建筑場地懸掛式剪切波速測試及工程應用

劉飛

安徽建筑大學勘測設計研究院有限公司 安徽合肥 230022

土層的剪切波速是反映土體動力特性的重要參數，波速測試已被廣泛的應用在各種工程實踐中。工程場地常常是具有多層結構的非均質土體，為分析地基各土層的空間分層變化情況，確定巖土體動力學參數、判別地基的軟弱地層、劃分地基土的類型和建筑物場地類別，模擬計算場地土的地震反應情況等，都要利用土層的剪切波速資料。因此，剪切波速測試具有重要的實際工程意義。本文主要闡述目前較為先進的懸掛式波速測試方法技術及在工程中的應用。

1 懸掛式波速測試方法技術與傳統孔口木板敲擊法的對比

波速測試是以彈性理論為依據，主要測定各類巖土體的壓縮波或剪切波的波速，為場地地質評價提供依據。波速測試儀主要分為激發裝置和接收裝置兩部分，根據設計要求及工程現場的測試條件，常用的三種測試方式為采用單孔法、跨孔法或面波法進行波速測試。當前，在工程勘察行業中使用最為廣泛的單孔法，將利用放置到鉆孔中的傳感器接收到震源傳來的剪切波波信號到達時間即初至時間，來確定鉆孔所在處地層波速的一種方法。單孔法波速測試目前使用最廣泛的有兩種方法，一是較先進的懸掛式波速測試方法，二是傳統的孔口激振測試方法。

XG-Ⅰ型懸掛式波速測試系統主要由主機、井中懸掛式探頭及連接電纜等組成，現場工作示意圖見圖1。井中懸掛式探頭主要由全密封可防水的電磁式激振源、兩個獨立的全密封檢波器及高強度連接軟管等組成。當震源向井壁產生沖擊力后，沿井壁地層就有縱波和剪切波傳播，在鉆孔震源下方懸掛有兩個檢波器，當剪切波波傳播到檢波器位置時，通過鉆孔內泥漿耦合檢波器就可以把剪切波波的初至時間和振動波形轉換成電信號，由記錄儀器記錄下來。由兩道剪切波波的初至時間差可計算出兩道間地層的剪切波速值。

圖1 XG-Ⅰ型波速測井系統現場示意圖

孔口激振測試方法常采用測試時在地面激振，孔底接收，即為下孔法，自下而上逐點進行測試。測試鉆孔應盡量垂直，將聲波探頭或三分量檢波器放至孔內預定深度位置，并與孔壁貼緊。土層剪切波測試常用的振源激發裝置是尺寸為2000×300×50mm的木板，木板長度方向的中垂線應對準測試孔中心，與孔口距離宜為1-3m，其上放置大于400kg的重物。當用錘水平敲擊木板兩端時，木板與地面摩擦而產生水平剪切波，兩次相反方向的敲擊，可獲得極性相反的兩組剪切波形。剪切波測試應結合土層分布設置測點，測點的垂直間距可取1-3m，層位變化處應加密；當測巖體的壓縮波時，測點的垂直間距可取0.2-0.5m，且鉆孔內應有水。在每一個測點位置，應重復測試多次。現場測試示意圖見圖2。

圖2 孔口激振波速測試現場示意圖

懸掛式波速測試方法相較于孔口激振測試方法普遍使用的孔口木板敲擊法的優點明顯，其擺脫了笨重的地面敲擊震源、測試操作簡單、震源與檢波器距離固定并同時放入井口中、測值現場可直接顯示結果，工作效率提高明顯。

