黃強(qiáng)

(中國建筑材料工業(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,出于對建筑物的安全考慮,其抗震設(shè)計越來越受到重視。因此,在工程建設(shè)中都離不開地震效應(yīng)評價。波速測試是目前進(jìn)行場地地震效應(yīng)評價中最常采用的技術(shù)之一,其成果資料可以用于劃分建筑場地土類別、場地類別、判別砂土液化等,并以此作為抗震設(shè)計的依據(jù)之一。

1 方法介紹

波速測試是巖土工程勘察的一種原位測試方法,用于測定場地內(nèi)各類巖土層的壓縮波、剪切波的波速值,測試方法分為單孔法、跨孔法或面波法(各測試方法對比見表1)。由于單孔法測試裝置簡單且測試效率高、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)生錯動,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。通過計算獲取各地層的地震波傳播時間和相應(yīng)的接收深度,即可計算出各地層波速值。

表1 波速測試方法對比表

2 現(xiàn)場工作要求

對于單孔法,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)行測試。(如圖1)

圖1 單孔波速測試示意圖

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,其中一個垂向檢波器接收壓縮波,另外兩個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,測點(diǎn)間距一般為1m,自下而上進(jìn)行測量。

2.3 現(xiàn)場波形判別

在現(xiàn)場工作中應(yīng)對采集到的波形鑒別,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方向激發(fā),這兩個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 巖土層的層速度計算

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

利用校正后的各測點(diǎn)時間,按下式計算:

即得到第i測點(diǎn)與第i+1測點(diǎn)間的速度。

3.2 等效剪切波速計算

等效剪切波速計算時應(yīng)首先確定計算深度,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 確定計算深度

3.2.1.1 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)、《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB51247-2018、《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》JTG/T B02-01-2008中規(guī)定,等效剪切波速計算深度為場地覆蓋層厚度,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)定計算。3.2.1.2 根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50111-2006(2009年版)中規(guī)定,等效剪切波計算深度,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]，對于紙漿洗滌過程，數(shù)據(jù)可描述如下。

3.2.2 計算場地等效剪切波速

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)測剪切波速大于按下式計算的臨界剪切波速時,可判為不液化。

4.2 場地土類型和場地抗震地段劃分

4.2.1 場地土類型劃分

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(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 場地抗震地段劃分

地震區(qū)選擇建筑場地時,應(yīng)劃分對建筑抗震有利、不利、危險的地段,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；因此場地內(nèi)各巖土層的場地土類型、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,地震作用對結(jié)構(gòu)造成直接破壞因素,此外還有場地條件的原因,所以選擇抗震有利地段,是減輕因場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)在危險地段。

4.3 場地類別劃分及其工程意義

4.3.1 場地類別劃分

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

表2 各類建筑場地的覆蓋層厚度(m)

4.3.2 劃分場地類別的工程意義

4.3.2.1 設(shè)計特征周期Tg的確定

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

表3 特征周期值

設(shè)計特征周期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)計規(guī)范》3.3.2 條及3.3.3 條規(guī)定:應(yīng)根據(jù)建筑場地類別,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類建筑場地,對設(shè)計基本地震加速度為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)造措施時宜分別按抗震設(shè)防烈度8度(0.20 g)和9度(0.40 g)時各抗震設(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試在巖土工程勘察中是一種常用的測試方法,其具有工作效率高、資料處理快速,成本較低的特點(diǎn)。波速測試獲得的場地內(nèi)各巖土層的剪切波速vs、場地等效剪切波速vse,可以作為場地砂土液化判別的手段之一；是場地土類型劃分、場地類別劃分、確定設(shè)計特征周期和建筑抗震設(shè)防烈度調(diào)整的依據(jù)。因此波速測試成果的準(zhǔn)確性,關(guān)系到建設(shè)工程抗震設(shè)計的安全性、合理性。物探技術(shù)人員應(yīng)在現(xiàn)場按規(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。