甘肅地區波速測試中的問題分析1

2013-11-26 06:47:00董林夏坤鄭龍

震災防御技術 2013年1期

董林夏坤鄭龍

（中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000）

引言

土層的剪切波速是反映土體動力特性的重要參數，被廣泛應用在工程實踐中。我國現行的《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）對場地的分類使用的是雙指標法，其中的一個指標就是等效剪切波速；我國現行的《工程場地地震安全性評價（GB 17741—2005）》（中華人民共和國國家標準，2005）中關于地震輸入界面的確定和推薦的土層地震反應分析的等效線性化波動方法也規定要利用土層的剪切波速資料（張忠利，2007）；伴隨著現場波速測試技術的快速發展及日益廣泛的應用，在地震安全性評價、小區劃等工作中采用波速判別飽和砂土和粉土層地震液化的要求也日益強烈。

縱波結合橫波波速可以計算地基土的泊松比、剪切模量、彈性模量等力學參數，為土工設計提供計算參數（祝根龍等，1999）；利用水位上下土體縱波速度的顯著差異，還可以確定場地穩定水位。

本文收集了甘肅地區地震安全性評價和小區化實測原位波速資料，對發現的問題進行了分類說明，以期引起廣大工程人員的重視。

1 剪切波速測試方法

目前，剪切波速測試方法主要有鉆孔法和面波法。根據測試原理的不同，鉆孔法分為單孔法和跨孔法；面波法分為瞬態面波法和穩態面波法。以上各種方法都得到了廣泛的應用，有多種多樣的測試儀器在工程中使用。下面以國內幾種典型的波速測試儀為例，比較各種測試方法的差異，如表1所示（郭明珠等，2011）。

表1 剪切波速測試方法比較Table 1 Comparison of different testing methods of shear wave velocity

2 飽和黃土場地剪切波速測試的問題

以往的工程經驗顯示，同一土層波速一般都是沿著深度而增加，而黃土受飽和度增大會產生土體的軟化，波速減小（李啟鷂，1990；王蘭民等，2003）。而波速測試人員不能認識到這一特征，在數據處理時仍按照波速隨深度逐漸增大的經驗來分析數據，導致得出錯誤的結果。圖1—圖3是3個場地的典型鉆孔柱狀圖，水位以下標貫明顯減小，而波速結果還是依深度逐漸增大。

3 剪切波速測試結果過大

國內外的試驗研究資料表明，剪切波速VS與N63.5一樣均反映出土的軟硬和松緊程度，所以兩者之間存在著良好的相關關系。從已有的統計關系可以看出，剪切波速VS與N63.5服從指數相關關系，即VS=aNb，不同地區只是系數不同（王廣軍等，1986）。

圖4為蘭州市西固區天憬緣小區場地鉆孔柱狀圖，黃土松軟，標貫擊數不大于1擊，而波速測試結果卻高達152—239m/s。

圖5—圖7是天水小區化麥積區花牛鎮的波速鉆孔柱狀圖，ZK15黃土層相對于ZK16、ZK17的同一地層，標貫擊數相近，而從第一個測點波速258m/s就遠大于ZK16的142m/s和ZK17的92m/s。3個場地的沉積環境相同，地層依次都是黃土、圓礫、泥巖，顯然ZK15黃土層的波速測試結果過大。

圖8是天水小區化麥積區甘泉鎮的波速鉆孔柱狀圖，ZK26粉土層16—20m標貫擊數與上部相差不大，而波速幾乎增大100m/s。相同的情況還有ZK19和ZK21，這里不再贅述。

圖1 甘肅新嘉園廣場ZK16Fig. 1 Bore hole log of ZK16 at Gansu's new garden plaza

圖2 蘭州焦家灣糧庫ZK26Fig. 2 Bore hole log of ZK26 at Jiao Jia-wan granary

圖3 蘭州國資物業第四十佳園ZK24Fig. 3 Bore hole log of ZK24 at the 40th Housing area, State-owned property

圖4 蘭州天憬緣小區ZK15Fig. 4 Bore hole log of ZK15 at Tian Jing-yuan housing area

4 飽和場地縱波測試問題

對于飽和土，其孔隙中充滿了水。水在封閉的孔隙中承受壓縮時，表現了一種不可壓縮性，因此可以傳播壓縮波，水的壓縮波波速（Vp=1300—1500m/s）遠大于土的骨架傳遞的壓縮波波速（Vp=300m/s左右）。這種現象啟示我們，在飽和土中的壓縮波波速并不反映土骨架的彈性性質，而是水的性質，并且是一常數（石林珂等，2003）。

土的滲透性對孔隙水壓縮波速度影響很大，在滲透性很好的飽和土層中，孔隙水波速度最大可達到水中波速的 3倍；在滲透性極差的飽和土中，可接近或大于水中波速（陳龍珠等，1987）。在《黃土動力學》（王蘭民等，2003）第七章的蘭州1號探井描述中，黃土狀土飽和度大于80%，壓縮波速度即可達到1600m/s，并隨著飽和度增大不變。由于滲透性更好，飽和卵石層壓縮波速度應大于1600m/s。

圖5 天水小區化ZK15Fig. 5 Bore hole log of ZK15 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖6 天水小區化ZK16Fig. 6 Bore hole log of ZK16 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖7 天水小區化ZK17Fig. 7 Bore hole log of ZK17 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖8 天水小區化ZK26Fig. 8 Bore hole log of ZK26 from seismic micro-zonation of Tianshui city

在縱波的數據處理時，測試人員寧可不考慮實測縱波速度，而用經驗泊松比和實測剪切波速計算相應的Vp，結果導致波速測試出現很大的誤差。如果用實測的縱波數據，那么計算出的壓縮模量又非常高。劉旭等（1995）的研究結果給出了飽水砂土骨架波速的分析方法，但是該方法不適合粘性土。

根據Biot理論，飽和土中有兩種P波，即快P波和慢P波，分別是受孔隙水和土骨架特性控制的P波。但是目前這兩種P波的理論研究還有分歧（王立忠等，1995；陳龍珠等，1997；王立忠，1997），在工程上還沒有推廣，并且在波形處理上也困難重重。

圖9—圖11中水位以下的縱波速度都很小，顯然是測試人員用Vs估算的結果。設計人員進行土工設計時，務必要清楚Vp測試的現狀，通過正確的途徑來獲取壓縮模量和泊松比等參數。

5 結論

波速測試雖已很普遍，但是誤差較大，且不易控制?，F有的研究結果證實波速測試帶有主觀性，且干擾因素多，不同的人、不同的儀器、不同的時間對同一場地進行測試，結果都有可能不同。文中列舉的飽和黃土案例是因為測試人員沒有掌握黃土飽和軟化的特性，分析波形時帶有主觀性；剪切波速結果過大的案例，則是現場測試過程中的失誤；飽和土縱波測試案例，則主要是想說明飽和土縱波測試現狀，提醒設計人員通過正確的途徑獲取土性力學參數。

總之，要想得到準確的場地波速數據，首先在現場測試環節，要盡量減少和避免在測試過程中的干擾，還有就是多下功夫，仔細研究其他土性參數以及和鄰區的資料進行對比，積累理論和實踐經驗，這樣才能為工程設計和巖土地震災害預測提供準確的參數。