現(xiàn)場剪切波速測試誤差及其對地震動影響探究

田 偉 新

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

在建筑工程中，剪切波速是評價現(xiàn)場巖土體介質(zhì)的重要參數(shù)之一。剪切波速測試結(jié)果較直觀，可直接反映巖土體的某些特性，同時剪切波速現(xiàn)場測試的操作較便捷，測試反應(yīng)速度較快，因此利用剪切波速測試來評價現(xiàn)場巖土體介質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于工程施工中。

同時對于地震工程而言，剪切波并非一個孤立的量，剪切波測試的微小誤差都會反映在地震動計算結(jié)果中。進而影響到工程現(xiàn)場地震安全的評價工作，甚至會對工程施工環(huán)境、施工安全性產(chǎn)生影響。

剪切波速作為物理量的一種，其測試結(jié)果必然存在相應(yīng)的誤差。這也是長期以來專家學者和工程技術(shù)人員對剪切波速測試結(jié)果的可靠性保持懷疑態(tài)度的主要原因。然而剪切波速測定存在不可避免的誤差，為此要采取反復(fù)測試、精確計算的方式將剪切波速測試誤差予以排除，使其更加接近準確值。

1 現(xiàn)場剪切波速測試的方法

1.1 單孔法

在測試地點鉆取垂直測試孔，剪切波振源可采用錘擊木板的方式，木板上承重應(yīng)大于400 kg，木板長向中垂線應(yīng)與測試孔中心相對應(yīng)，孔口與木板的距離保持在1 m～3 m左右，木板應(yīng)與地面直接接觸。測試時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場巖土體分布情況，選擇合適的間隔距離布置測試點，測試剪切波速時傳感器應(yīng)在測試孔內(nèi)預(yù)定位置固定，沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相反的兩組剪切波波形。測試結(jié)束后可從所有測試點中隨機抽選幾個測試孔進行重復(fù)觀測，通過反復(fù)觀測的方式來縮小測試誤差。

1.2 跨孔法

跨孔法適合觀測現(xiàn)場較平坦的地區(qū)，測試孔內(nèi)設(shè)置振源并在一條直線上布置兩個接收孔。需注意的是，測試孔在土層中的間距應(yīng)保持在2 m～5 m左右，巖層中應(yīng)保持在8 m～15 m，測試時每隔1 m～3 m確定一個觀測點。若測試深度大于15 m，則應(yīng)對所有測試孔的傾斜度和傾斜方位進行測定。測試結(jié)束后可從所有測試點中隨機抽選幾個測試孔進行重復(fù)觀測，通過反復(fù)觀測的方式來縮小測試誤差。

1.3 測速誤差產(chǎn)生原因

導(dǎo)致剪切波速測試結(jié)果誤差的原因可概括為主觀因素和客觀因素。主觀因素主要是指操作人員的技術(shù)水平和設(shè)備精密程度，此類因素會反映在剪切波速測試結(jié)果中，對結(jié)果的精度和可靠性產(chǎn)生影響，但此類因素可通過人為干預(yù)獲得改善。

客觀因素主要包括：剪切波穿過地區(qū)的巖性、孔隙度以及空隙填充物差異的影響。地質(zhì)結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的結(jié)構(gòu)層，剪切波穿過不同的結(jié)構(gòu)速度會發(fā)生變化，現(xiàn)場測試時測試孔選擇的位置差異、高程差異都會改變剪切波穿過的地層結(jié)構(gòu)，使測試結(jié)果發(fā)生變化。

2 剪切波速的測試和計算

2.1 剪切波速測試原理

當S波穿過地層時，由于地層構(gòu)造的非連續(xù)特征，在不同的基面會發(fā)生不同的反射和折射，并引發(fā)偏振現(xiàn)象。當?shù)貙訕?gòu)造不同時，反射和折射的情況也會存在差異。如發(fā)生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運動時，稱為SH波。當巖石顆粒在巖波傳播方向的豎直平面里運動時，這種S波稱為SV波。SH波水平偏振橫波。質(zhì)點在垂直于入射平面的方向上振動的波叫水平偏振橫波。SV波垂直偏振橫波。質(zhì)點在入射平面內(nèi)且與傳播方向垂直振動的波叫垂直偏振橫波。根據(jù)剪切波觀測儀器接收到的波形、波速信息判斷地質(zhì)構(gòu)造的具體情況。

2.2 剪切波速的計算方法

2.2.1斜距校正

利用水平傳感器監(jiān)測并記錄剪切波從振源到達觀測點的時間，并將收集到的時間數(shù)據(jù)通過斜距公式進行校正。公式如下：

T=KTL，

其中，T為剪切波從振源到達觀測點后通過斜距校正得到的時間數(shù)據(jù);TL為剪切波從振源到達觀測點的測得時間;K為斜距校正系數(shù);H為觀測點深度;H0為振源到觀測孔口的高度差，若振源高程低于孔口高程，可為負值;L為剪切波速測定時所用木板中心到觀測孔的水平距離。

