聲波測試及場地剪切波速測試方法及其應用

黃志芳，鄧曉斌

聲波測試及場地剪切波速測試方法及其應用

黃志芳1，鄧曉斌2

（1.江西省煤田地質勘察研究院，江西南昌330001；2.江西水利職業學院，江西南昌330013）

聲波測試和剪切波速測試是在工程勘察中常見的應用方法，聲波測試可以通過獲得巖體和巖塊的縱波速度求得地層的完整性，從而評價建筑場地類別；而剪切波速是反映土的動力特性的重要參數，根據剪切波速能抗震設計提供場地土的動力參數，從而可以劃分建筑場地類別、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。

聲波測試；剪切波速測試

1 方法介紹

聲波測試是通過測量聲波在巖體中傳播的速度來反映巖體物理特性。聲波在井內流體（耦合介質）、井壁巖層中的傳播，屬彈性波在彈性介質中的傳播過程。由聲波儀記錄下的聲波傳播波形、傳播速度，從廣義聲學信號的角度來看，已攜帶了大量的巖石物理信息，從原理上說，同一種巖性，聲波傳播速度高，表明巖體的性狀好，反之較差。同一種巖性不同的風化帶，強風化帶巖體聲速要低于弱風化帶和新鮮基巖的聲速。

野外測試采用了武漢沿海研發的非金屬超聲波探測儀及基樁動測儀。非金屬超聲波探測儀的測孔分析，即為超聲法鉆孔孔壁縱波波速測試分析，通過專用一發雙收換能器在鉆孔中進行測量獲得巖體的縱波速度（圖1）；而另一參數——巖塊的彈性縱波波速，采用對測法，即取鉆孔中膠結致密且裂隙不發育的巖芯作為測試巖樣，并將巖芯兩端修平，然后將平面換然器（平面探頭圖2）用牙膏或黃油固定在巖芯兩端，通過聲波儀接收聲波沿一定長度巖樣傳播波動時差及量取的巖樣長度可求得巖石的彈性縱波波速。

剪切波速測試是巖土工程勘察項目中最基本的測試項目之一，可確定與波速有關的巖土參數，進行場地類別劃分，為場地地震反應分析和動力機器進行動力分析提供地基土動力參數，檢驗地基處理效果等方面應用的。測試結果用途廣泛，可用于計算巖土各類動力參數；計算地基剛度和阻尼比，劃分建筑場地抗震類別和安全性評價等。目前主要有單孔法、跨孔法及瑞雷波法，三種方法各有優缺點，目前工程上主要應用單孔法進行剪切波速測試。

剪切波速測試野外工作則采用巖海公司生產的基樁動測儀，通過由三個互相垂直的速度檢波器組成的三分量檢波器（圖2），分別接受來自不同方向的振動，即可分別接收縱波和橫波。

2 實際應用野外工作

某場地擬建一火力發電廠，按照規范要求，需對場地工程地質評價和抗震設計提供依據。針對目的任務，分別針對5個典型鉆孔進行波速測試及剪切波速測試工作。

圖1 一發雙收探頭

圖2 平面探頭

聲波測試野外工作時程序較簡單：首先在需要測試的鉆孔中注水，用水或井液作耦合劑；檢查儀器、換能器是否能正常工作；然后將探頭放入孔底，記下孔深；接好儀器。本次測試工作選用20cm的測點距，每隔20cm測試一次。這步工作測試的是鉆孔中心0.4m范圍內鉆孔孔壁介質的聲速，即Vpm。

由于野外進行波速測試時一般為剛打完鉆孔，野外取芯試樣一般淺部和深部各取一塊，盡量膠結致密且裂隙不發育，待帶回試驗室將兩端修整平后及時用平面探頭測得巖塊縱波速度Vpr。

剪切波速測試野外工作條件要求較復雜：首先要平整場地，放木板，木板上方需壓500kg重物或用汽車兩前輪壓住。接通儀器電源，測試儀器正常后開始試驗。橫波的激發用鐵錘敲擊激振板一端，為了確保橫波可以清晰辨認，通常要求在木板兩端進行正反兩次敲擊，由于兩次敲擊的方向不同，橫波將呈現相位倒轉的現象，而縱波的相位一般不變的，從而可以將縱波和橫波區分開來（見圖3）。

3 應用分析

武漢巖海非金屬超聲波測試儀配備了專用的聲波測試分析軟件，聲波測試為其中的測孔分析，根據軟件使用說明，將野外獲得的數據進行整理，得到每個測點的縱波速度（見圖4）。

根據工勘資料，獲得各層的平均速度。后期巖塊速度Vpr

圖3 剪切波速測試原始成果

圖4 聲波測試成果表

測得后，即可根據公式（1）計算巖體的完整性指數Kv：

式中：Vpm、Vpr——巖體及巖塊的彈性波縱波速度（m/s）。根據巖體完整性指數可劃分巖體的完整程度。

表1 巖體完整程度分類

剪切波速測試使用的是武漢巖海專門研發的剪切波分析程序，通過該軟件可得到測點的橫波速度，輸入詳細的工勘資料，則可得到直觀的土層對應的各層波速關系。

圖5 剪切波速測試成果圖

剪切波速主要用于劃分建筑場地類別，而建筑場地類別的劃分還與覆蓋層厚度有關。根據 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），建筑場地覆蓋層厚度的確定，應符合下列要求：

（1）一般情況下，應按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。

（2）當地面5m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可按地面到該土層頂面的距離確定。

（3）剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應視同周圍土層。

（4）土層中的火山巖硬夾層，應視為剛體，其厚度應從覆蓋土層中扣除。

Vse為土層等效剪切波速度，其計算公式如下：

上式中：

d0——計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；

t——剪切波在地面到計算深度之間的傳播時間；

di——計算范圍內第i土層的厚度（m）；

Vsi——計算深度范圍內第i土層的剪切波速（m/s）；

n——計算深度范圍內土層的分層數。

表2 鉆孔等效剪切波速度及覆蓋層厚度

本次測試的五個鉆孔中，有四個鉆孔的地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離均小于20m，則其計算深度按d0取，而ZK214號鉆孔其d0厚度大于20m，所以，計算深度取20m。

由此得到的土層剪切波速度Vse根據建筑場地類別判定標準表進行場地類別劃分。

表3 建筑場地類別判定標準（m）

根據表3，本次測試的五個鉆孔所處地段的建筑場地類別為Ⅱ類。

4 總結

聲波測試及剪切波速測試為工程物探人員接觸最多的波速測試項目，主要是通過計算巖體的完整性指數Kv值來劃分巖體的完整程度以及進行場地類別劃分。野外工作中波速測試操作簡單，鉆孔完后立即測試準確度較高；剪切波速測試對場地要求較高，測試要求較嚴格，精度相對較低。

P631.81

A

2095-2066（2016）33-0115-02

2016-11-12

黃志芳（1985-），女，物探工程師，碩士研究生，主要從事物探方面工作。