袁 昕

(山西建勘岩土工程有限公司，山西 太原 030006)



波速测试技术在岩土工程勘察中的应用

袁 昕

(山西建勘岩土工程有限公司，山西 太原 030006)

介绍了波速测试技术的工作原理，并以某火车站改建施工项目为例，阐述了岩土工程勘察设计中波速测试技术的应用方法，指出该技术能够准确测量出岩土的弹性波速，为工程设计提供所需的地质数据。

岩土波速测试技术，剪切波，动力参数

0 引言

现今，在勘察众多岩土的水利水电工程、工业建筑、铁路工程等工程地质领域中被广泛应用并取得较好施工效果的地震勘探测试技术之一的波速测试技术，由于在室内测量岩(土)体传播中的S波剪切波和P波压缩波的速度会有一定误差存在，而该技术却是原位测定这两种速度，能够克服这种误差存在，并且还能有效地解决建筑场地类别的确定、场地土的承载力估算等许多地质问题，从而提供科学依据供场地工程进行评价地质、设计工程建筑等。

1 工程概况

本工程为某一火车站改建施工项目，位于山前冲积加海积相的平地。该工程项目的地层地质从下向上分别是由强风化云母片岩、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂素填土构成。考虑到本工程建筑性质是公共事业，因此需要满足抗震设计要求,对于施工场地土类别的识别和场地的卓越周期的估算将采取波速测试法进行鉴定。本工程将采取波速测试单孔检层法。

2 工作原理

波速测试一般是被分为两种，分别是普遍使用到的具有便捷测量方式，孔位只需一个的单孔检层法和跨孔法两种。测试垂直的钻孔一种方法就是单孔检层法，从钻孔中检波器所处的位置和震动来源点进行分类，可将单孔检层法分为四种测量方式，分别是孔底法、孔中激发孔中接收法、孔中激发地表接收法以及最经常使用到的地表激发孔中接收法。

在实际施工测量中广泛应用到的是由安置在孔内的检波器将地面激发所产生出的弹性波进行接收的单孔检层的地表激发孔中接收法。如果震动来源点使用的是叩板的地面的时候就可以同时激发正反向，从而形成Sh波，并结合180°差的剪切波震的原理确定出S波的初至时间，按照如图1所示由垂直方向激发到孔口附近形成P波。分别设板中心水平距离孔口位置的长度为l；i和i+1测点垂直距离孔口位置的长度为hi，hi+1；在两个不同深度中纵波所需要的时间分别为tpi，tpi+1；两个不同深度的剪切波所需要的时间分别为ti，ti+1。并结合以下两个公式将剪切波速度Vs和压缩波速度Vp值计算出。

对于如果分辨剪切波S波与压缩波P波这两种波形，一般可以结合它们的特性进行识别确定：

1)相比较S波的速度而言，P波具有更快的传播速度，并且P波是一种初至波;2)S波水平激发激振板两头的时候，具有反向的相位，而P波则是具有不变的相位;3)S波和P波距离一定深度的井口后,前者具有较低的频率和较大幅度，而后者则是完全相反，频率变高，波振幅变小；4)由于在测量的时候波的折射波可能会影响到浅部的高速地层截面，所以需要按照震源板距离孔口之间的长度标准作为测试最小的深度。

3 应用实例

3.1 测量方法

在实际测量现场中，首先要对施工现场进行整平，然后在距离1.5 m井口的地方放置2.5 m长,0.3 m宽,0.1 m厚度的激振板，并且按照井口中心刚好能够正对着木板中垂线标准进行检查激振板的位置，为了确保木板能够相接触到地面上，还需要将约500 kg～1 000 kg重的物体放置在激振板上才可以，这样才能确保测量效果。测量的时候，需要对木板的两头进行多次的敲打产生出S波形，一直到能够获取清晰的S波形3次才可以，接着再对放置在井口一端的铁板按照垂直角度的敲打，以便产生出P波。施工中使用工程地震仪和将震源产生的弹性波信号进行接收并被安置在一定深度的孔穴内的三分量检波器共同构成的记录仪，而接收到弹性波信号被三分量检波器和相连接的电缆，传输给地震仪，地震仪将其数据记录下，并储存起来，确保能够为后期处理数据提供需要。

