波速測(cè)試在巖土工程勘察中的應(yīng)用

摘要：波速測(cè)試是以彈性理論為依據(jù)，常采用單孔法、跨孔法或面波法，主要測(cè)定各類(lèi)巖土體的壓縮波、剪切波或瑞利波的波速。用來(lái)判定巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算小應(yīng)變條件下巖土體的動(dòng)力參數(shù)，為場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。文章對(duì)波速測(cè)試的方法及要點(diǎn)、資料處理、成果應(yīng)用等進(jìn)行了分析，并梳理了波速與巖土體性狀的一般規(guī)律。

關(guān)鍵詞：波速測(cè)試；彈性波；巖土體；小應(yīng)變；動(dòng)力參數(shù)；巖土工程勘察 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：P624 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.105

波速測(cè)試是以彈性理論為依據(jù)，用人工的方法在巖土介質(zhì)中激發(fā)一定頻率的彈性波，這種波以各種波形在巖土體內(nèi)部傳播并由相應(yīng)的儀器接收。通過(guò)分析接收和記錄下來(lái)的波動(dòng)信號(hào)來(lái)判定巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算小應(yīng)變條件下巖土體的動(dòng)力參數(shù)，為場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。波速測(cè)試常采用單孔法、跨孔法或面波法，主要測(cè)定各類(lèi)巖土體的壓縮波波速νP、剪切波波速νS或瑞利波波速νR。下面就對(duì)波速測(cè)試的幾種方法、測(cè)試要點(diǎn)、資料分析、成果應(yīng)用等進(jìn)行較全面的梳理和總結(jié)。

1 測(cè)試方法

波速測(cè)試設(shè)備主要分為激發(fā)裝置和接收裝置兩部分，激發(fā)裝置有機(jī)械式、電磁式等；接收裝置常包括檢波器、放大器和示波器。根據(jù)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求以及工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試條件，可采用單孔法、跨孔法或面波法進(jìn)行測(cè)試。

1.1 單孔法

單孔法是在一個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)得的波速為地表至測(cè)點(diǎn)間地層的平均波速。該方法常用于土層軟硬程度變化大或?qū)哟屋^少的地層。

測(cè)試時(shí)可在地面激振，孔底接收，稱(chēng)為下孔法；也可在孔底激振，地面接收，稱(chēng)為上孔法；可沿鉆孔向上或向下測(cè)試，常采用下孔法自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試鉆孔應(yīng)盡量垂直，將聲波探頭或三分量檢波器放至孔內(nèi)預(yù)定深度位置，并與孔壁貼緊。土層剪切波測(cè)試常用的振源激發(fā)裝置是尺寸為2000×300×50mm的木板，木板長(zhǎng)度方向的中垂線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試孔中心，與孔口距離宜為1～3m，其上放置大于400kg的重物。當(dāng)用錘水平敲擊木板兩端時(shí)，木板與地面摩擦而產(chǎn)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(cè)試應(yīng)結(jié)合土層分布設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的垂直間距可取1～3m，層位變化處應(yīng)加密；當(dāng)測(cè)巖體的壓縮波時(shí)，測(cè)點(diǎn)的垂直間距可取0.2～0.5m，且鉆孔內(nèi)應(yīng)有水。在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，應(yīng)重復(fù)測(cè)試多次。

1.2 跨孔法

跨孔法是在場(chǎng)地上取兩個(gè)平行的鉆孔，在一個(gè)鉆孔不同深度處設(shè)置振源，在另一個(gè)鉆孔相應(yīng)深度處放置檢波器，所測(cè)得的波速為兩孔之間地層的傳播速度。該方法對(duì)均勻土層特別適用，常用于多層地層的場(chǎng)地條件。

振源孔與檢波孔應(yīng)力求平行，當(dāng)測(cè)試孔深大于15m時(shí)，須對(duì)各測(cè)試孔進(jìn)行傾斜度和傾斜方位的測(cè)量，測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到0.1°，以便準(zhǔn)確計(jì)算不同深度處的鉆孔間距。測(cè)試孔的平面布置可用二孔也可用多邊形，即一孔激發(fā)，多孔接收，以便校核。常規(guī)測(cè)試每組采用3個(gè)鉆孔，并布置在一條直線上，取間隔速度值，以排除振源裝置、波的傳播路徑改變等因素的影響。鉆孔間距應(yīng)根據(jù)測(cè)試精度、振源能力、土層均勻性等因素確定。在土層中孔距宜取2～5m；在巖層中孔距宜取8～15m，當(dāng)土層較厚而均勻，振源能量大時(shí)，間距可適當(dāng)加大。鉆孔中測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)考慮地層情況，根據(jù)地層分布等間隔布置，一般測(cè)點(diǎn)垂直間距以1～2m為宜。為降低折射波的干擾，在軟硬土層交界處，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在硬地層中；近地表測(cè)點(diǎn)深度應(yīng)布置在孔口以下0.4倍孔距處。

