淺談波速檢測技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

李新劍，廖愛平，楊偉民，周　政（中國能建湖南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410000）

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淺談波速檢測技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

李新劍，廖愛平，楊偉民，周政（中國能建湖南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410000）

本文分別分析了面波法和單孔檢測法的工作原理，同時分析了波速檢測技術(shù)的測試方法，并從確定場地類型、場地土類型以及底層的沉積年代等方面分析了波速檢測技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用，以期能夠?yàn)閹r土工程的建設(shè)與發(fā)展提供一定的理論依據(jù)和方法。

巖土工程勘察；波速檢測技術(shù)；工作原理；應(yīng)用

引言

波速檢測技術(shù)是指通過波速來判定巖土體的力學(xué)性質(zhì)或工程指標(biāo)的原位測試方法。根據(jù)巖土體內(nèi)彈性波的傳播速度來測定低應(yīng)變條件下（10-4～10-6）的巖土體動彈性模量等相關(guān)參數(shù)。波速檢測技術(shù)不但是地震勘探技術(shù)之一，而且還是便捷、準(zhǔn)確的原位測試技術(shù)，同時也是地球物理勘探技術(shù)的主要分支。從現(xiàn)階段來看，波速測試技術(shù)在石油工程、水利水電工程、鐵路工程、冶金工程以及工業(yè)與民用建筑等各種巖土工程地質(zhì)勘察過程中被廣泛運(yùn)用，同時也收獲得了非常良好的效果。通常情況下，波速測試能夠準(zhǔn)確的測定壓縮波（P波）以及剪切波（S波）等在巖土體內(nèi)的傳播速度，從而有效的避免了室內(nèi)測試時所形成的誤差。波速測試技術(shù)不但能夠能有效地解決場地土類型的確定、建筑場地類別的確定、地層厚度、軟硬程度以及評價巖土質(zhì)量等多種地質(zhì)問題，而且還能夠用于計(jì)算動剪切模量、動彈性模量等工程動力學(xué)參數(shù)。

1　波速測試方法和原理

1.1面波法及其原理

作為近些年來發(fā)展起來的測試方法，面波法是一種淺層地震勘探方法。面波包括了瑞利波和拉夫波。其中，瑞利波具有能量強(qiáng)、振幅大、頻率低、易識別以及易測量等特點(diǎn)。所以，面波法一般情況下是指瑞利波法。同時，面波法根據(jù)激振震源的差異可以分穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法以及無源法3種方法。這3種方法的測試原理基本相同，區(qū)別在于震源有所不同?，F(xiàn)階段，巖土工程勘探常用的方法為瞬態(tài)面波法。

面波不同與地震勘探過程中的P波和S波。研究表明：如果面波處于層狀介質(zhì)，拉夫波由P波與水平方向的S波之間的干涉而產(chǎn)生，而瑞利波是由P波與垂直方向的S波干涉而產(chǎn)生，且P波能量多集中于層狀介質(zhì)的表面附近，同時，其能量衰減與r-1/2呈線形關(guān)系。因此，瑞利波比體波衰減周期較長。在P波的傳播過程中，層狀介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：①呈現(xiàn)橢圓極化的現(xiàn)象；②橢圓的長軸垂直于地面；③逆時針方向旋轉(zhuǎn)；④以波前面約1個高度為λR的圓柱體向外擴(kuò)散。

面波勘探是根據(jù)測網(wǎng)的布置來逐點(diǎn)觀測測點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)和勘探深度的要求，每一個測點(diǎn)測得1條頻散曲線，然后通過頻散曲線的速度來分層和計(jì)算有關(guān)參數(shù)，從而確保巖土工程勘察目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

1.2單孔檢層法及其原理（如圖1）

單孔檢測法是指在垂直鉆孔中測試波速（圖1），是波速檢測技術(shù)的常用方法。根據(jù)震源和鉆孔中檢波器的位置，單孔檢測法包括地表激發(fā)孔中接收法、孔中激發(fā)孔中接收法、孔中激發(fā)地表接收法和孔底法4種測試方法，其中地表激發(fā)孔中接收法是目前波速測試過程中最為常用的方法。所謂地表激發(fā)孔中接收法，主要是指從地面激發(fā)產(chǎn)生的彈性波由鉆孔中的檢波器接收。由于彈性波的傳播途徑類似于天然地層中巖土由下向上的傳播，多采用此方法來分析地層。如果地面震源進(jìn)行正反向激發(fā)，那么會形成S波；如果在孔口附近垂直激發(fā)，那么相應(yīng)的會形成P波。S波與P波的特征不同，主要表現(xiàn)在三個方面：①S波比P波的傳播速度較慢；②越往鉆孔的深處，S波振幅越大，頻率越低，P波與之相反，振幅小，頻率高；③如果水平激發(fā)，S波相位向反方向發(fā)生改變，而P波的相位不會發(fā)生改變。根據(jù)上述特征，可以非常容易的區(qū)分S波與P波。