波速層的劃分，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況，按時距曲線上具有不同斜率的折線段確定。

2.2.2剪切波速計算

1)單孔測速法。

在每一個波速層剪切波的波速可參考以下公式進行計算：

其中，V為該波速層剪切波波速;H為波速層厚度(可根據(jù)觀測結(jié)果波形間距離進行判斷);T為剪切波穿過波速層的時間差。

2)跨孔法。

振源到達每個觀測點的距離，按照測斜數(shù)據(jù)進行計算。公式如下：

ΔS=S2-S1。

其中，VS為剪切波波速;TS1為第一個觀測孔測得剪切波到達時間;TS2為第二個觀測孔測得剪切波到達時間;S1為振源到第一個觀測孔的水平距離;S2為振源到第二個觀測孔的水平距離;ΔS為兩個觀測點之間的水平距離差。

3 剪切波測試誤差對地震動的影響

首先，剪切波測試誤差對特定地震波作用下的加速反應(yīng)譜有明顯影響，根據(jù)實驗結(jié)果和理論分析，此類影響主要受到地震波特性的限制。堅硬土和軟巖質(zhì)土對高頻成分極為敏感，對低頻成分的敏感度較低。在中硬土和中軟土場地中，波速隨深度增加而衰減，對低頻成分極為敏感，但對高頻成分敏感度較低。而若下墊面為軟弱土，對低頻成分的敏感度達到最大值。由于振源輸入的震動信號頻率成分不同，測得的卓越周期與地震波周期相近，這提示場地內(nèi)會發(fā)生共振效應(yīng)。

從整體上來說，剪切波速測試誤差對地震動的影響主要表現(xiàn)在5個方面：

1)剪切波速測試誤差可反映在加速度反應(yīng)譜中。

2)波速取極小值時，反應(yīng)譜偏差峰值最高。

3)地震動和模量、阻尼比確定時，反應(yīng)譜偏差受波速測定誤差影響較大。

4)當?shù)卣鸩ㄖ芷谂c現(xiàn)場卓越周期相近時，測速時容易引起場地內(nèi)共振，會增幅剪切波速測試誤差的反應(yīng)譜變化。

5)特定下墊面場地會對特定頻率的波形成明顯反應(yīng)，并反映在反應(yīng)譜中。

其次，幾乎在所有巖土層中，剪切波速測試誤差的增加均伴隨著PGA影響的概率的提高。若均值在0.5倍標準差以內(nèi)的波速測試誤差看做無影響的話，約62%的波速測試誤差會對PGA產(chǎn)生影響。隨著波速測試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測試誤差對PGA的影響概率逐漸提升。但波速測試誤差均值達到2.0時，剪切波速測試誤差對PGA產(chǎn)生影響的概率達到最高。同時，不同巖土體結(jié)構(gòu)剪切波速測試誤差對PGA產(chǎn)生影響的概率無較大差別(均值特定的前提下，均值通過統(tǒng)計學分析，Vs(mean)30次測試結(jié)果的算數(shù)平均值為均值)。

此外，隨著剪切波速測試誤差的增加，對反應(yīng)譜烈度的影響概率逐漸增加。根據(jù)相關(guān)試驗報告和統(tǒng)計結(jié)果，若均值在0.5倍標準差以內(nèi)的波速測試誤差看做無影響的話，約62%的波速測試誤差會對SI產(chǎn)生影響。隨著波速測試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測試誤差對SI的影響概率逐漸提升。但波速測試誤差均值達到2.0時，剪切波速測試誤差對SI產(chǎn)生影響的概率達到最高。剪切波速測試誤差對反應(yīng)譜烈度的影響與對PGA相似。

從整體上來說，剪切波速測試誤差對PGA和反應(yīng)譜烈度的影響具有以下特點：

1)剪切波速測試誤差對PGA和SI(SI是什么意思，是不是應(yīng)該是Sa)均有影響，且隨誤差增大而增大。

2)剪切波速測試誤差對PGA的影響更容易受到場地巖土體結(jié)構(gòu)特性的影響。堅硬土(淺硬場地)高頻波成分導(dǎo)致的PGA偏差更大，底層降低、波速降低，對低頻成分的敏感性逐漸增加。

3)反應(yīng)譜峰值烈度與輸入的地震動關(guān)系較小，主要受剪切波速測試誤差影響。

4)標準差在1倍以內(nèi)時剪切波速測試誤差對PGA影響超過10%的概率為38%，對PGA影響超過20%的概率為13.3%，標準差達到2倍時，對PGA影響超過20%的概率可達到39.9%。

5)標準差在1倍以內(nèi)時剪切波速測試誤差對SI影響超過10%的概率為20.7%，對SI影響超過20%的概率為13.3%，標準差達到2倍時，對SI影響超過20%的概率可達到43.4%。