地震剪切波速度測試在巖土工程勘察中的應用

摘要：土體的地震剪切波速度是評價無黏性土地震液化、劃分場地類別、定量計算土層動態剪切模量等的重要參數。以某建筑項目巖土工程勘察為研究對象，采用現場實測的方法獲取場區各層巖土體的剪切波速度，并計算地震等效剪切波速度。結果表明：三分量地震剪切波檢波器獲得的波形完整，初步時間清晰，波幅能量滿足要求，表明現場測試的地震剪切波波形質量良好。隨著測試深度的增加，地震波從人工震源傳播至三分量地震剪切波檢波器的距離也逐漸增加，需要消耗的傳播時間也隨之增加，地層的地震剪切波速度也逐步增大。對場區的15個鉆孔進行的地震剪切波速度測試成果進行場地類別劃分，場區各個鉆孔之間的等效剪切波速度Vse差異不大，變化范圍在163.6～190.8m/s之間，場地類別均劃分為II類。

關鍵詞：地震波；剪切波速度；巖土工程勘察；場地劃分；土層埋深

0" "引言

在巖土工程勘察中，測試土體的地震剪切波速度是評價無黏性土地震液化、劃分場地類別、確定地震反應分析、定量計算土層動態剪切模量等的先決條件[1]。地震剪切波的測試一般采用現場原位波速測試的方法確定，但是由于天然土層的地震剪切波速度受到其自然成因、結構、類型和埋深的各種因素的影響，使得測試結果反映的是土層綜合物理力學屬性[2]。

目前，對于土層埋深與地震剪切波速度的相關性既有文獻研究較少，現場的實測表明兩者具有較好的相關性[3]。本文嘗試依托實際工程案例，在介紹地震剪切波速度測試基本原理的基礎上，采用現場原位測試的方法研究土層地震剪切波速度、初至時間與土層埋深之間的變化關系，并利用地震剪切波速度劃分場地類別。

1" "工程概況

某建筑項目巖土工程勘察場區位于某市羊郡鎮附件，本次勘察擬建筑物包括3棟40層住宅樓、4棟47層住宅樓、8棟地上33層住宅樓，其中17棟地上6層，2棟地上4層。該場地主樓間為整體為地下1層車庫，基底標高為-0.3m，主樓部分均為地下2層車庫。首開區基底標高為-0.85～-1.45m，超高層基底標高為-5.55m。

建筑總面積約368478.0m2。首開區7-1#棟至7-8#棟為剪力墻結構，地上層數為33層，基底荷載550kN，基地標高-1.45m。7-9#棟至7-10#棟為框剪結構，地上層數為4層，基底荷載80kN，基地標高-0.85m。7-11#棟至7-12#棟為框剪結構，地上層數為6層，基底荷載100kN，基地標高-0.85 m。7-13#棟～7-27#棟為剪力墻結構，地上層數為6層，基底荷載100kN，基地標高-0.85m。超高層區7-28#棟至7-29#棟、7-31#棟、7-34#棟為剪力墻結構，地上層數為47層，基底荷載800kN，基地標高-0.55m。7-30#棟、7-32#棟至7-33#棟為剪力墻結構，地上層數為40層，基底荷載700kN，基地標高-0.55m。

擬建場地為鹽池及蝦池，現大部分被人工吹填整平，現地形較平坦，地面高層最大值4.07m，最小值0.28m，地表相對高差3.79m。場地所處地貌類型為沖洪積海積平原。場地表層為人工素填土，其下依次為第四系粉質黏土、中砂、粗礫砂，下伏基巖為砂巖及安山質礫巖。本文以④層粉質黏土為例進行研究，其室內實驗物理力學指標測試成果如表1所示。

2" "地震剪切波速度測試基本原理

地震剪切波速度的測試是通過在地表激發人工地震波的。人工地震波在土體中傳播時，由于速度的不同會分為體波和面波。面波主要在地表中以質點橢圓滾動的方式進行傳播，而體波只在土體內部傳播。根據其質點運動方式和傳播速度的不同，又可以分為壓縮波和剪切波[3]。壓縮波的質點運動方式表現為土體顆粒的疏密變化，而剪切波的質點運動方式則表現為土體顆粒的切向運動。一般而言，縱波速度是剪切速度的2倍，且縱波的振幅遠遠小于橫波振幅，因此在工程中可以極易獲取土體中傳播的剪切波[4-5]。

