劉飛

安徽建筑大學(xué)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 安徽合肥 230022

土層的剪切波速是反映土體動(dòng)力特性的重要參數(shù)，波速測(cè)試已被廣泛的應(yīng)用在各種工程實(shí)踐中。工程場(chǎng)地常常是具有多層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)土體，為分析地基各土層的空間分層變化情況，確定巖土體動(dòng)力學(xué)參數(shù)、判別地基的軟弱地層、劃分地基土的類型和建筑物場(chǎng)地類別，模擬計(jì)算場(chǎng)地土的地震反應(yīng)情況等，都要利用土層的剪切波速資料。因此，剪切波速測(cè)試具有重要的實(shí)際工程意義。本文主要闡述目前較為先進(jìn)的懸掛式波速測(cè)試方法技術(shù)及在工程中的應(yīng)用。

1 懸掛式波速測(cè)試方法技術(shù)與傳統(tǒng)孔口木板敲擊法的對(duì)比

波速測(cè)試是以彈性理論為依據(jù)，主要測(cè)定各類巖土體的壓縮波或剪切波的波速，為場(chǎng)地地質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。波速測(cè)試儀主要分為激發(fā)裝置和接收裝置兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試條件，常用的三種測(cè)試方式為采用單孔法、跨孔法或面波法進(jìn)行波速測(cè)試。當(dāng)前，在工程勘察行業(yè)中使用最為廣泛的單孔法，將利用放置到鉆孔中的傳感器接收到震源傳來(lái)的剪切波波信號(hào)到達(dá)時(shí)間即初至?xí)r間，來(lái)確定鉆孔所在處地層波速的一種方法。單孔法波速測(cè)試目前使用最廣泛的有兩種方法，一是較先進(jìn)的懸掛式波速測(cè)試方法，二是傳統(tǒng)的孔口激振測(cè)試方法。

XG-Ⅰ型懸掛式波速測(cè)試系統(tǒng)主要由主機(jī)、井中懸掛式探頭及連接電纜等組成，現(xiàn)場(chǎng)工作示意圖見圖1。井中懸掛式探頭主要由全密封可防水的電磁式激振源、兩個(gè)獨(dú)立的全密封檢波器及高強(qiáng)度連接軟管等組成。當(dāng)震源向井壁產(chǎn)生沖擊力后，沿井壁地層就有縱波和剪切波傳播，在鉆孔震源下方懸掛有兩個(gè)檢波器，當(dāng)剪切波波傳播到檢波器位置時(shí)，通過(guò)鉆孔內(nèi)泥漿耦合檢波器就可以把剪切波波的初至?xí)r間和振動(dòng)波形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由記錄儀器記錄下來(lái)。由兩道剪切波波的初至?xí)r間差可計(jì)算出兩道間地層的剪切波速值。

圖1 XG-Ⅰ型波速測(cè)井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

孔口激振測(cè)試方法常采用測(cè)試時(shí)在地面激振，孔底接收，即為下孔法，自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試鉆孔應(yīng)盡量垂直，將聲波探頭或三分量檢波器放至孔內(nèi)預(yù)定深度位置，并與孔壁貼緊。土層剪切波測(cè)試常用的振源激發(fā)裝置是尺寸為2000×300×50mm的木板，木板長(zhǎng)度方向的中垂線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試孔中心，與孔口距離宜為1-3m，其上放置大于400kg的重物。當(dāng)用錘水平敲擊木板兩端時(shí)，木板與地面摩擦而產(chǎn)生水平剪切波，兩次相反方向的敲擊，可獲得極性相反的兩組剪切波形。剪切波測(cè)試應(yīng)結(jié)合土層分布設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的垂直間距可取1-3m，層位變化處應(yīng)加密；當(dāng)測(cè)巖體的壓縮波時(shí)，測(cè)點(diǎn)的垂直間距可取0.2-0.5m，且鉆孔內(nèi)應(yīng)有水。在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，應(yīng)重復(fù)測(cè)試多次?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖見圖2。

圖2 孔口激振波速測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)示意圖

懸掛式波速測(cè)試方法相較于孔口激振測(cè)試方法普遍使用的孔口木板敲擊法的優(yōu)點(diǎn)明顯，其擺脫了笨重的地面敲擊震源、測(cè)試操作簡(jiǎn)單、震源與檢波器距離固定并同時(shí)放入井口中、測(cè)值現(xiàn)場(chǎng)可直接顯示結(jié)果，工作效率提高明顯。

采用XG-Ⅰ型懸掛式波速測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，把探頭放置在測(cè)定深度上,按激發(fā)后,則在儀器顯示屏1#區(qū)、2#區(qū)顯示接收到的原始波形，3#區(qū)顯示兩道原始波形的互相關(guān)函數(shù)曲線，4#區(qū)顯示各深度段的波速，5#區(qū)顯示深度和速度曲線。觀察1道、2道的波形曲線及3#區(qū)的相關(guān)曲線和4#區(qū)、5#區(qū)顯示的波速是否正常，異常情況下需要人工干預(yù)。如果波速值超出正常波速變化范圍,說(shuō)明1道、2道信號(hào)不正?；?#區(qū)相關(guān)曲線極大值計(jì)算錯(cuò)誤,分析原因采取有效措施,確保原始記錄準(zhǔn)確可靠后,可將鼠標(biāo)移動(dòng)到該測(cè)點(diǎn)的兩道波形的初至（或同相位的波峰、波谷），讀取兩道波傳播的時(shí)間差，即可計(jì)算出波速。