1.3 面波法

面波法測(cè)試可采用穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)法，常規(guī)采用穩(wěn)態(tài)法。其原理是在地表放置一激振器，給地面施加一頻率為f的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)，其能量以振動(dòng)波的形式向半空間擴(kuò)散，當(dāng)頻率一定時(shí)，只要測(cè)出波長(zhǎng)LR，即可算出波速。該方法不需要打孔，適用于均勻、單一的地層，但測(cè)試深度較淺，當(dāng)激振頻率在20～30Hz時(shí)，測(cè)試深度為3～5m。

測(cè)試時(shí)以振源作為測(cè)線零點(diǎn)，在振源一邊布置2～3個(gè)檢波器，檢波器宜采用低頻。當(dāng)激振器以一定頻率作穩(wěn)態(tài)激振時(shí)，移動(dòng)任一檢波器，至示波器中出現(xiàn)同相位的振動(dòng)波形，此時(shí)檢波器的間距即為一個(gè)波長(zhǎng)。在同一頻率下移動(dòng)檢波器至多個(gè)波長(zhǎng)處測(cè)試，測(cè)試應(yīng)重復(fù)多次。

2 測(cè)試要點(diǎn)

在實(shí)際測(cè)試中由于受多種因素影響，有時(shí)波形信噪比很低，各種成分波出現(xiàn)的時(shí)刻并不明顯，判讀十分困難。一般情況下，出現(xiàn)波形異常的情況主要有以下四方面原因：

2.1 激發(fā)裝置與地面耦合不好

這時(shí)需要將地面重新平整，必要時(shí)可在木板下鋪一層細(xì)砂并增加木板上的荷載，使激發(fā)裝置與地面耦合良好，減少激發(fā)能量的損失。

2.2 檢波器與鉆孔孔壁耦合不好

可能是檢波器擴(kuò)展裝置沒(méi)打開(kāi)或是鉆孔在檢波器位置有垮塌，孔徑較大，檢波器不能貼緊孔壁，不能很好地接收信號(hào)。這時(shí)要將檢波器提出孔口，重新?lián)Q個(gè)方位再放入孔內(nèi)，并且在打開(kāi)擴(kuò)展裝置后，輕提連接線，檢查檢波器與孔壁的貼合程度。

2.3 測(cè)試孔深較大

當(dāng)測(cè)試深度太深時(shí)，激發(fā)能量衰減較大，檢波器接收的信號(hào)太弱，需加大激發(fā)能量，也可對(duì)信號(hào)進(jìn)行疊加。疊加的原理是在測(cè)試對(duì)象和測(cè)試環(huán)境不變時(shí)，由于有效信號(hào)具有可靠的重復(fù)性，而噪聲信號(hào)則是一種隨機(jī)信號(hào)，多次重復(fù)采集記錄的疊加，將使有效信號(hào)得到加強(qiáng)，而隨機(jī)信號(hào)將會(huì)相互抵消，從而提高信噪比。

2.4 儀器性狀不良

首先檢查各接口處是否連接穩(wěn)固，其次看儀器各指示燈顯示是否正常，儀器本身的故障需多次測(cè)試驗(yàn)證。

3 資料分析

根據(jù)測(cè)試資料對(duì)波的傳播時(shí)間和距離等進(jìn)行分析處理，包括如下內(nèi)容：

3.1 確定波的傳播時(shí)間Δt

傳播時(shí)間的確定關(guān)鍵是識(shí)別波的初至?xí)r間，了解各種波的特征差異，有助于準(zhǔn)確識(shí)別。由于壓縮波波速大于剪切波波速，所以壓縮波先到達(dá)，之后才是剪切波；而剪切波能量為壓縮波的3～4倍，峰值明顯，但頻率比較低，因此壓縮波波峰小而密，剪切波波峰相對(duì)大而疏。此外還需從數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，波形的特征等方面反復(fù)觀察試讀，在一定經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下去讀取合理的結(jié)果。

