巖土工程勘察中波速測試技術的應用

杜永兵

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

波速測試技術作為地質勘探工程當中的重點項目有著較好的應用效果，多用于水利、鐵路以及建筑工程項目的巖土勘察當中。借助波速測試技術通過對于壓縮波、剪切波等的測定，能夠實現對于場地土質類型、承載力等方面的評估和分析，為后續工程項目的實施提供可靠參考，提高工程項目建設質量。因此，加強對于波速測試技術的應用研究和探討是十分必要的。

1 波速測試技術原理

波速測試的過程中會對固體介質產生一定沖擊作用，并由此使介質發生應變，當應力作用消失后，會導致應變與應力之間的平衡被打破，使得應變表現為彈性波，不同的波在介質當中的傳播速度和方式存在較大差異，通過對波的分析能夠實現對于巖土性質的分析，并為后續巖土工程的設計提供可靠參考[1]。

2 波速測試技術應用方法

2.1 鉆孔法

鉆孔法主要包括以下兩種方式。

（1）單孔法。主要是通過垂直鉆孔的方式展開波速測試。主要是通過地面激振，使得介質出現應變，然后再通過孔內的接收裝置進行檢測。在進行剪切波速測試的過程中，需要在地表安裝激發器，然后通過垂直敲擊以及兩端敲擊的方式，使得激發器發出S波（剪切波）和P波（垂直波），以供接收器接收，其中P波的傳播速度通常較快，而且隨著檢測點的加深，P波的振動幅度會逐漸降低，而S波的振幅則會隨著孔深的增加逐漸增大，但是頻率會有所減小，而且S波的傳播速度與P波相比較慢，當激發S波時，P波相位通常不會出現較大變化。常用的接收器為三分量檢波器。單孔波速測試的主要優勢在于操作簡單、便捷，檢測效率較高。而且測試結果相對較為準確，相應設備器材的成本也較低。

（2）跨孔法。通過在待測區域內設置3個孔，并將其按照直線排列方式設置在巖土當中，其中孔1負責安裝振源激發器，而另外兩個孔主要負責接收剪切波。在實際進行檢測的過程中，通過對波傳播距離、速度以及時間的分析和計算，進一步明確剪切波速，以此完成相應檢測。跨孔法檢測方式主要被用在地面較為平坦，并且土層分布相對均勻的區域當中。而且跨孔法的檢測深度相對較大，能夠實現對于軟弱夾層的分析。但是與單孔法相比，跨孔法相對較為復雜，對于場地地質有一定要求，而且實際應用成本相對較高。

2.2 表面波測試法

表面波測試法主要是對于瑞雷波的測試分析，在實際應用的過程中，無須進行鉆孔處理，就能夠實現對于層狀介質彈性波速的監測，而且檢測過程相對更加便捷，不會對巖土造成影響和破壞。基于不同的振動激發方式，表面波測試法主要可以劃分為瞬態振動以及穩態振動兩種[2]。

3 波速測試技術在案例中的應用分析

3.1 工程概況

本文以嶺澳三期核電項目邊坡工程及場地回填巖土工程勘察為例，針對其中波速測試技術的應用要點展開詳細探討。案例項目所在場地位于廣東省深圳市大亞灣西海岸大鵬半島東南側，靠山面海，北側為山地丘陵，西面緊鄰嶺澳核電站3、4機組，中間有嶺澳核電站專用道路和東排洪溝相隔，東南面瀕臨大亞灣大鵬澳海區，規劃建設2臺百萬千瓦級核電機組，技術路線按融合后的“華龍一號”考慮。但是由于近年來施工影響，廠址區東北側已經形成了部分人工開挖邊坡，東南側進行了回填（填海），形成了部分人工填方邊坡，為確保場地符合工程建設以及施工圖設計要求，需要進一步展開巖土工程勘察工作。為獲得工程區域地基巖土物理力學特征，采用了單孔波速測試技術。

3.2 測試參數

根據實際勘察目標，單孔波速測試的主要目的是對掩體的動態參數進行檢測，主要參數包括壓縮波速度、剪切波速度、動彈性模量、動剪切模量和動泊松比等[3]。結合案例工程實際情況，合理進行測點設置，確定探測深度。在彈性波信號傳播到地震儀之后，地震儀能夠對相應信號進行自動記錄和存儲，然后對其進行分析處理。此次單孔波速測試孔分別為LB44、LB49、LB58，測試起點深度均為0m，終點深度分別為74m、34.5m以及33m，測試段總長度為141.5m；壓縮波測點個數分別為75、36和34，剪切波測點個數分別為150、72和68，總測點個數為435個。

3.3 試驗儀器

結合勘測工程實際需求，此次單孔波速測試的主要應用設備為一臺StrataView R24數字化信號增強型淺層地震儀，以及一套CJ-2000A型三分量井下探頭。其中地震儀是由美國Geometrics公司生產，共有24道地震信道，具備數據采集、實施數字濾波等功能，通頻帶區間為1.75Hz～20kHz，采樣間隔可選范圍為從20.0μs到16ms，采樣點數可設置在128～32768之間，并具備計算機控制功能。下探頭是由南京高旺電子儀器廠生產，每個探頭包括X、Y、Z三個分量，振動系統的自然頻率為28±1Hz，靈敏度為0.28V/cm/s，線圈直流電阻區間為400～450Ω，在20～200Hz內的相位一致性不超過3°，線圈與外殼之間的絕緣在100MHz以上，檢波器之間夾角三個分量互為90°。