3.2 测量结果

本工程是采取波速测试单孔检层法进行Z2-17号孔和Z2-23号孔检测，测量结果得出：Z2-17号孔覆盖层厚度和等效剪切波速分别为28 m和206 m/s，而Z2-23号孔的覆盖层厚度和等效剪切波速分别为30 m和203 m/s，结合设计规范要求可以得出该结论：本工程是一种中软土的地土类型、Ⅱ级场地类别。首先设卓越周期为T，覆盖层厚度为H，相应孔的等效剪切波速设置为Vse，结合公式T=4H/Vse计算出本施工Z2-17号孔和Z2-23号孔的卓越周期分别为T=4×20/206=0.388 3 s，T=4×20/203=0.394 1 s。这两个数值和采取地脉动法进行测试计算测量出Z2-17号孔的T=0.386 7 s和Z2-23号孔的T=0.392 7 s的卓越周期比较吻合。因此大量工程实践可以证明：快速有效的将施工场地的卓越周期T值计算出的方法就是公式T=4H/Vse。

3.3 利用波速法计算岩土的动力参数

本工程的动力参数的确定需要将实际测量所得出的剪切波速Vs和压缩波速Vp代入到以下几个公式进行计算得出。

其中,μ为泊松比；ρ为介质密度,g/cm3；Ed，Gd分别为动弹性模量和动剪切模量，GPa。表1是本工程施工动力参数测试结果表。

表1 本工程动力参数测量结果表

3.4 利用剪切波速法估算岩土的承载力基本值

表2是本工程的实际测量所得出的剪切波速Vs和其所对应的承载力基本值R(t/m2)关系。

表2 岩土剪切波速值与其对应的承载力基本值关系表

3.5 砂性土地震液化势判别

考虑到地震7度基本烈度的前提下，严格按照《岩土工程勘察规范》标准要求判别15m深地场地范围内的砂性土层的液化类别，首先需要按照下列公式计算出剪切波速度的临界值，然后比较剪切波实际速度测量值和临界值的大小情况，如果实际所测量出砂性土层的剪切波速度小于这个临界值的时候，可以认定本工程的土层是一种液化的砂性土层，反之就是砂性土层就是不液化的。

其中,Vscr为剪切波速度的临界值，m/s；Vs0为和土类相关的经验系数；ds，dw分别为测量剪切波速度位置的深度和地下水的位置深度，m;本工程dw取4m;ρc为粘粒含量的百分率。表3是判别本工程地基砂性土层的类型结果表。

表3 砂性土剪切速度统计表

从表3中的数据可以得出：在15m深度范围内；如果实际测量粉砂层剪切波速度的值都超过其相应剪切波速度临界值，则可以初步判断出本工程土层是不液化类型；反之，如果实际测量粉土层剪切波速度的值有一些比相应剪切波速度临界值小，那就可以初步认定本工程的土层为一种液化的。

4 结语

准确地进行岩土勘察可以为场地工程评价地质提供科学依据，采取波速测试技术是可行的方法之一。文章通过结合某一火车站改建施工项目，针对场地为冲积加海积相的平地，采取波速测试单孔检层法鉴定施工场地土类别。通过检测结果准确判别本工程场地类别为Ⅱ级场地类别同时存在液化情况，为后续设计提供有效参考依据。

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[3] 唐广慧．岩土工程勘察剪切波速测试技术分析[J]．低碳世界，2014(11)：148-149.

[4] 王瑞琦,王继忠,姜伯宵.波速测试在岩土工程勘察中的作用分析[J]．科技视界，2014(12)：108-109.

Application of wave velocity testing technology in geotechnical engineering survey

Yuan Xin

(ShanxiConstructionSurveyGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

The paper introduces wave velocity testing technology working principles, describes the application methods of wave velocity testing technology in geotechnical engineering survey design by taking the railway station transformation project as an example, and points out that: the above-mentioned technology can accurately measure geotechnical elastic velocity, which has provided some geological data for the engineering design.

geotechnical wave velocity testing technology, shearing wave, dynamic parameter

1009-6825(2017)11-0103-03

2017-02-08

袁 昕(1988- )，男，助理工程师

P624

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