波速測試技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

楊振杰

1 引言

剪切波波速是描述土體工程性質(zhì)的一項重要指標(biāo)，可反映巖土的動力學(xué)特性，為建筑場地類型劃分、場地卓越周期計算、地基土液化判斷等等提供可靠參考。隨著我國工程建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，不少現(xiàn)行規(guī)范對重要的建筑結(jié)構(gòu)明確提出了測試剪切波速度的要求，由此加強(qiáng)波速測試技術(shù)的相關(guān)研究具有重要意義。

2 剪切波速概述

剪切波屬于是彈性波，在不同介質(zhì)中的傳播速度存在差異，由此通過波在巖土體的傳播速度研究不同土類性質(zhì)具有可行性。剪切波速測試基本原理為利用彈性波在介質(zhì)中傳播速度與介質(zhì)的動剪切模量、動泊松比、動彈性模量等的關(guān)系，測定剪切波的傳播速度，求出動彈性參數(shù)。

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中剪切波速測試均發(fā)揮了重要作用，如：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）要求，建筑場地劃分需結(jié)合場地剪切波速、覆蓋層厚度得出；《工程地質(zhì)手冊（第四版）》中列舉了剪切波速在工程中的其它運用，包括判斷沙土液化、計算場地的卓越周期、抗震設(shè)計以及地震危險性分析等。由此可得，工程實踐中剪切波速是重要的巖土體參數(shù)，也是巖土工程勘察中必須提供的動力學(xué)參數(shù)。

3 巖土工程勘察中常見的幾種波速測試技術(shù)

目前在工程實際中測試波速的方法主要有兩種：面波法和鉆孔法（單孔法、跨孔法），在巖土工程勘察時，可根據(jù)實際情況合理選用上述幾種方法。

3.1 鉆孔法

（1）單孔法

單孔法波速測試方法為地面激振、孔中接收（圖1）。測試剪切波速時，激發(fā)器產(chǎn)生SH、SV波，接收器主要采用三分量檢波器，為保證接收效果，需借助氣囊等裝置令其緊貼孔壁。

單孔法操作簡單、精度較高，同時測試費用較低，因此實際工程測試中主要以單孔法最為常用。

（2）跨孔法

跨孔波速測試方法，需將3個孔排成直線，1個孔內(nèi)放入振源激發(fā)器（不同深度激發(fā)振動產(chǎn)生剪切波速），其余2孔負(fù)責(zé)接收（同一深度傳來的）剪切波，根據(jù)波傳播距離、時間計算剪切波速。

圖1 單孔法波速測試示意圖

跨孔法適用于場地內(nèi)鉆孔多、地面平坦、土層分布較均勻的場地，測試深度大，可測定測定地層中的軟弱夾層的剪切波速值，但是此方法操作相對復(fù)雜，對場地條件要求高，測試費用偏高。

3.2 表面波測試法

表面波的測試對象是瑞雷波（R波），因此也稱為是瑞雷波測試技術(shù)，其是在無需鉆孔的情況下測試層狀介質(zhì)的彈性波速，具有無損、快速的特點，無論在初步勘察階段用于宏觀劃分力學(xué)性質(zhì)差異明顯的地層、構(gòu)造，或在詳細(xì)勘察階段詳細(xì)描述基巖埋深、填土厚度等的變化趨勢的工作中均具有顯著優(yōu)勢。

根據(jù)振動激發(fā)方式的不同，瑞雷波測試技術(shù)主要分為瞬態(tài)振動法、穩(wěn)態(tài)振動法兩種，前者以錘擊、爆炸等方式產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波，后者則是激振器發(fā)射固定頻率的瑞雷波，多道瞬態(tài)瑞雷波技術(shù)是目前瑞雷波勘探技術(shù)發(fā)展的趨勢，并被廣泛應(yīng)用于巖土工程及其它應(yīng)用領(lǐng)域中。

4 實例探析波速測試技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

4.1 工程概況

本文僅以某城區(qū)建筑工程項目為例，具體分析了波速測試技術(shù)的應(yīng)用情況。此建筑工程項目為查明地質(zhì)情況，布置了3個鉆孔，開展剪切波速測試，由此判斷場地土類型、場地類別，現(xiàn)僅已以ZK1鉆孔說明剪切波速測試技術(shù)在建筑場地評價中的應(yīng)用。

4.2 剪切波速測試情況

鉆孔ZK1深度18.7m，剪切波速測試結(jié)果如表1所示。

圖2 剪切波速測試結(jié)果表

4.3 測試結(jié)果分析

（1）場地土類型判斷

場地土類型判斷的主要依據(jù)是土的剛性，其主要是通過剪切波速Vs表示，由此可參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中的表4.1.3進(jìn)行劃分，由此可得：

①深度 0～5.9m 為素填土，剪切波速 Vs＜150m·s-1，軟弱土；

②深度5.9～8.2m為粉質(zhì)黏土，剪切波速Vs為150～250m·s-1，中軟土；

③深度8.2～16m為砂巖，剪切波速Vs為500～800m·s-1，堅硬土或軟質(zhì)巖；

④深度 16～18mm 為砂巖，剪切波速 Vs＞800m·s-1，巖石。

（2）場地類別劃分

場地類別劃分首先需確定覆蓋層厚度，其定義為地表面到基巖面的距離，可參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）判斷：剪切波速Vs＞500m·s-1且下面無明顯軟弱夾層時，其埋置深度為覆蓋層厚度。

結(jié)合剪切波速測試結(jié)果可得，剪切波速度Vs＞500m·s-1的深度最淺為9m，覆蓋層厚度約9m，由此計算得到Vse=138m·s-1，參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中的表4.1.6可得該建筑場地類別為II類場地。

5 結(jié)語

綜上所述，剪切波速是巖土工程勘察的重要指標(biāo)，運用便捷有效的方法準(zhǔn)確測定巖土體的剪切波波速是工程建設(shè)的必然要求。目前，我國波速測試技術(shù)主要有單孔法、跨孔法、表面波法三種，各有優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)工程實際場地條件、勘察需求進(jìn)行合理選擇，確?？辈旖Y(jié)果準(zhǔn)確，為后續(xù)施工作業(yè)的順利實施奠定堅實的基礎(chǔ)。

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