采用XG-Ⅰ型懸掛式波速測試系統現場測試時，把探頭放置在測定深度上,按激發后,則在儀器顯示屏1#區、2#區顯示接收到的原始波形，3#區顯示兩道原始波形的互相關函數曲線，4#區顯示各深度段的波速，5#區顯示深度和速度曲線。觀察1道、2道的波形曲線及3#區的相關曲線和4#區、5#區顯示的波速是否正常，異常情況下需要人工干預。如果波速值超出正常波速變化范圍,說明1道、2道信號不正常或3#區相關曲線極大值計算錯誤,分析原因采取有效措施,確保原始記錄準確可靠后,可將鼠標移動到該測點的兩道波形的初至（或同相位的波峰、波谷），讀取兩道波傳播的時間差，即可計算出波速。

2 剪切波速試驗的應用

剪切波速試驗主要用于：

2.1 地層的劃分

一般情況下，不同的地層具有可分辨的波速差異，利用波速的變化，可以得到各地層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。因此可以對鉆孔的地層劃分進行比對驗證，并確定地基的持力層。

2.2 研究土的工程性質

除直接用剪切波速描述土的工程性質外，還可與其他物理力學參數的關系計算工程上常用的工程性質指標，如楊氏模量、剪切模量與泊松比等。

2.3 為抗震設計提供參數

劃分場地類型和場地土類別，判別地基土液化可能性，研究地基振動特性等。

2.4 劃分巖石風化層

當巖石風化后，因其組織結構被破壞，礦物成分發生變化，裂隙發育，巖體破碎，造成其波速降低。根據其波速的不同，即可劃分巖石的風化程度。

3 某工程場地剪切波速測試成果

3.1 概況

皖北某擬建住宅小區規劃為高層住宅小區，共10棟高層。由我們進行巖土工程詳勘工作。本次波速測試工作目的主要是對建筑場地進行場地土類型和場地類別的評判，同時驗證鉆探土質分層的合理性，共完成10個鉆孔460米厚地層剪切波速的測試工作，其中6個孔測試深度均為30m，4個孔測試深度均為70m。測試工作依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010，2016年版）及《地基動力特性測試規范》（GBT50269-2015）中的有關規定進行。

3.2 測試成果

現場共對10鉆探孔進行了土層S波波速測試，孔號分別為xk2、xk28、xk56、xk77，測點間距為1m，測試孔深70m；孔號xk7、xk13、xk31、xk46、xk59、xk71，測點間距為1m，測試孔深30m。為了保證波速測試精度，測試中對有干擾的異常點進行重復觀測。通過對每測點上下檢波器（間距1m）獲得的記錄數據的互相關計算分析，確定兩檢波器間S波傳播延遲時間，并計算每個測點的S波速度，并繪制成果圖，如該場地的xk2孔剪切波速測試成果見圖3。

圖3 xk2孔剪切波速測試成果圖

3.3 成果應用

（1）各測孔20米深度范圍內等效剪切波速為：

土層等效剪切波速按下式計算：

式中：vse---土層等效剪切波速（m/s）；

d0---計算深度（m），取覆蓋層厚度與20m二者的較小者；

t---剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間；

di---計算深度范圍內第i層的厚度（m）；

vsi---計算深度范圍內第i層土的剪切波速（m/s)；

n---計算深度范圍內土層的分層數。

（2）據表1，該場地等效剪切波速在146m/s-179m/s之間，平均值為170.5m/s，為中軟場地土；由于場地覆蓋層厚度均大于50m，依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010，2016年版）（以下簡稱“抗規”）中第4.1.6條規定，該建筑場地類別屬于Ⅲ類。經抗規附錄A查詢，得擬建地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組。依據抗規第5.1.4條，場地特征周期為0.45s。

表1

4 結論

剪切波在土層中的傳播速度是反映土的動力特性的重要參數，根據剪切波速度可進行地層劃分和場地類別判別等。懸掛式波速測井法可以準確的進行地層劃分和場地類別判別，將振源和檢波器同時放入鉆孔中，擺脫了笨重的地面敲擊震源，實現了波速測試設備的輕便化，提高了波速測試的精度。利用XG-Ⅰ型懸掛式波速測井儀進行波速測試具有操作直觀、快速、準確、簡便的優點，已成為工程勘察中的一種重要技術手段。