天然狀態下的土層，受到土體物理力學性質差異以及地質成因等各方面的影響，土體的地震波波阻抗存在明顯差異，因此剪切波在土體中傳播時，就會存在著速度差異。在致密堅硬的土層中，剪切波的傳播速度快，到達地震檢波器的時間短。而在松散軟弱的土層中，剪切波的傳播速度則較低，且達到地震檢波器的時間長[6]。利用各層土體的剪切波到達時間，以及檢波器與人工地震波震源之間的距離，即可以反推出土層的剪切波速度[7]。

在地震剪切波速度測試時，其測試基本原理如圖1所示。在孔內預先放置三分量地震剪切波檢波器。人工地震波的激發通過12磅重錘敲擊防止在地表的木板產生，為了提高人工地震波的能量，一般在木板上放置一定質量的重物（也可以利用鉆機自身質量）[8-10]。激發的人工地震波引起地表觸發傳感器，觸發傳感器將信號傳遞至地震剪切波速度數據采集儀器，儀器控制三分量地震剪切波檢波器采集數據，并傳輸至數據采集儀器進行采集、顯示和存儲。

3" "地震剪切波速度測試成果分析

3.1" " 地震剪切波速度與土層埋深的關系

對場區的15個鉆孔進行地震剪切波速度測試，如圖2所示。典型鉆孔內的地震剪切波速度曲線剖面如圖3所示。從圖3中可以看出，三分量地震剪切波檢波器獲得的波形完整，采樣時間300ms可以觀測到所有地層的完整剪切波波形，初步時間清晰、容易追蹤和讀取，波幅能量滿足要求，兩個正負波幅的初至時間和波幅基本一致，表明現場測試的地震剪切波波形質量良好。

隨著測試深度的增加，地震波從人工震源傳播至三分量地震剪切波檢波器的距離逐漸增加，需要消耗的傳播時間也隨之增加，因此表現為剪切波初至時間逐步延后，但每道地震波初至時間隨著深度的線形增加，并不是線形增加的。這是因為剪切波在土體中傳播時，其傳播時間不僅與人工震源與三分量地震剪切波傳感器之間的距離有關，而且與土體的波阻抗差異相關。其在波阻抗小的土體中傳播速度低，傳播時間長，而在波阻抗大的土體中，傳播速度高，傳播時間短。

實測地震剪切波速度的計算方法，為三分量地震剪切波傳感器與人工震源之間的距離除于0.5倍地震剪切波的初至時間。按圖3中所示，劃分出各層土層剪切波的初至時間斜輔助線（即剪切波速度）。圖中3段斜輔助線的斜率，隨著深度的增加而增加，表明地層的地震剪切波速度也逐步增大。

3.2" " 基于地震剪切波速度的場地類別劃分

按現行《建筑抗震設計規范》，可以計算場地的地震等效剪切波速度Vse，如公式（1）所示。判別規則如表2所示。

（1）

式中，Vse為場地土層的地震等效剪切波速度，單位為m/s；t為地震剪切波從震源傳播至檢波器的時間，單位為s；d0為用于計算地震等效剪切波速度的覆蓋層厚度，按規范取值，單位為m；di為d0厚度范圍內第i層土的厚度，單位為m；Vsi為d0厚度范圍內第i層土的實測地震剪切波速度，單位為m/s。

對場區的15個鉆孔進行的地震剪切波速度測試成果，進行場地類別劃分，結果如表3所示。從表3中可以看出，盡管場區的覆蓋層厚度起伏變化（最小厚度為28.31m，最大厚度為32.71m），但場區各個鉆孔之間的等效剪切波速度Vse差異不大，變化范圍在163.6～190.8m/s之間。計算深度20m內場地類別均劃分為II類。

4" "結論

本文以某建筑項目巖土工程勘察為研究對象，基于地震剪切波速度測試基本原理，采用現場實測的方法獲取場區各層巖土體的剪切波速度，研究地震剪切波初至時間、速度與土層埋深的變化關系，并計算地震等效剪切波速度，得到以下幾個結論：

三分量地震剪切波檢波器獲得的波形完整，初步時間清晰，波幅能量滿足要求，表明現場測試的地震剪切波波形質量良好。

隨著測試深度的增加，從人工震源至三分量地震剪切波檢波器之間的距離也不斷增加，地震剪切波初至時間逐步增加，地層的地震剪切波速度也逐步增大。

對場區的15個鉆孔進行的地震剪切波速度測試成果進行場地類別劃分，場區各個鉆孔之間的等效剪切波速度Vse差異不大，變化范圍在163.6～190.8m/s之間，在計算深度20m內場地類別均劃分為II類。

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