在進行檢查工作開始前，分別對地震儀以及井下探頭進行檢查，確保儀器設備性能穩定且處于正常工作狀態，能夠滿足實際檢測需求[4]。

3.4 試驗步驟

根據實際檢測目標和相關標準要求，設定此次測點之間的距離為1m，檢測工作自上而下展開，為保障檢測結果的準確性以及有效性，每個檢測點都需要從垂直方向、水平方向以及水平反向激發三次，并且每次激發都需要接受四道。主要采集的信息為每間隔0.125ms采樣一次，并記錄長度256ms。

在實際進行波速檢測的過程中，為保障檢測結果的準確性，需要先對檢測場地進行處理，確保檢測場地平整、干凈，然后進行激發器的安裝和設置，通常將激發器設置在距離鉆孔1.5m左右的位置，為保障檢測效果，還需要對激發器的中垂線進行校正，確保其符合技術應用標準。在進行激發器安置的過程中，為保障設備的穩定性，可在激振板上添加重物，以此保障測試結果的準確性。然后將相應檢波器安置在孔內指定檢測位置當中，通過梁端敲擊以及垂直的方式，獲得S波以及P波，由檢波器進行接收，再將接收到的彈性波信號傳輸給到地震儀，由地震儀記錄并存儲相應數據信息。在實際進行檢測的過程中，若發現激振能量較弱，無法滿足試驗要求時，可結合實際情況通過落錘甚至是爆破的方式激發P波。

3.5 數據處理

在數據采集完畢之后，需要對相應數據進行記錄并進行處理。并根據讀取的各測點初至時間，計算分層波速，分層波速計算公式如式（1）所示。

式中：V——巖土層層速度，m/s；H2、H1——層底和層頂深度，m；D——激振點中心至測試鉆孔孔口中心的水平距離，m；t2、t1——縱波、橫波到達層底及層頂的時間。

然后按照層號統計縱波、橫波波速，再進行動彈性模量、動剪模量、動泊松比的計算，相應計算公式依次如式（2）、式（3）、式（4）所示。

式中：Gd——動剪模量，kPa；Ed——動彈模量，kPa；υd——動泊松比；Ρ——某巖土層的濕密度平均值，g/cm3；VS——某巖土層的橫波波速平均值，m/s；Vp——某巖土層的縱波波速平均值，m/s。

根據上述計算公式以及實際測結果，得到單孔波速縱橫波速及動態參數如表1所示。

3.6 測試分析

3.6.1 地層情況

根據案例工程波速測試結果進行分析，勘測區內的土層主要包括巖石、堅硬土或軟質巖石、中硬土及中軟土四種類型。其中巖石部分主要包括中等風化角巖、微風化角巖、中等風化花崗巖以及微風化花崗巖；堅硬土主要由強風化角巖和強風化花崗巖組成；中硬土主要由人工松散填石、海積稍密卵石、坡殘積硬塑粉質黏土及全風化角巖組成；中軟土主要包括人工松散填土及稍密中砂等。

表1 單孔波速縱橫波速及動態參數統計

3.6.2 場地類型

建筑場地類別情況如下：廠址區丘陵地帶（挖方邊坡區域）覆蓋層相對較薄，經測試等效剪切波速范圍為500≥Vse＞250m/s的土層＜5m，建筑場地類別為Ⅰ類。濱?；靥顓^（場地回填區）覆蓋層厚度在5～50m之間不等，建筑場地類別為Ⅱ類。

3.6.3 承載力預估

巖土的剪切波速還能夠用于估算巖土的承載力，根據上述測得的剪切波速情況，對案例工程區域地層的承載力進行估算。不同剪切波速對應的承載力不同，若硬塑粉質粘土的剪切波速在300～360m/s之間，則其承載力約為24～28t/m2之間；若強風化巖的剪切波速值大于500m/s，那么其承載值則大于40t/m2。實際上，若巖土體的砂礫粒徑以及硬度越大，那么其剪切波速也會相對較大，與之相應的巖土的承載能力也會較大，反之砂礫粒徑和硬度越小，那么剪切波速和承載力也會相對較小。

3.6.4 液化性質

在實際進行建筑工程施工的過程中，砂土和粉土的特化性質對于整個建筑結構的抗震性能有著直接的影響，因此加強對于土質液化性能的研究是十分有必要的。而剪切波速的測量還能夠實現對于土體液化性質的分析和預測，對于建筑工程的設計施工有著重要的參考價值和意義。在進行液化性質分析的過程中，若發現地層液化波速大于剪切波速，那么就說明該區域不會出現液化情況；相反，若液化波速小于剪切波速，就表明存在液化的可能性[5]。根據案例工程實際檢測結果，液化性質的分析主要是針對砂土進行的，而場地內砂土涂層主要分布在靠近海岸的區域，在按照0.10g烈度Ⅶ度的地震進行檢測之后，發現在場地遭遇烈度Ⅶ度的地震時，場地靠近海岸帶附近局部區域將發生輕微砂土液化。

4 結語

綜上所述，在實際應用波速測試技術進行巖土工程勘察的過程中，通過對壓縮波速度、剪切波速度以及動泊松比的監測和計算分析，能夠進一步了解實際地質情況以及巖土物理性質，不僅能夠實現對于地層情況的判斷、場地類型的辨別，還有助于場地承載力以及液化性質的預估，為后續巖土勘察工作以及建筑工程的設計施工提供參考數據。而且波速檢測技術應用起來十分便捷、簡單，檢測結果具有較高的可靠性，在巖土工程勘察中有著重要的應用價值。相信隨著對波速檢測技術的深入研究和實踐運用，巖土工程勘察作業水平將會得到進一步提升。