波速測試及其在建設工程抗震設計中的應用

黃強

(中國建筑材料工業地質勘查中心四川總隊,四川 成都610052)

隨著人們生活水平的提高,開始追求高舒適度的現代化居室,出于對建筑物的安全考慮,其抗震設計越來越受到重視。因此,在工程建設中都離不開地震效應評價。波速測試是目前進行場地地震效應評價中最常采用的技術之一,其成果資料可以用于劃分建筑場地土類別、場地類別、判別砂土液化等,并以此作為抗震設計的依據之一。

1 方法介紹

波速測試是巖土工程勘察的一種原位測試方法,用于測定場地內各類巖土層的壓縮波、剪切波的波速值,測試方法分為單孔法、跨孔法或面波法(各測試方法對比見表1)。由于單孔法測試裝置簡單且測試效率高、成本低,故在實際工作中一般采用單孔法。通過錘擊木板,使木板與地面發生錯動,產生剪切波,并在鉆孔內不同深度接收向下傳遞的剪切波。通過計算獲取各地層的地震波傳播時間和相應的接收深度,即可計算出各地層波速值。

表1 波速測試方法對比表

2 現場工作要求

對于單孔法,采用地面激發彈性波,孔內三分量檢波器接收的方式進行測試。(如圖1)

圖1 單孔波速測試示意圖

2.1 震源裝置及激發

剪切波震源:單孔法震源可采用爆破、彈簧式S波、敲擊木板等方法。其中最常用的是敲擊木板,即采用正反向錘擊木板的方式激發,要求孔口與木板中心連線與模板長邊垂直,孔口與木板的間距宜為1m到3m之間；壓板重物不宜小于500kg,使木板和地面耦合良好。縱波震源:要求激發能最大和重復性好,常用的是用重錘錘擊放在地表的圓鋼板,以產生縱波。

2.2 接受裝置

孔內探頭采用三分量檢波器,其中一個垂向檢波器接收壓縮波,另外兩個水平檢波器接收剪切波。一般采用氣囊式或彈簧式裝置使探頭緊貼孔壁,測點間距一般為1m,自下而上進行測量。

2.3 現場波形判別

在現場工作中應對采集到的波形鑒別,確保采集到的有效。應根據剪切波和壓縮波的特點把它們區分出來,區分的方法常有以下兩種:

(1)壓縮波速度較快,同一深度的壓縮波總是先于剪切波到達。

(2)壓縮波能量少,因此振幅較小；剪切波能量大,振幅高。且剪切波是正反兩個方向激發,這兩個方向錘擊獲得的剪切波相位應相差180°,而壓縮波即使正反敲擊其相位不變。(如圖2)

圖2 正反向錘擊波形圖

3 數據處理

3.1 巖土層的層速度計算

讀取各測點縱波、橫波(剪切波)的初至旅行時間t,按下式進行校正:

利用校正后的各測點時間,按下式計算:

即得到第i測點與第i+1測點間的速度。

3.2 等效剪切波速計算

等效剪切波速計算時應首先確定計算深度,現行主要建設工程行業規范中主要分為兩種計算方法,現將建筑、水工建筑、公路橋梁、鐵路工程等規范相關規定總結如下:

3.2.1 確定計算深度

3.2.1.1 根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010(2016年版)、《水工建筑物抗震設計標準》GB51247-2018、《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01-2008中規定,等效剪切波速計算深度為場地覆蓋層厚度,一般情況下,將剪切波速大于500m/s且其下臥各巖土層的剪切波速均不大于等于500m/s的土層頂面的至地面的距離作為覆蓋層厚度。特殊情況按相關規范執行,如地層中存在孤石、透鏡體、火山硬夾層等情況應按規范規定計算。3.2.1.2 根據《鐵路工程抗震設計規范》GB50111-2006(2009年版)中規定,等效剪切波計算深度,應取地面或一般沖刷線以下25m,并不得小于基礎底面以下10m。