2 剪切波速試驗(yàn)的應(yīng)用

剪切波速試驗(yàn)主要用于：

2.1 地層的劃分

一般情況下，不同的地層具有可分辨的波速差異，利用波速的變化，可以得到各地層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。因此可以對(duì)鉆孔的地層劃分進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，并確定地基的持力層。

2.2 研究土的工程性質(zhì)

除直接用剪切波速描述土的工程性質(zhì)外，還可與其他物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系計(jì)算工程上常用的工程性質(zhì)指標(biāo)，如楊氏模量、剪切模量與泊松比等。

2.3 為抗震設(shè)計(jì)提供參數(shù)

劃分場(chǎng)地類型和場(chǎng)地土類別，判別地基土液化可能性，研究地基振動(dòng)特性等。

2.4 劃分巖石風(fēng)化層

當(dāng)巖石風(fēng)化后，因其組織結(jié)構(gòu)被破壞，礦物成分發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，巖體破碎，造成其波速降低。根據(jù)其波速的不同，即可劃分巖石的風(fēng)化程度。

3 某工程場(chǎng)地剪切波速測(cè)試成果

3.1 概況

皖北某擬建住宅小區(qū)規(guī)劃為高層住宅小區(qū)，共10棟高層。由我們進(jìn)行巖土工程詳勘工作。本次波速測(cè)試工作目的主要是對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行場(chǎng)地土類型和場(chǎng)地類別的評(píng)判，同時(shí)驗(yàn)證鉆探土質(zhì)分層的合理性，共完成10個(gè)鉆孔460米厚地層剪切波速的測(cè)試工作，其中6個(gè)孔測(cè)試深度均為30m，4個(gè)孔測(cè)試深度均為70m。測(cè)試工作依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，2016年版）及《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范》（GBT50269-2015）中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3.2 測(cè)試成果

現(xiàn)場(chǎng)共對(duì)10鉆探孔進(jìn)行了土層S波波速測(cè)試，孔號(hào)分別為xk2、xk28、xk56、xk77，測(cè)點(diǎn)間距為1m，測(cè)試孔深70m；孔號(hào)xk7、xk13、xk31、xk46、xk59、xk71，測(cè)點(diǎn)間距為1m，測(cè)試孔深30m。為了保證波速測(cè)試精度，測(cè)試中對(duì)有干擾的異常點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。通過(guò)對(duì)每測(cè)點(diǎn)上下檢波器（間距1m）獲得的記錄數(shù)據(jù)的互相關(guān)計(jì)算分析，確定兩檢波器間S波傳播延遲時(shí)間，并計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的S波速度，并繪制成果圖，如該場(chǎng)地的xk2孔剪切波速測(cè)試成果見圖3。

圖3 xk2孔剪切波速測(cè)試成果圖

3.3 成果應(yīng)用

（1）各測(cè)孔20米深度范圍內(nèi)等效剪切波速為：

土層等效剪切波速按下式計(jì)算：

式中：vse---土層等效剪切波速（m/s）；

d0---計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度與20m二者的較小者；

t---剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；

di---計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層的厚度（m）；

vsi---計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土的剪切波速（m/s)；

n---計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

（2）據(jù)表1，該場(chǎng)地等效剪切波速在146m/s-179m/s之間，平均值為170.5m/s，為中軟場(chǎng)地土；由于場(chǎng)地覆蓋層厚度均大于50m，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，2016年版）（以下簡(jiǎn)稱“抗規(guī)”）中第4.1.6條規(guī)定，該建筑場(chǎng)地類別屬于Ⅲ類。經(jīng)抗規(guī)附錄A查詢，得擬建地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。依據(jù)抗規(guī)第5.1.4條，場(chǎng)地特征周期為0.45s。

表1

4 結(jié)論

剪切波在土層中的傳播速度是反映土的動(dòng)力特性的重要參數(shù)，根據(jù)剪切波速度可進(jìn)行地層劃分和場(chǎng)地類別判別等。懸掛式波速測(cè)井法可以準(zhǔn)確的進(jìn)行地層劃分和場(chǎng)地類別判別，將振源和檢波器同時(shí)放入鉆孔中，擺脫了笨重的地面敲擊震源，實(shí)現(xiàn)了波速測(cè)試設(shè)備的輕便化，提高了波速測(cè)試的精度。利用XG-Ⅰ型懸掛式波速測(cè)井儀進(jìn)行波速測(cè)試具有操作直觀、快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，已成為工程勘察中的一種重要技術(shù)手段。