巖土工程勘察中波速測試技術(shù)的應(yīng)用

杜永兵

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

波速測試技術(shù)作為地質(zhì)勘探工程當(dāng)中的重點項目有著較好的應(yīng)用效果，多用于水利、鐵路以及建筑工程項目的巖土勘察當(dāng)中。借助波速測試技術(shù)通過對于壓縮波、剪切波等的測定，能夠?qū)崿F(xiàn)對于場地土質(zhì)類型、承載力等方面的評估和分析，為后續(xù)工程項目的實施提供可靠參考，提高工程項目建設(shè)質(zhì)量。因此，加強對于波速測試技術(shù)的應(yīng)用研究和探討是十分必要的。

1 波速測試技術(shù)原理

波速測試的過程中會對固體介質(zhì)產(chǎn)生一定沖擊作用，并由此使介質(zhì)發(fā)生應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力作用消失后，會導(dǎo)致應(yīng)變與應(yīng)力之間的平衡被打破，使得應(yīng)變表現(xiàn)為彈性波，不同的波在介質(zhì)當(dāng)中的傳播速度和方式存在較大差異，通過對波的分析能夠?qū)崿F(xiàn)對于巖土性質(zhì)的分析，并為后續(xù)巖土工程的設(shè)計提供可靠參考[1]。

2 波速測試技術(shù)應(yīng)用方法

2.1 鉆孔法

鉆孔法主要包括以下兩種方式。

（1）單孔法。主要是通過垂直鉆孔的方式展開波速測試。主要是通過地面激振，使得介質(zhì)出現(xiàn)應(yīng)變，然后再通過孔內(nèi)的接收裝置進行檢測。在進行剪切波速測試的過程中，需要在地表安裝激發(fā)器，然后通過垂直敲擊以及兩端敲擊的方式，使得激發(fā)器發(fā)出S波（剪切波）和P波（垂直波），以供接收器接收，其中P波的傳播速度通常較快，而且隨著檢測點的加深，P波的振動幅度會逐漸降低，而S波的振幅則會隨著孔深的增加逐漸增大，但是頻率會有所減小，而且S波的傳播速度與P波相比較慢，當(dāng)激發(fā)S波時，P波相位通常不會出現(xiàn)較大變化。常用的接收器為三分量檢波器。單孔波速測試的主要優(yōu)勢在于操作簡單、便捷，檢測效率較高。而且測試結(jié)果相對較為準確，相應(yīng)設(shè)備器材的成本也較低。

（2）跨孔法。通過在待測區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個孔，并將其按照直線排列方式設(shè)置在巖土當(dāng)中，其中孔1負責(zé)安裝振源激發(fā)器，而另外兩個孔主要負責(zé)接收剪切波。在實際進行檢測的過程中，通過對波傳播距離、速度以及時間的分析和計算，進一步明確剪切波速，以此完成相應(yīng)檢測?？缈追z測方式主要被用在地面較為平坦，并且土層分布相對均勻的區(qū)域當(dāng)中。而且跨孔法的檢測深度相對較大，能夠?qū)崿F(xiàn)對于軟弱夾層的分析。但是與單孔法相比，跨孔法相對較為復(fù)雜，對于場地地質(zhì)有一定要求，而且實際應(yīng)用成本相對較高。

2.2 表面波測試法

表面波測試法主要是對于瑞雷波的測試分析，在實際應(yīng)用的過程中，無須進行鉆孔處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)對于層狀介質(zhì)彈性波速的監(jiān)測，而且檢測過程相對更加便捷，不會對巖土造成影響和破壞?；诓煌恼駝蛹ぐl(fā)方式，表面波測試法主要可以劃分為瞬態(tài)振動以及穩(wěn)態(tài)振動兩種[2]。

3 波速測試技術(shù)在案例中的應(yīng)用分析

3.1 工程概況

本文以嶺澳三期核電項目邊坡工程及場地回填巖土工程勘察為例，針對其中波速測試技術(shù)的應(yīng)用要點展開詳細探討。案例項目所在場地位于廣東省深圳市大亞灣西海岸大鵬半島東南側(cè)，靠山面海，北側(cè)為山地丘陵，西面緊鄰嶺澳核電站3、4機組，中間有嶺澳核電站專用道路和東排洪溝相隔，東南面瀕臨大亞灣大鵬澳海區(qū)，規(guī)劃建設(shè)2臺百萬千瓦級核電機組，技術(shù)路線按融合后的“華龍一號”考慮。但是由于近年來施工影響，廠址區(qū)東北側(cè)已經(jīng)形成了部分人工開挖邊坡，東南側(cè)進行了回填（填海），形成了部分人工填方邊坡，為確保場地符合工程建設(shè)以及施工圖設(shè)計要求，需要進一步展開巖土工程勘察工作。為獲得工程區(qū)域地基巖土物理力學(xué)特征，采用了單孔波速測試技術(shù)。