目前，操作模式優化相關概念在很多學科中被廣泛提出并應用。桂衛華等[1]在銅閃速熔煉領域定義了操作模式優化的相關概念，提出了一種操作模式優化的方法。復雜工業過程的數據主要包括：輸入條件、狀態參數、操作參數以及工藝指標[3- 4]，對于紙漿洗滌過程，數據可描述如下。

3.2.2 計算場地等效剪切波速

4 工程應用

4.1 砂土液化判別

根據《巖土工程勘察規范》GB 50021－2001相關規定,當采用剪切波速判別地面下15m范圍內飽和砂土和粉土的地震液化:當實測剪切波速大于按下式計算的臨界剪切波速時,可判為不液化。

4.2 場地土類型和場地抗震地段劃分

4.2.1 場地土類型劃分

根據《建筑抗震設計規范》規定,由各巖土層的剪切波速vs并結合各巖土層的物理力學性質,判別各巖土層的場地土類型:vs>500,為堅硬土或軟質巖石；500≥vs>250,為中硬土；250≥vs>150,為中軟土；150≥vs,為軟弱土。

4.2.2 場地抗震地段劃分

地震區選擇建筑場地時,應劃分對建筑抗震有利、不利、危險的地段,其中規定:堅硬或開闊平坦、密實均勻的中硬土有利地段劃分為有利地段；軟弱土,液化土劃分為不利地段；因此場地內各巖土層的場地土類型、是否為液化土是作為抗震地段劃分的重要依據之一。

4.2.3 劃分抗震地段的工程意義

地震作用破壞建筑結構時,地震作用對結構造成直接破壞因素,此外還有場地條件的原因,所以選擇抗震有利地段,是減輕因場地原因引起的地震災害首要步驟。規范規定抗震設防區的建筑工程場地宜設置在抗震有利地段,抗震不利地段應避開,并不建設在危險地段。

4.3 場地類別劃分及其工程意義

4.3.1 場地類別劃分

根據《建筑抗震設計規范》4.1.6 規定,采用由剪切波速值確定的場地覆蓋層厚度和場地等效剪切波速綜合判定場地類別(表2)。

表2 各類建筑場地的覆蓋層厚度(m)

4.3.2 劃分場地類別的工程意義

4.3.2.1 設計特征周期Tg的確定

根據《建筑抗震設計規范》5.1.4 條,設計特征周期Tg應按設計地震分組、場地類別查表確定(表3)。

表3 特征周期值

設計特征周期Tg后,是確定建筑結構地震影響系數參數之一,結構地震影響系數又是是建筑結構總水平地震作用標準值的計算參數。

4.3.2.2 抗震設防烈度調整依據

根據《建筑抗震設計規范》3.3.2 條及3.3.3 條規定:應根據建筑場地類別,擬建建筑的抗震設防類別調整抗震設防烈度采取抗震構造措施。如Ⅰ類建筑場地,抗震設防烈度為6度以上的丙類的建筑,采取抗震構造措施應允許按本地區抗震設防烈度降低一度的要求。Ⅲ、Ⅳ類建筑場地,對設計基本地震加速度為0.15 g和0.30 g的地區,規范中另有規定,采取抗震構造措施時宜分別按抗震設防烈度8度(0.20 g)和9度(0.40 g)時各抗震設防類別建筑的要求執行。

5 結論

通過以上論述可知波速測試在巖土工程勘察中是一種常用的測試方法,其具有工作效率高、資料處理快速,成本較低的特點。波速測試獲得的場地內各巖土層的剪切波速vs、場地等效剪切波速vse,可以作為場地砂土液化判別的手段之一；是場地土類型劃分、場地類別劃分、確定設計特征周期和建筑抗震設防烈度調整的依據。因此波速測試成果的準確性,關系到建設工程抗震設計的安全性、合理性。物探技術人員應在現場按規定布設激發、接受裝置；保證采集到有效的壓縮波、剪切波,并正確判讀的初至位置,獲取真實波速值。