剪切波在高層建筑場(chǎng)地類別劃分中的應(yīng)用

朱春亮　江蘇科信巖土工程勘察有限公司

剪切波在高層建筑場(chǎng)地類別劃分中的應(yīng)用

朱春亮江蘇科信巖土工程勘察有限公司

本文利用剪切波對(duì)徐州市一居住小區(qū)穎都城市花園高層建筑兩鉆孔進(jìn)行了地基土測(cè)試，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和資料分析整理，得到了兩個(gè)鉆孔地面下20m內(nèi)土層的等效剪切波速值。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011－2001）對(duì)該建筑場(chǎng)地的類別進(jìn)行了劃分，結(jié)果與該場(chǎng)地的鉆孔資料和靜力觸探資料的分析結(jié)果是基本一致的。

剪切波；高層建筑；場(chǎng)地類別

1.引言

隨著對(duì)土層彈性波性質(zhì)的深入了解，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)于軟弱土層和完整性較差的巖體，采用取樣和室內(nèi)試驗(yàn)方法不僅繁瑣，而且測(cè)試精度也難以保證，目前以分辨率高著稱的波速測(cè)試法成為測(cè)定地層動(dòng)力參數(shù)的一條簡便有效的途徑［［朱春亮（1979-2） 男， 2003年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察工作。E-mail：xzdzkt@163. com］］。剪切波是波速測(cè)試方法的一種，地層剪切波速值是工程場(chǎng)地分類及地震小區(qū)劃分的一個(gè)很重要的參數(shù)，在工程實(shí)踐中，也是評(píng)價(jià)場(chǎng)地土動(dòng)力特性的重要指標(biāo)［2］。波速測(cè)試作為地基土動(dòng)力特性測(cè)試項(xiàng)目之一，自80年代以來廣泛用于重大工程、 高層建筑等一級(jí)建筑及有特殊要求的二級(jí)建筑之中。通過對(duì)場(chǎng)地土剪切波速的測(cè)試，可以對(duì)地基土的類別進(jìn)行評(píng)價(jià)、檢測(cè)地基加固效果，并且為建筑物的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)［3］。本文結(jié)合剪切波在徐州市穎都城市花園高層建筑地基勘察中的應(yīng)用這一實(shí)例，分析了剪切波在高層建筑場(chǎng)地類別劃分中的應(yīng)用。

2.剪切波測(cè)試基本原理

根據(jù)彈性理論［4-5］，當(dāng)固體介質(zhì)受到外力沖擊時(shí)，介質(zhì)受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變，在作用于介質(zhì)的應(yīng)力消失后，應(yīng)變和應(yīng)力失去平衡，應(yīng)變就在介質(zhì)中以彈性波的形式由介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)依次向周圍傳播，這種彈性波成分比較復(fù)雜，既有面波又有體波，體波又分為壓縮波（P波）和剪切波（S波）。各種波在同一介質(zhì)中傳播的特征和速度一般是各不相同的。在建筑工程勘察中，由于土中含水量的影響，剪切波比其它波速值更易真實(shí)地反映土的動(dòng)力特性，故通常測(cè)試地層的剪切波速度，測(cè)試的方法主要有檢層法、跨孔法和瑞雷波法等，其中以檢層法中的單孔檢層法使用最為簡單和實(shí)用，應(yīng)用也最多［6-8］，本文使用的就是這種方法。

3.本工程所用的單孔檢層法

3.1震源設(shè)備與測(cè)試儀器

測(cè)試方法采用單孔法，它是將長2-3m，寬0.3m，厚0.05m左右的激振板放在離孔口約1-3m處的地面上，木板與地面要接觸良好，木板上需壓一定量的重物，通常為大石頭、汽車輪胎等重物。利用已經(jīng)鉆好的鉆孔，使其中點(diǎn)與井口的連線垂直于起振板，用木錘或鐵錘水平敲擊木板兩端，木板與地面產(chǎn)生剪切力，使地層產(chǎn)生剪切波，并通過置于井內(nèi)的三分量傳感器將土的振動(dòng)歷程輸入儀器，經(jīng)電腦分析，獲得各測(cè)點(diǎn)剪切波到達(dá)時(shí)間，經(jīng)計(jì)算可得到各土層的剪切波速值。測(cè)試裝置詳見圖1：

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集使用的儀器是中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所智能儀器室生產(chǎn)的RSM-24FD浮點(diǎn)工程動(dòng)測(cè)儀，采集的數(shù)據(jù)是由井中的三分量傳感器通過儀器記錄兩道波形，經(jīng)與電腦連接后將儀器中的數(shù)據(jù)傳送到電腦中，處理后得到各土層的剪切波速，進(jìn)而確定建筑地基的場(chǎng)地類別。