3.2 計(jì)算波的傳播距離Δs或波長(zhǎng)LR

單孔法可由測(cè)點(diǎn)深度與振源及孔口的距離計(jì)算出波的傳播距離；跨孔法波的傳播距離為測(cè)孔間距，當(dāng)孔深較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆孔的傾斜度和傾斜方位，對(duì)傳播距離進(jìn)行修正。將面波法的測(cè)試記錄整理成波數(shù)與波長(zhǎng)長(zhǎng)度圖，通過(guò)對(duì)同一頻率的各點(diǎn)取直線或取平均值，可算出每一頻率的波長(zhǎng)。

3.3 波速計(jì)算

根據(jù)波的傳播時(shí)間和距離、頻率和波長(zhǎng)計(jì)算出波速，即νP、νS=Δs/Δt；νR=f·LR。瑞利波波速反映了深度為一個(gè)波長(zhǎng)地層的平均值，其值比剪切波波速略小，可按νS=νR/95×100換算。

4 成果應(yīng)用

4.1 巖體完整程度分類(lèi)

測(cè)得巖體的壓縮波速度后，取有代表性的巖塊測(cè)試其壓縮波速度，巖體壓縮波速度與巖塊壓縮波速度之比的平方即為完整性指數(shù)。根據(jù)完整性指數(shù)，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001 2009年版）中表3.3.2-2的標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)巖體完整程度進(jìn)行分類(lèi)。當(dāng)完整性指數(shù)大于0.75時(shí)，巖體為完整；0.55～0.75為較完整；0.35～0.55為較破碎；0.15～0.35為破碎；小于0.15為極破碎。

4.2 土的類(lèi)型劃分

根據(jù)巖土剪切波速，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）中表4.1.3的標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)土的類(lèi)型進(jìn)行劃分，并估算地基承載力。當(dāng)剪切波速大于800m/s時(shí)，定為巖石；大于500m/s小于等于800m/s為堅(jiān)硬土或軟質(zhì)巖石；大于250m/s小于等于500m/s為中硬土；大于150m/s小于等于250m/s為中軟土；小于等于150m/s為軟弱土。

4.3 劃分建筑的場(chǎng)地類(lèi)別

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）中4.1.5條的規(guī)定，土層的等效剪切波速νSe=d0/t，其中d0為計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值，建筑場(chǎng)地覆蓋層厚度按規(guī)范中4.1.4條的標(biāo)準(zhǔn)確定；t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間。根據(jù)巖石剪切波速或土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度，按規(guī)范中表4.1.6的標(biāo)準(zhǔn)，將建筑的場(chǎng)地類(lèi)別劃分為Ⅰ0和Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類(lèi)。

4.4 計(jì)算動(dòng)力參數(shù)

根據(jù)壓縮波波速和剪切波波速，可計(jì)算小應(yīng)變條件下（10-4～10-6）巖土體的動(dòng)力參數(shù)，其計(jì)算如下：

式中：

νP、νS——壓縮波波速、剪切波波速（m/s）

Gd——土的動(dòng)剪切模量（kPa）

Ed——土的動(dòng)彈性模量（kPa）

μd——土的動(dòng)泊松比

ρ——土的質(zhì)量密度（kg/m3）

5 波速與巖土體性狀的一般規(guī)律

波的傳播速度與巖土體的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、應(yīng)力狀態(tài)等因素相關(guān)，其一般具有如下規(guī)律：（1）巖土體彈性模量降低時(shí)，其波速也相應(yīng)下降，這與波速理論公式相符；（2）巖土體越致密，其波速越高。波速雖與密度成反比，但密度增高，彈性模量將大幅度增高，因而波速也越高；（3）結(jié)構(gòu)面的存在使得波速降低，并使波在巖土體中傳播時(shí)存在各向異性。垂直于結(jié)構(gòu)面方向波速低，平行于結(jié)構(gòu)面方向波速高；（4）巖體風(fēng)化程度越高，則波速越低。密度高、單軸抗壓強(qiáng)度大的巖體波速高；（5）壓應(yīng)力方向上的波速高；（6）孔隙率越大，波速越低。

6 結(jié)語(yǔ)

由于波速測(cè)試簡(jiǎn)便、可靠，目前已在巖土工程勘察領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其結(jié)果可用于判定巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、查找軟弱層及破碎帶、估算地基承載力、對(duì)巖體完整程度分類(lèi)、劃分土的類(lèi)型和建筑場(chǎng)地類(lèi)別、計(jì)算巖土體的動(dòng)力參數(shù)等，為場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因彈性波的傳播特性可用波速、振幅、頻率和波形來(lái)描述，所以在波速應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意研究其振幅、頻率和波形特性，綜合分析，正確評(píng)價(jià)。

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作者簡(jiǎn)介：李唐（1980-），男，重慶人，供職于重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，研究方向：巖土測(cè)試。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）