淺談波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用

■謝為江 ■江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029

1 波速測試技術簡介

(1)工作原理。在波速檢測技術中常用的是單孔檢層法，另一種跨孔法由于檢測比較繁瑣，因此很少采用。單孔檢層法需要垂直方向鉆一個孔，然后在這個孔中進行測試，測試方法分為很多種，最常用的是地表激發孔中接收法，其他的如孔中激發地表接收法、孔底法都不經常被采用。通常采用地表激發孔中接收法進行實際測量，從地面激發產生的彈性波，再由孔內的檢波器接收。因為這種波的傳播途徑和天然地層的巖土由下向上的傳播相似，因此采用這用方法對地層進行分析。當地面震源進行正反向激發時，產生的是S 波，在孔口附近垂直激發時，產生的是P 波，S 波和P 波具有不同的特征。第一，P 波比S 波的傳播速度快;第二，越往鉆孔的深處，P 波振幅越小，頻率越高，S 波與之相反，振幅大，頻率低;第三，在進行水平激發時，P 波相位不變，而S 波反向。根據以上特點，可以很清楚的將兩種波區分開。

(2)測試方法。在進行現場測試時，首先要做好準備工作，準備好激振板，將場地收拾平整，然后將激振板置于距井口大約1.5 米處，注意要使木板的中垂線與井口的中心吻合。為了使木板與地面緊密接觸，要在木板上壓上重物，這樣能夠使測量結果更加精確。準備工作做完之后，敲擊木板兩側，以激發S 波，多敲擊幾次以得到清晰的S 波，之后垂直敲擊鐵板，獲得P 波。將檢波器置于孔中，不要太淺，要有一定的深度，接收震源的彈性波信號，并將信號傳輸給地震儀，地震儀會自動記錄數據并儲存，最后進行數據的分析與處理。在進行測量時要注意以下問題。首先，要根據實際情況進行地質分層，測量點布置的不要太密，也不要太疏，大概1 到3 米布置一個，測量時要按照自下而上的順序。其次，在S 波測試時，要沿著木板的縱軸方向擊打木板的兩端，產生極性相反的兩組S 波。再次，在進行P 波測試時，采用擊打金屬板的方式，如果這種方式產生的激振能量不足的話，可改用落錘或者爆炸的方式。最后，所有的測試不能只進行一次，要對部分測點進行重復測量，以保證測量結果的準確性。

2 應用實例

(1)判別地層類型、場地類型和卓越周期。以某電排站的改建為例進行介紹，該電排站位于鄱陽湖附近，對場地的地層進行勘察得知，最上面的為素填土、粉砂、粉土，再往下是淤泥質粉質的黏土、粉質的黏土，最下面是強風化云母片巖石。為了建成抗震級數較大的電排站，采用波速測試的方法，首先判斷場地的地層類型、場地的類型等。采用單孔檢層法，根據建筑抗震的設計規范，對場地的類型進行判斷。首先鉆兩個孔，測得它們的S 波波速分別為206 米/秒、203 米/秒，相對應的覆蓋層厚度為28 米和30 米，根據這些數據判斷出此電排站場地的地層類型為中軟土，場地類別是Ⅱ，根據計算公式確定場地的卓越周期分別是0.3883 秒和0.3941 秒。而對兩個孔進行實地測量，采用地脈動法所得結果分別為0.3867 秒和0.3927 秒，實際測量結果與由公式計算的結果相比較，結果相差不多，數據比較吻合。由此可知，根據這種方法來確定的地層類型，場地類型和卓越周期是準確有效的。

(2)采用波速法計算巖土的工程動力參數。根據實地測量的S 波和P 波的彈性波速，利用相應的公式即可計算巖土的工程動力參數。類似于如下的公式:

其中μ 表示泊松比，VP壓縮波速度，VS表示剪切波速度，單位均為米/秒。上述電排站的工程，要對其抗震的穩定性進行驗算，利用波速法測定各地層的彈性參數。根據單孔檢層法測量的數據如下:全風化云母片的測試深度為3.5 米，剪切波的平均速度為337 米/秒，壓縮波的平均速度為686 米/秒;強風化云母片的測試深度為12 米，剪切波的平均速度為646 米/秒，壓縮波的平均速度為1279 米/秒;中風化云母片的測試深度為20 米，剪切波的平均速度為1330 米/秒，壓縮波的平均速度為2500 米/秒;微風化云母片的測試深度為25 米，剪切波的平均速度為1868 米/秒，壓縮波的平均速度為3320 米/秒;未風化云母片的測試深度為30 米，剪切波的平均速度為2442 米/秒，壓縮波的平均速度為4130 米/秒。由以上數據即可計算出巖土的彈性動力參數。

(3)巖土承載力基本值的估算。在這個項目中計算巖土承載力基本值的使用的是剪切波速法。通過大量的實踐經驗得出巖土的承載力基本值與剪切波速值存在一定的比例關系。淤泥巖土層的剪切波速值為60～80 米/秒，對應的承載力基本值在3～4t/m2;巖土為淤泥質軟弱土的剪切波速值為100～130 米/秒，它對應的承載力基本值為7～9t/m2;軟塑粉質粘土、粉土和松散砂組成的巖石的剪切波速值為140～180，其對應的承載力基本值在9～12 范圍內;軟塑粉質粘土和稍密中細沙的巖土中的剪切波速值為200～220，巖土對應的承載力在14～16之間;硬塑粉質粘土和中密中粗砂組成的巖土中的剪切波速值為250～280，承載力基本值為18～21;硬塑粉質粘土、密實中粗紗、礫砂軟質巖全風化層構成的巖土中的剪切波速值為300～360，對應的承載力基本值為24～28;由密實中粗礫砂、礫砂、全風化巖硬質巖全風化層的巖土層中的剪切波速值為400～450，對應的承載力基本值為24～28;最后，強風化巖的剪切波速值大于500，其對應的剪切波速值大于40。

(4)砂性土的地震液化式判別。砂性土的地震液化式的判別是根據地震的基本烈度Ⅶ判定，對場地在15 米的深度范圍之內的砂性土巖層進行判別。其中判別的過程是根據《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)號規范來確定。并通過標準中規定的公式計算臨界剪切波速值，當場地砂性土層的剪切波速的實測值大于由公式計算所得的剪切波速的臨界值時，就判定砂性土層不液化。

通過對這個項目的場地進行實地的考察和分析，通過上文的判別方式對項目的砂性土層進行判別。得出孔深在5.0～8.7 范圍內的巖性土層為粉砂，剪切波速值的實測值為170～176，臨界值在115～143范圍內，所以液化式的判別結果為部分液化，其余孔深判定為不液化。所以通過判定，在場地的15 米深度的范圍內，粉砂層的剪切波速值的實測值小于臨界值，所以為部分液化土層;粉土層的剪切波速值的實測值均大于臨界值，所以判定為不液化土層。

3 總結

通過以上實例可以看出波速檢測法，尤其是單孔檢層法操作簡單，工作效率高，在巖土勘探方面得到了廣泛的應用，在測試的過程中注意測試儀器和震源方式的選擇，從而保證測量結果的準確性。

［1］周昌賢，鄭邵鵬.波速測試在工程場地判別的應用［J］.價值工程，2012，31(26):51 -52.