2　測試方法

在現(xiàn)場測試時，首先應(yīng)平整場地，準(zhǔn)備好激振板（長×寬× 高=2.5×0.3×0.1），然后將其置于距井口1.5m處，同時要確保激振板的中垂線與井口中心相吻合。為了使激振板能夠與地面緊密接觸，應(yīng)當(dāng)在激振板放置一定重量的物體，從而有效的保證測量結(jié)果的精確性和合理性。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，通過敲擊激振板兩端來激發(fā)S波，敲擊數(shù)次以獲得3次清晰的S波。獲得S波之后，垂直敲擊鐵板以激發(fā)P波。根據(jù)巖士分層厚度來確定測試點(diǎn)距，通常將其設(shè)置為1m。檢波器置于孔中應(yīng)當(dāng)確保一定的深度，接收震源產(chǎn)生的彈性波信號，并將信號經(jīng)由電纜傳輸至地震儀，然后由地震儀自動記錄和儲存數(shù)據(jù)，最后分析與處理數(shù)據(jù)。

圖1　單孔檢測法示意圖

在現(xiàn)場測試的過程中，應(yīng)當(dāng)注意以下四方面的問題：①應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況對地質(zhì)進(jìn)行分層，測量點(diǎn)布置的密度要合理，一般情況下，1～3m便可布置1個測量點(diǎn)；同時，測量應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循自由下而下的原則。②在進(jìn)行S波測試過程中，敲擊木板兩端時應(yīng)當(dāng)沿著木板的縱軸方向，以確保產(chǎn)生極性相反的3 組S波。③在進(jìn)行P波測試過程中，如果擊打金屬板的方式產(chǎn)生的激振能量較弱，應(yīng)當(dāng)采用爆炸或落錘的方式來激發(fā)P波。④所有的測試應(yīng)當(dāng)進(jìn)行數(shù)次，重復(fù)測量部分測點(diǎn)，從而確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確和合理。

3　波速檢測技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

3.1確定場地類別

就劃分場地類別而言，雖然各種抗震規(guī)范和各個研究者提出的評定指標(biāo)和分類方法有所差異，但是，綜合來看，劃分場地類別的方法主要包括單指標(biāo)法和雙指標(biāo)法2種方法?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2000）采用雙指標(biāo)法。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2010），土層等效剪切波速的計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)采用如下公式：

式中：νse、d0、t、di、vsi、n分別表示土層有效剪切波速（m/s）、理論深度（m）、地面至d0之間的剪切波傳播時間、d0范圍中第i層土的厚度（m）、d0范圍中第i層土的剪切波速（m/s）以及土層的分層數(shù)量。

根據(jù)巖（土）的等效剪切波速和場地覆蓋層厚度，建筑場地類別可以劃分為4大類，其中Ⅰ類又可劃分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個亞類。若巖（土）剪切波速或等效剪切波速和覆蓋層厚度的數(shù)值較為可靠，且相應(yīng)的數(shù)值又出現(xiàn)在分界線附近，那么可以使用插值這一種方法來判定地震作用計(jì)算所需要的特征周期。建筑場地類別及剪切波速見表1。

表1　建筑場地類別及剪切波速

3.2劃分場地土類型

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2010），場地土的類型和剪切波速范圍見表2。

表2　土的類型及剪切波速范圍

3.3判別飽和砂土及粉土的液化性

工程地基的液化問題是建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要研究課題。可以根據(jù)實(shí)測地層的剪切波速度來分析判定飽和軟弱地層液化的可能性。如果實(shí)際測得的波速（Vs）小于該地層液化波速的臨界值，那就表明該地層不會發(fā)生液化。但是，有關(guān)地層臨界剪切波速確定的方法，目前尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同時計(jì)算底層液化臨界波速的公式非常多。波速檢測技術(shù)僅是分析和判定飽和砂土、粉土液化性的輔助方法之一。

3.4確定地層的沉積年代

資料表明，剪切波速與巖土質(zhì)量、地層的沉積年代之間具有非常密切的聯(lián)系。一般情況下，沉積時間越是久遠(yuǎn)，相應(yīng)的剪切波速就越大；反之，剪切波速越小。通常條件下，可以根據(jù)表3來劃分和判定地層的沉積年代。

表3　地層沉積年代及剪切波速范圍

4　結(jié)語

在巖土工程勘察過程中，波速檢測技術(shù)具有極為廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價值。文章從面波法和單孔檢測法的方法和原理分析了波速檢測技術(shù)，其中單孔檢測法在巖土工程勘測過程中最為常用。同時，還分析了測試方法以及波速檢測技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用。隨著巖土工程建設(shè)的快速發(fā)展和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，充分了解場地結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而波速檢測技術(shù)則為其發(fā)展起到了非常重要的推動作用。

［1］牛建光，王 贏.現(xiàn)場波速試驗(yàn)在港口工程勘察中的應(yīng)用［J］.中國水運(yùn)，2014，14（1）：284～285，287.

［2］王建能，魏國團(tuán).面波法波速測試在巖土工程勘察中的應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2014（1）：189，191.

［3］朱菲菲，胡志東，楊曉艷.單孔法波速測試技術(shù)相關(guān)性因素分析及其在巖土工程勘察中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2012，26（6）：117～121.

［4］《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2010）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］鄧國生.現(xiàn)場波速試驗(yàn)在巖土工程勘察中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2004（9）：33～35.

李新劍（1965-），男，高級工程師，研究生，主要從事巖土工程勘測工作。

TU195

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2095-2066（2016）17-0083-02

2016-4-11