波速測試技術在巖土工程勘察中的應用

楊振杰

1 引言

剪切波波速是描述土體工程性質的一項重要指標，可反映巖土的動力學特性，為建筑場地類型劃分、場地卓越周期計算、地基土液化判斷等等提供可靠參考。隨著我國工程建設事業的不斷發展，不少現行規范對重要的建筑結構明確提出了測試剪切波速度的要求，由此加強波速測試技術的相關研究具有重要意義。

2 剪切波速概述

剪切波屬于是彈性波，在不同介質中的傳播速度存在差異，由此通過波在巖土體的傳播速度研究不同土類性質具有可行性。剪切波速測試基本原理為利用彈性波在介質中傳播速度與介質的動剪切模量、動泊松比、動彈性模量等的關系，測定剪切波的傳播速度，求出動彈性參數。

隨著我國的經濟發展，大量的基礎設施建設中剪切波速測試均發揮了重要作用，如：《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）要求，建筑場地劃分需結合場地剪切波速、覆蓋層厚度得出；《工程地質手冊（第四版）》中列舉了剪切波速在工程中的其它運用，包括判斷沙土液化、計算場地的卓越周期、抗震設計以及地震危險性分析等。由此可得，工程實踐中剪切波速是重要的巖土體參數，也是巖土工程勘察中必須提供的動力學參數。

3 巖土工程勘察中常見的幾種波速測試技術

目前在工程實際中測試波速的方法主要有兩種：面波法和鉆孔法（單孔法、跨孔法），在巖土工程勘察時，可根據實際情況合理選用上述幾種方法。

3.1 鉆孔法

（1）單孔法

單孔法波速測試方法為地面激振、孔中接收（圖1）。測試剪切波速時，激發器產生SH、SV波，接收器主要采用三分量檢波器，為保證接收效果，需借助氣囊等裝置令其緊貼孔壁。

單孔法操作簡單、精度較高，同時測試費用較低，因此實際工程測試中主要以單孔法最為常用。

（2）跨孔法

跨孔波速測試方法，需將3個孔排成直線，1個孔內放入振源激發器（不同深度激發振動產生剪切波速），其余2孔負責接收（同一深度傳來的）剪切波，根據波傳播距離、時間計算剪切波速。

圖1 單孔法波速測試示意圖

跨孔法適用于場地內鉆孔多、地面平坦、土層分布較均勻的場地，測試深度大，可測定測定地層中的軟弱夾層的剪切波速值，但是此方法操作相對復雜，對場地條件要求高，測試費用偏高。

3.2 表面波測試法

表面波的測試對象是瑞雷波（R波），因此也稱為是瑞雷波測試技術，其是在無需鉆孔的情況下測試層狀介質的彈性波速，具有無損、快速的特點，無論在初步勘察階段用于宏觀劃分力學性質差異明顯的地層、構造，或在詳細勘察階段詳細描述基巖埋深、填土厚度等的變化趨勢的工作中均具有顯著優勢。

根據振動激發方式的不同，瑞雷波測試技術主要分為瞬態振動法、穩態振動法兩種，前者以錘擊、爆炸等方式產生一定頻率范圍的瑞雷波，后者則是激振器發射固定頻率的瑞雷波，多道瞬態瑞雷波技術是目前瑞雷波勘探技術發展的趨勢，并被廣泛應用于巖土工程及其它應用領域中。

4 實例探析波速測試技術在巖土工程勘察中的應用

4.1 工程概況

本文僅以某城區建筑工程項目為例，具體分析了波速測試技術的應用情況。此建筑工程項目為查明地質情況，布置了3個鉆孔，開展剪切波速測試，由此判斷場地土類型、場地類別，現僅已以ZK1鉆孔說明剪切波速測試技術在建筑場地評價中的應用。

4.2 剪切波速測試情況

鉆孔ZK1深度18.7m，剪切波速測試結果如表1所示。

圖2 剪切波速測試結果表

4.3 測試結果分析

（1）場地土類型判斷

場地土類型判斷的主要依據是土的剛性，其主要是通過剪切波速Vs表示，由此可參考《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）中的表4.1.3進行劃分，由此可得：

①深度 0～5.9m 為素填土，剪切波速 Vs＜150m·s-1，軟弱土；

②深度5.9～8.2m為粉質黏土，剪切波速Vs為150～250m·s-1，中軟土；

③深度8.2～16m為砂巖，剪切波速Vs為500～800m·s-1，堅硬土或軟質巖；

④深度 16～18mm 為砂巖，剪切波速 Vs＞800m·s-1，巖石。

（2）場地類別劃分

場地類別劃分首先需確定覆蓋層厚度，其定義為地表面到基巖面的距離，可參考《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）判斷：剪切波速Vs＞500m·s-1且下面無明顯軟弱夾層時，其埋置深度為覆蓋層厚度。

結合剪切波速測試結果可得，剪切波速度Vs＞500m·s-1的深度最淺為9m，覆蓋層厚度約9m，由此計算得到Vse=138m·s-1，參考《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）中的表4.1.6可得該建筑場地類別為II類場地。

5 結語

綜上所述，剪切波速是巖土工程勘察的重要指標，運用便捷有效的方法準確測定巖土體的剪切波波速是工程建設的必然要求。目前，我國波速測試技術主要有單孔法、跨孔法、表面波法三種，各有優缺點，應根據工程實際場地條件、勘察需求進行合理選擇，確保勘察結果準確，為后續施工作業的順利實施奠定堅實的基礎。

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