3.2 測試參數(shù)

根據(jù)實際勘察目標，單孔波速測試的主要目的是對掩體的動態(tài)參數(shù)進行檢測，主要參數(shù)包括壓縮波速度、剪切波速度、動彈性模量、動剪切模量和動泊松比等[3]。結(jié)合案例工程實際情況，合理進行測點設(shè)置，確定探測深度。在彈性波信號傳播到地震儀之后，地震儀能夠?qū)ο鄳?yīng)信號進行自動記錄和存儲，然后對其進行分析處理。此次單孔波速測試孔分別為LB44、LB49、LB58，測試起點深度均為0m，終點深度分別為74m、34.5m以及33m，測試段總長度為141.5m；壓縮波測點個數(shù)分別為75、36和34，剪切波測點個數(shù)分別為150、72和68，總測點個數(shù)為435個。

3.3 試驗儀器

結(jié)合勘測工程實際需求，此次單孔波速測試的主要應(yīng)用設(shè)備為一臺StrataView R24數(shù)字化信號增強型淺層地震儀，以及一套CJ-2000A型三分量井下探頭。其中地震儀是由美國Geometrics公司生產(chǎn)，共有24道地震信道，具備數(shù)據(jù)采集、實施數(shù)字濾波等功能，通頻帶區(qū)間為1.75Hz～20kHz，采樣間隔可選范圍為從20.0μs到16ms，采樣點數(shù)可設(shè)置在128～32768之間，并具備計算機控制功能。下探頭是由南京高旺電子儀器廠生產(chǎn)，每個探頭包括X、Y、Z三個分量，振動系統(tǒng)的自然頻率為28±1Hz，靈敏度為0.28V/cm/s，線圈直流電阻區(qū)間為400～450Ω，在20～200Hz內(nèi)的相位一致性不超過3°，線圈與外殼之間的絕緣在100MHz以上，檢波器之間夾角三個分量互為90°。

在進行檢查工作開始前，分別對地震儀以及井下探頭進行檢查，確保儀器設(shè)備性能穩(wěn)定且處于正常工作狀態(tài)，能夠滿足實際檢測需求[4]。

3.4 試驗步驟

根據(jù)實際檢測目標和相關(guān)標準要求，設(shè)定此次測點之間的距離為1m，檢測工作自上而下展開，為保障檢測結(jié)果的準確性以及有效性，每個檢測點都需要從垂直方向、水平方向以及水平反向激發(fā)三次，并且每次激發(fā)都需要接受四道。主要采集的信息為每間隔0.125ms采樣一次，并記錄長度256ms。

在實際進行波速檢測的過程中，為保障檢測結(jié)果的準確性，需要先對檢測場地進行處理，確保檢測場地平整、干凈，然后進行激發(fā)器的安裝和設(shè)置，通常將激發(fā)器設(shè)置在距離鉆孔1.5m左右的位置，為保障檢測效果，還需要對激發(fā)器的中垂線進行校正，確保其符合技術(shù)應(yīng)用標準。在進行激發(fā)器安置的過程中，為保障設(shè)備的穩(wěn)定性，可在激振板上添加重物，以此保障測試結(jié)果的準確性。然后將相應(yīng)檢波器安置在孔內(nèi)指定檢測位置當(dāng)中，通過梁端敲擊以及垂直的方式，獲得S波以及P波，由檢波器進行接收，再將接收到的彈性波信號傳輸給到地震儀，由地震儀記錄并存儲相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。在實際進行檢測的過程中，若發(fā)現(xiàn)激振能量較弱，無法滿足試驗要求時，可結(jié)合實際情況通過落錘甚至是爆破的方式激發(fā)P波。

3.5 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集完畢之后，需要對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行記錄并進行處理。并根據(jù)讀取的各測點初至?xí)r間，計算分層波速，分層波速計算公式如式（1）所示。

式中：V——巖土層層速度，m/s；H2、H1——層底和層頂深度，m；D——激振點中心至測試鉆孔孔口中心的水平距離，m；t2、t1——縱波、橫波到達層底及層頂?shù)臅r間。