3.2單孔法測(cè)試過程

在場(chǎng)區(qū)內(nèi)選擇2個(gè)具有代表性的7號(hào)和13號(hào)鉆孔，采用單孔剪層法在孔中進(jìn)行土層剪切波速測(cè)試。按規(guī)范［9］要求，每一土層都有一個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)某一土層厚度較大時(shí)，每2米左右測(cè)一個(gè)點(diǎn)。本次測(cè)試每1米左右測(cè)一個(gè)點(diǎn)，單孔法剪切波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)連接如圖1所示。測(cè)試時(shí)，將傳感器放至孔底后，自頂部向下依地層界面測(cè)試。地面上用鐵錘水平敲擊木板兩端，敲擊所產(chǎn)生的剪切波經(jīng)地層傳播到達(dá)測(cè)試點(diǎn) ，孔中水平檢波器接收橫波信號(hào)，經(jīng)電纜送入地震儀進(jìn)行放大、儲(chǔ)存和記錄。測(cè)試點(diǎn)的間隔根據(jù)地層界面情況平均1.0m一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，界面處的測(cè)試點(diǎn)需重復(fù)測(cè)試。這種測(cè)試方法的好處：一是測(cè)試時(shí)帶有深度記號(hào)的電纜（或細(xì)鋼絲繩）不彎曲，保證測(cè)試深度的準(zhǔn)確性，二是便于追蹤剪切波的初至，保證相位不錯(cuò)。正反敲擊木板兩端時(shí)，所產(chǎn)生的剪切波波形相位相差180°，這一特征十分有利于剪切波的分辨，意味著我們能夠在不同界面點(diǎn)準(zhǔn)確測(cè)定剪切波的到達(dá)時(shí)間，可靠求出各層的波速值。在一個(gè)測(cè)試深度上重復(fù)測(cè)試多次，獲得各孔土層剪切波速度隨深度分布，根據(jù)這些數(shù)字繪制成土層剪切波速—深度曲線。

3.3測(cè)試結(jié)果

擬建的穎都花園位于徐州市淮海西路南側(cè)［［ 徐州市城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)研究院編. 徐州市穎都花園二期巖土工程勘察報(bào)告（勘察編號(hào)：CXK2006-033）. 2006年6月］］，徐州市規(guī)劃局對(duì)過，人流、物流暢通，交通便利，位置優(yōu)越。本工程主要建筑物包括主樓一棟、會(huì)所一座、地下室一座。主樓高度23+1層平面形態(tài)為矩形，軸線間東西向長74.60m，南北向?qū)?4.00m；會(huì)所高度4層，外周邊平面形態(tài)為矩形，軸線間東西向長20.24m，南北向?qū)?1.240m；地下室高度2層，地下車庫一層。建筑物結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式未定。具體測(cè)試結(jié)果見圖2和表1。

3.4結(jié)果分析

由表1和圖2可分別看出所測(cè)試的兩孔在地面以下20米內(nèi)的剪切波速曲線大體上是一致的，這說明該場(chǎng)地的土和巖石的各分層厚度變化相差不大，隨著深度的增加剪切波接收時(shí)間和剪切波速均相應(yīng)地增大，地面下20m時(shí)的剪切波速7號(hào)孔為350m/s、13號(hào)孔為342m/s。這與鉆孔資料所揭露的各層相應(yīng)厚度是基本一致的。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）4.15條公式［9］：

式中：Vse-土層等效剪切波速（m/s）；d0-計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；t-剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間（s）；di-計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；Vsi-計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；n-計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù).

由上面的公式，可計(jì)算出7#孔和13#孔的剪切波速分別為177.3 m/s和180 .5m/s，場(chǎng)地土類別為中軟土。根據(jù)1/5萬邳縣幅區(qū)域地質(zhì)圖，本場(chǎng)地覆蓋層厚度小于50米；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）第4.1.6條，建筑場(chǎng)地類別為劃分為Ⅱ類場(chǎng)地。

4.結(jié)語

在剪切波速測(cè)試基本原理的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和資料分析整理，得到了穎都花園二期高層兩孔的各相應(yīng)土層的等效剪切波速值，分別為177.3 m/s和180 .5m/s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）對(duì)該建筑場(chǎng)地的各土層性質(zhì)進(jìn)行了劃分，可得出該建筑場(chǎng)地類別應(yīng)為Ⅱ類，這與該場(chǎng)地所施工的10個(gè)鉆孔和10個(gè)靜力觸探孔所揭露的地層情況在對(duì)應(yīng)層段劃分上是基本一致的。

［1］王俊茹.波速測(cè)試在高層建筑地基勘察中的應(yīng)用［J］. 物探與化探，2000，24（3）：219-225.

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［3］劉平和，孫靈潔董喜茹. 場(chǎng)地剪切波速的測(cè)試［J］. 黑龍江交通科技，2004，123（5）：59-61.

［4］頓志林，高家美.彈性力學(xué)及其在巖土工程中的應(yīng)用［M］. 煤炭工業(yè)出版社，2003.

［5］徐芝綸. 彈性力學(xué)簡明教程［M］.高等教育出版社，2002.

［6］王恩福，凌宏，張國宏，等. 剪切波速度測(cè)量及其在工程中的應(yīng)用［J］.東北地震研究.1994，Vol.10，No.4：59-66

［7］高玉峰，劉漢龍.合肥膨脹土剪切波速的特征分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào).2003，Vol.25，No.3：371-373

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［9］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）

注釋： 來自徐州市城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)研究院編.徐州市穎都花園二期巖土工程勘察報(bào)告（勘察編號(hào)：CXK2006-033）. 2006年6月

朱春亮（1979.2-），男，2003年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察工作。