切波垂向初至?xí)r間差；ρ為土體的密度（g/cm3），經(jīng)巖土試驗(yàn)獲得土約為1.76g/cm3，中砂約為2.50g/cm3；Gd為土體的動(dòng)剪切模量（MPa）。

2 測(cè)試結(jié)果

利用單孔波速測(cè)試軟件，結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的剪切波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定各層的平均剪切波波速，圖2為CSYZ46鉆孔的測(cè)試成果圖，該段輸水管道的剪切波測(cè)試成果如表1～表2。

表1 地層平均剪切波速

表2 地層加權(quán)平均剪切波速

圖2 CSYZ46孔剪切波測(cè)試成果

3 測(cè)試結(jié)果的分析

利用土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度確定建筑場(chǎng)地的類別。土層的等效剪切波速的計(jì)算公式為：

式中 vse為土層等效剪切波速（m/s）；d0為計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；di為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；vsi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；n為計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

根據(jù)各土層的厚度和剪切波速，按式（4）及式（5）進(jìn)行計(jì)算，所得各個(gè)鉆孔的等效剪切波速結(jié)果如表3。

表3 測(cè)區(qū)等效剪切波速

從表3中可以看到，5個(gè)鉆孔等效剪切波速vse值都大于250m/s、小于500m/s，且覆蓋層厚度大于5m，依據(jù)參考文獻(xiàn)［1］判定元氏—趙縣輸水管道段建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

利用土層的平均剪切波速判定砂土液化情況判定公式為：

式中 vst為上限剪切波速（m/s）；KH為地面最大水平地震加速度系數(shù)，趙縣測(cè)區(qū)為7度區(qū)，取KH=0.10；Z為土層深度（m）。

其中，深度折減系數(shù)rd的計(jì)算式為：

rd=1.1－0.02Z （Z=10～20m）

利用式（6）計(jì)算出待判別土層內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的上限剪切波速，然后將需判別土層的實(shí)測(cè)剪切波速vs與同深度的上限剪切波速vst相比較，并做如下判別：

vs≤vst地震液化

vs>vst地震不液化

趙縣段屬于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，需進(jìn)行土的液化判定。CSYZ46、CSYZ53號(hào)孔地震液化判定結(jié)果如表4。

表4 砂土液化判定成果

元氏縣段位于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，CSYZ7、CSYZ15、CSYZ30號(hào)鉆孔不需要地震液化判定。

4 結(jié)語(yǔ)

在輸水管道工程勘察中，利用了剪切波測(cè)試技術(shù)成功地完成了建筑場(chǎng)地類別及砂土液化的判定，為設(shè)計(jì)部門(mén)提供了可靠的第一手資料，對(duì)建筑物的安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的保障作用。

［1］王德詠，羅先啟.基于表面波法的剪切波速測(cè)試與場(chǎng)地土液化判別［J］.世界地震工程，2010（1）.

［2］GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［4］姚姚，詹正彬，錢(qián)紹湖.地震勘探新技術(shù)與新方法［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1991.

［5］石家莊市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.石家莊市南水北調(diào)配套初步設(shè)計(jì)第一設(shè)計(jì)單元工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.2013.