然后按照層號統(tǒng)計縱波、橫波波速，再進行動彈性模量、動剪模量、動泊松比的計算，相應(yīng)計算公式依次如式（2）、式（3）、式（4）所示。

式中：Gd——動剪模量，kPa；Ed——動彈模量，kPa；υd——動泊松比；Ρ——某巖土層的濕密度平均值，g/cm3；VS——某巖土層的橫波波速平均值，m/s；Vp——某巖土層的縱波波速平均值，m/s。

根據(jù)上述計算公式以及實際測結(jié)果，得到單孔波速縱橫波速及動態(tài)參數(shù)如表1所示。

3.6 測試分析

3.6.1 地層情況

根據(jù)案例工程波速測試結(jié)果進行分析，勘測區(qū)內(nèi)的土層主要包括巖石、堅硬土或軟質(zhì)巖石、中硬土及中軟土四種類型。其中巖石部分主要包括中等風(fēng)化角巖、微風(fēng)化角巖、中等風(fēng)化花崗巖以及微風(fēng)化花崗巖；堅硬土主要由強風(fēng)化角巖和強風(fēng)化花崗巖組成；中硬土主要由人工松散填石、海積稍密卵石、坡殘積硬塑粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化角巖組成；中軟土主要包括人工松散填土及稍密中砂等。

表1 單孔波速縱橫波速及動態(tài)參數(shù)統(tǒng)計

3.6.2 場地類型

建筑場地類別情況如下：廠址區(qū)丘陵地帶（挖方邊坡區(qū)域）覆蓋層相對較薄，經(jīng)測試等效剪切波速范圍為500≥Vse＞250m/s的土層＜5m，建筑場地類別為Ⅰ類。濱?；靥顓^(qū)（場地回填區(qū)）覆蓋層厚度在5～50m之間不等，建筑場地類別為Ⅱ類。

3.6.3 承載力預(yù)估

巖土的剪切波速還能夠用于估算巖土的承載力，根據(jù)上述測得的剪切波速情況，對案例工程區(qū)域地層的承載力進行估算。不同剪切波速對應(yīng)的承載力不同，若硬塑粉質(zhì)粘土的剪切波速在300～360m/s之間，則其承載力約為24～28t/m2之間；若強風(fēng)化巖的剪切波速值大于500m/s，那么其承載值則大于40t/m2。實際上，若巖土體的砂礫粒徑以及硬度越大，那么其剪切波速也會相對較大，與之相應(yīng)的巖土的承載能力也會較大，反之砂礫粒徑和硬度越小，那么剪切波速和承載力也會相對較小。

3.6.4 液化性質(zhì)

在實際進行建筑工程施工的過程中，砂土和粉土的特化性質(zhì)對于整個建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有著直接的影響，因此加強對于土質(zhì)液化性能的研究是十分有必要的。而剪切波速的測量還能夠?qū)崿F(xiàn)對于土體液化性質(zhì)的分析和預(yù)測，對于建筑工程的設(shè)計施工有著重要的參考價值和意義。在進行液化性質(zhì)分析的過程中，若發(fā)現(xiàn)地層液化波速大于剪切波速，那么就說明該區(qū)域不會出現(xiàn)液化情況；相反，若液化波速小于剪切波速，就表明存在液化的可能性[5]。根據(jù)案例工程實際檢測結(jié)果，液化性質(zhì)的分析主要是針對砂土進行的，而場地內(nèi)砂土涂層主要分布在靠近海岸的區(qū)域，在按照0.10g烈度Ⅶ度的地震進行檢測之后，發(fā)現(xiàn)在場地遭遇烈度Ⅶ度的地震時，場地靠近海岸帶附近局部區(qū)域?qū)l(fā)生輕微砂土液化。

4 結(jié)語

綜上所述，在實際應(yīng)用波速測試技術(shù)進行巖土工程勘察的過程中，通過對壓縮波速度、剪切波速度以及動泊松比的監(jiān)測和計算分析，能夠進一步了解實際地質(zhì)情況以及巖土物理性質(zhì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對于地層情況的判斷、場地類型的辨別，還有助于場地承載力以及液化性質(zhì)的預(yù)估，為后續(xù)巖土勘察工作以及建筑工程的設(shè)計施工提供參考數(shù)據(jù)。而且波速檢測技術(shù)應(yīng)用起來十分便捷、簡單，檢測結(jié)果具有較高的可靠性，在巖土工程勘察中有著重要的應(yīng)用價值。相信隨著對波速檢測技術(shù)的深入研究和實踐運用，巖土工程勘察作業(yè)水平將會得到進一步提升。