剪切波測試成果分析與應用

鄭思慧 童廣秀 潘興軍 劉康和

(1.天津市地基檢測中心，天津 300384;2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 工程概況

某平原型水庫蓄水面積150 km2，圍堤為均質土堤，總長54.511 km，堤頂高程 9.0 m，總庫容 5.0 ×108m3，是一座以蓄供水為主，兼有防洪、灌溉、養殖等綜合效益的大(2)型水庫。該樞紐工程主要由圍堤、穿堤建筑物以及蓄水建筑物等組成。

勘察深度內所涉及的土層均為第四系地層，巖性為素填土、粉細砂、細砂、粉質粘土、粉土、淤泥質粘土、粘土等。

根據任務要求，需對該水庫樞紐工程K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)等3個鉆孔進行剪切波測試，其相對位置及編號見圖1。

圖1 剪切波測孔編號及相對位置

2 測試技術與方法

實測采用單孔檢層的地表激發孔中接收法。使用叩板震源并雙向激發，以產生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性來識別剪切波的初至時間。測試時距孔口3 m處平放置叩板，并用重物壓實，自下而上逐點測試剪切波旅行時，測點距1.0 m。圖2為單孔檢層法測試示意圖。

圖2 單孔檢層法測試示意圖

單孔檢層法測試彈性波時，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計算測段內地層波速時需將彈性波非縱測線旅行時校正為縱測線旅行時，按式(1)進行計算:

其中，t′為縱測線旅行時，s;t為非縱測線旅行時，s;d為測點孔深，m;x為震源板距孔口的距離，m。

由校正后的縱測線旅行時繪制時距曲線，按其分段斜率求得各測試地層的剪切波速度。

表1 各測試孔剪切波速及動剪切模量成果表

3 成果分析與應用

3.1 剪切波速和動剪切模量

根據上述計算所得各測試段剪切波速按照下述原則求取土層平均剪切波速值:1)對厚層土，取其土層范圍內測得的有效數據之均值作為該土層的平均剪切波速;2)對于現場未測得有效數據的薄層土，利用實測數據及上下土層的平均剪切波速，加權后求得其剪切波速。各測試孔土層平均剪切波速和動剪切模量成果見表1。

由土層剪切波速成果，按式(2)計算其動剪切模量:

其中，Gd為動剪切模量，MPa;Vs為土層平均剪切波速，m/s;ρ為土層天然密度，g/cm3，由現場原狀土樣通過室內試驗取得。

整個勘察區地層平均動剪切模量的確定:取各測試孔中相應土層的剪切波速平均值作為地層的平均剪切波速。應用式(2)即可計算該地層的平均動剪切模量。具體成果詳見表2。

表2 地層平均剪切波速及動剪切模量成果表

由表1和表2可知:該場地測試深度范圍內土層剪切波速一般為155 m/s～298 m/s，動剪切模量一般為52.7 MPa～179.0 MPa;相應地層的總體平均剪切波速和總體平均動剪切模量范圍值分別為174 m/s～250 m/s，60.1 MPa～125.9 MPa，且地層編號為①1的粉細砂層動剪切參數最低，而地層編號為③的細砂層動剪切參數最高。

3.2 場地類別判定

按照文獻［1］，建筑場地類別應根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分，具體分類標準詳見表3。

表3 建筑場地類別判定標準

表3中用于建筑場地類別劃分的土層等效剪切波速，應由式(3)和式(4)聯合求得。

其中，Vse為土層等效剪切波速度，m/s;d0為計算深度，m，取覆蓋層厚度和20 m兩者的較小值;t為剪切波在地面至計算深度之間的垂直傳播時間，s;di為計算深度范圍內第i土層的厚度，m;Vsi為計算深度范圍內第i土層的剪切波速度，m/s;n為計算深度范圍內土層的分層數。

由實測剪切波速成果(見表1)，按照式(3)和式(4)計算得出:K4，K12，K13鉆孔埋深20 m范圍內等效剪切波速分別為192 m/s，191 m/s，186 m/s，取建筑場地覆蓋層厚度大于 50 m，對比表3判定該建筑場地類別為Ⅲ類。

3.3 地基土液化判別

按照文獻［2］，可用剪切波速判別地面下15 m范圍內飽和砂土和粉土的地震液化，即按式(5)計算地層的臨界剪切波速(Vscr)，當實測地層剪切波速小于Vscr時該地層被判為液化，否則為不液化。

其中，Vscr為飽和砂土或粉土液化剪切波速臨界值，m/s;VS0為與烈度、土類有關的經驗系數，本區地震烈度為7度，地基土為砂土時取65 m/s，地基土為粉土時取45 m/s;ds為剪切波速測點深度，m;dw為地下水深度，m;ρc為粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3。

計算結果表明，在土層標高－6.33 m～－12.27 m范圍內，地層編號為①2的細砂層實測Vs＜Vscr，即判定為液化層。

3.4 場地卓越周期求取

當建筑場地未進行常時微動測試時，可按場地土層實測剪切波速近似求取卓越周期，一般采用:1)加權平均波速法，見式(6);2)子層周期求和法，見式(7)。

其中，Tg1，Tg2均為場地卓越周期，s;Vsi為第i層土的剪切波速，m/s;di為第i層的土層厚度，m;n為土層數

有關資料的統計計算結果表明:加權平均波速法推算的場地卓越周期一般比真值小10%～20%左右，而子層周期求和法推算的結果則偏大，約比真值大10%～20%左右，所以對二者進行平均計算較接近場地卓越周期真值。盡管這兩種簡單易行的推定方法的計算結果都與場地卓越周期真值存在一定誤差，但研究發現，當建筑場地地層不存在軟弱夾層時，對于工程建筑來說，其推算結果的精度已經足夠了，這也是我國應用此法計算場地卓越周期較廣的原因之一。

根據 K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)實測結果，由此估算場地卓越周期見表4。

表4 場地卓越周期估算成果表

4 結語

彈性波在巖土層中的傳播速度是反映巖土體的動力特性的一項重要參數，根據實測巖土體的彈性波速，能為抗震設計提供巖土體的動力參數、劃分建筑場地類別、評價地震效應、進行場地地震反應分析和地震破壞潛勢分析等。

波速測試作為淺層地球物理勘探的原位測試技術，具有簡便、快速、經濟、準確、分辨率高、應用范圍廣等優點，受到工程技術人員的青睞和使用。我們相信隨著電子技術、信號分析、數據處理等手段的廣泛運用，必將為工程設計、施工、監測等諸方面提供更多的參數和可靠的設計依據。

［1］ GB 50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

［2］ GB 50021-2001，巖土工程勘察規范［S］.

［3］ 王鍾琦.地震區工程選址手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1994.

［4］ 林在貫.巖土工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1994.

［5］ 常士驃.工程地質手冊［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，1992.

［6］ 劉康和，童廣才.場地原位試驗的工程應用［J］.國外地質勘探技術，1996(6):31-32.

［7］ 童廣才，劉康和.場地卓越周期的確定［J］.電力勘測，2000(2):65-66.

［8］ 丁伯陽.土層波速與地表脈動［M］.蘭州:蘭州大學出版社，1996.

［9］ 劉康和，練余勇.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預報［M］.天津:天津科學技術出版社，2010.