波速測(cè)試及其在建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃強(qiáng)

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì),四川 成都610052)

隨著人們生活水平的提高,開始追求高舒適度的現(xiàn)代化居室,出于對(duì)建筑物的安全考慮,其抗震設(shè)計(jì)越來越受到重視。因此,在工程建設(shè)中都離不開地震效應(yīng)評(píng)價(jià)。波速測(cè)試是目前進(jìn)行場(chǎng)地地震效應(yīng)評(píng)價(jià)中最常采用的技術(shù)之一,其成果資料可以用于劃分建筑場(chǎng)地土類別、場(chǎng)地類別、判別砂土液化等,并以此作為抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。

1 方法介紹

波速測(cè)試是巖土工程勘察的一種原位測(cè)試方法,用于測(cè)定場(chǎng)地內(nèi)各類巖土層的壓縮波、剪切波的波速值,測(cè)試方法分為單孔法、跨孔法或面波法(各測(cè)試方法對(duì)比見表1)。由于單孔法測(cè)試裝置簡(jiǎn)單且測(cè)試效率高、成本低,故在實(shí)際工作中一般采用單孔法。通過錘擊木板,使木板與地面發(fā)生錯(cuò)動(dòng),產(chǎn)生剪切波,并在鉆孔內(nèi)不同深度接收向下傳遞的剪切波。通過計(jì)算獲取各地層的地震波傳播時(shí)間和相應(yīng)的接收深度,即可計(jì)算出各地層波速值。

表1 波速測(cè)試方法對(duì)比表

2 現(xiàn)場(chǎng)工作要求

對(duì)于單孔法,采用地面激發(fā)彈性波,孔內(nèi)三分量檢波器接收的方式進(jìn)行測(cè)試。(如圖1)

圖1 單孔波速測(cè)試示意圖

2.1 震源裝置及激發(fā)

剪切波震源:單孔法震源可采用爆破、彈簧式S波、敲擊木板等方法。其中最常用的是敲擊木板,即采用正反向錘擊木板的方式激發(fā),要求孔口與木板中心連線與模板長(zhǎng)邊垂直,孔口與木板的間距宜為1m到3m之間；壓板重物不宜小于500kg,使木板和地面耦合良好?？v波震源:要求激發(fā)能最大和重復(fù)性好,常用的是用重錘錘擊放在地表的圓鋼板,以產(chǎn)生縱波。

2.2 接受裝置

孔內(nèi)探頭采用三分量檢波器,其中一個(gè)垂向檢波器接收壓縮波,另外兩個(gè)水平檢波器接收剪切波。一般采用氣囊式或彈簧式裝置使探頭緊貼孔壁,測(cè)點(diǎn)間距一般為1m,自下而上進(jìn)行測(cè)量。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)波形判別

在現(xiàn)場(chǎng)工作中應(yīng)對(duì)采集到的波形鑒別,確保采集到的有效。應(yīng)根據(jù)剪切波和壓縮波的特點(diǎn)把它們區(qū)分出來,區(qū)分的方法常有以下兩種:

(1)壓縮波速度較快,同一深度的壓縮波總是先于剪切波到達(dá)。

(2)壓縮波能量少,因此振幅較?。患羟胁芰看?振幅高。且剪切波是正反兩個(gè)方向激發(fā),這兩個(gè)方向錘擊獲得的剪切波相位應(yīng)相差180°,而壓縮波即使正反敲擊其相位不變。(如圖2)

圖2 正反向錘擊波形圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 巖土層的層速度計(jì)算

讀取各測(cè)點(diǎn)縱波、橫波(剪切波)的初至旅行時(shí)間t,按下式進(jìn)行校正:

利用校正后的各測(cè)點(diǎn)時(shí)間,按下式計(jì)算:

即得到第i測(cè)點(diǎn)與第i+1測(cè)點(diǎn)間的速度。

3.2 等效剪切波速計(jì)算

等效剪切波速計(jì)算時(shí)應(yīng)首先確定計(jì)算深度,現(xiàn)行主要建設(shè)工程行業(yè)規(guī)范中主要分為兩種計(jì)算方法,現(xiàn)將建筑、水工建筑、公路橋梁、鐵路工程等規(guī)范相關(guān)規(guī)定總結(jié)如下:

3.2.1 確定計(jì)算深度

3.2.1.1 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)、《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51247-2018、《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01-2008中規(guī)定,等效剪切波速計(jì)算深度為場(chǎng)地覆蓋層厚度,一般情況下,將剪切波速大于500m/s且其下臥各巖土層的剪切波速均不大于等于500m/s的土層頂面的至地面的距離作為覆蓋層厚度。特殊情況按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行,如地層中存在孤石、透鏡體、火山硬夾層等情況應(yīng)按規(guī)范規(guī)定計(jì)算。3.2.1.2 根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111-2006(2009年版)中規(guī)定,等效剪切波計(jì)算深度,應(yīng)取地面或一般沖刷線以下25m,并不得小于基礎(chǔ)底面以下10m。

目前，操作模式優(yōu)化相關(guān)概念在很多學(xué)科中被廣泛提出并應(yīng)用。桂衛(wèi)華等[1]在銅閃速熔煉領(lǐng)域定義了操作模式優(yōu)化的相關(guān)概念，提出了一種操作模式優(yōu)化的方法。復(fù)雜工業(yè)過程的數(shù)據(jù)主要包括：輸入條件、狀態(tài)參數(shù)、操作參數(shù)以及工藝指標(biāo)[3- 4]，對(duì)于紙漿洗滌過程，數(shù)據(jù)可描述如下。

3.2.2 計(jì)算場(chǎng)地等效剪切波速

4 工程應(yīng)用

4.1 砂土液化判別

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021－2001相關(guān)規(guī)定,當(dāng)采用剪切波速判別地面下15m范圍內(nèi)飽和砂土和粉土的地震液化:當(dāng)實(shí)測(cè)剪切波速大于按下式計(jì)算的臨界剪切波速時(shí),可判為不液化。

4.2 場(chǎng)地土類型和場(chǎng)地抗震地段劃分

4.2.1 場(chǎng)地土類型劃分

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,由各巖土層的剪切波速vs并結(jié)合各巖土層的物理力學(xué)性質(zhì),判別各巖土層的場(chǎng)地土類型:vs>500,為堅(jiān)硬土或軟質(zhì)巖石；500≥vs>250,為中硬土；250≥vs>150,為中軟土；150≥vs,為軟弱土。

4.2.2 場(chǎng)地抗震地段劃分

地震區(qū)選擇建筑場(chǎng)地時(shí),應(yīng)劃分對(duì)建筑抗震有利、不利、危險(xiǎn)的地段,其中規(guī)定:堅(jiān)硬或開闊平坦、密實(shí)均勻的中硬土有利地段劃分為有利地段；軟弱土,液化土劃分為不利地段；因此場(chǎng)地內(nèi)各巖土層的場(chǎng)地土類型、是否為液化土是作為抗震地段劃分的重要依據(jù)之一。

4.2.3 劃分抗震地段的工程意義

地震作用破壞建筑結(jié)構(gòu)時(shí),地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)造成直接破壞因素,此外還有場(chǎng)地條件的原因,所以選擇抗震有利地段,是減輕因場(chǎng)地原因引起的地震災(zāi)害首要步驟。規(guī)范規(guī)定抗震設(shè)防區(qū)的建筑工程場(chǎng)地宜設(shè)置在抗震有利地段,抗震不利地段應(yīng)避開,并不建設(shè)在危險(xiǎn)地段。

4.3 場(chǎng)地類別劃分及其工程意義

4.3.1 場(chǎng)地類別劃分

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.6 規(guī)定,采用由剪切波速值確定的場(chǎng)地覆蓋層厚度和場(chǎng)地等效剪切波速綜合判定場(chǎng)地類別(表2)。

表2 各類建筑場(chǎng)地的覆蓋層厚度(m)

4.3.2 劃分場(chǎng)地類別的工程意義

4.3.2.1 設(shè)計(jì)特征周期Tg的確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.4 條,設(shè)計(jì)特征周期Tg應(yīng)按設(shè)計(jì)地震分組、場(chǎng)地類別查表確定(表3)。

表3 特征周期值

設(shè)計(jì)特征周期Tg后,是確定建筑結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)參數(shù)之一,結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)又是是建筑結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算參數(shù)。

4.3.2.2 抗震設(shè)防烈度調(diào)整依據(jù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3.2 條及3.3.3 條規(guī)定:應(yīng)根據(jù)建筑場(chǎng)地類別,擬建建筑的抗震設(shè)防類別調(diào)整抗震設(shè)防烈度采取抗震構(gòu)造措施。如Ⅰ類建筑場(chǎng)地,抗震設(shè)防烈度為6度以上的丙類的建筑,采取抗震構(gòu)造措施應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求。Ⅲ、Ⅳ類建筑場(chǎng)地,對(duì)設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g和0.30 g的地區(qū),規(guī)范中另有規(guī)定,采取抗震構(gòu)造措施時(shí)宜分別按抗震設(shè)防烈度8度(0.20 g)和9度(0.40 g)時(shí)各抗震設(shè)防類別建筑的要求執(zhí)行。

5 結(jié)論

通過以上論述可知波速測(cè)試在巖土工程勘察中是一種常用的測(cè)試方法,其具有工作效率高、資料處理快速,成本較低的特點(diǎn)。波速測(cè)試獲得的場(chǎng)地內(nèi)各巖土層的剪切波速vs、場(chǎng)地等效剪切波速vse,可以作為場(chǎng)地砂土液化判別的手段之一；是場(chǎng)地土類型劃分、場(chǎng)地類別劃分、確定設(shè)計(jì)特征周期和建筑抗震設(shè)防烈度調(diào)整的依據(jù)。因此波速測(cè)試成果的準(zhǔn)確性,關(guān)系到建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)的安全性、合理性。物探技術(shù)人員應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)按規(guī)定布設(shè)激發(fā)、接受裝置；保證采集到有效的壓縮波、剪切波,并正確判讀的初至位置,獲取真實(shí)波速值。