波速测试

第9章波速测试 第一节概述 第二节单孔法 第三节跨孔法第一节概述一、基本概念二、声波测试的适用性三、声波测试分类四、声波测试的目的一、基本概念1．声波测试的定义波速测试(WaveVelocityTest)是利用波速确定地基土的物理力学性质或工程指标的现场测试方法；根据弹性波在岩土体内的传播速度，间接测定岩土体在小应变条件下(10-4～10-6)的动弹性模量等参数。波在地基土中的传播速度是地基土在动力荷载作用下所表现出的工程性状之一，也是建(构)筑物抗震设计的主要参数之一。第一节概述2．几组概念的区分1）体波：在弹性体内部传播的波；面波：在弹性体表面或不同介质交界面上传播的波；2）瑞利波：波的质点在包含波传播方向的铅垂平面内振动，质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆，且振幅随深度呈指数函数衰减，传播速度略小于横波。勒夫波：质点在水平面内振动，质点运动轨迹与波传播方向垂直。在天然地震中，瑞利波是危害性最大的一种地震波，在人工地震勘探中，瑞利波被视为一种干扰波。所以，在地震减灾和常规地震勘探中，都设法减小它的危害和影响。3）压缩波：当波传播时，如果质点振动方向与波的传播方向一致，称为压缩波；剪切波：当波传播时，如果质点振动方向与波的传播方向相互垂直，称为剪切波；二、声波测试的适用性及分类由于地下水的存在对剪切波波速不产生明显的影响（压缩波影响很大）。所以，通常是测剪切波波速确定土的动力特性。波速测试可以采用单孔法、跨孔法和面波法。三、声波测试的目的地基土的波速测试可以应用于以下目的：（1）划分场地类型，计算场地的基本周期；（2）提供地震反应分析所需的地基土动力参数(动剪切模量、阻尼比、动剪切刚度等)；（3）提供动力机器基础设计所需的地基土动力参数(抗压、抗剪、抗扭刚度及刚度系数、阻尼等)；（4）判断地基土液化的可能性；（5）评价地基土的类别和检验地基加固效果。第二节单孔法一、概述二、基本原理三、仪器设备组成四、试验方法五、资料整理单孔法可分为单孔孔下法和单孔孔上法，如图9—1所示。单孔孔下法是在孔口地面设置振源，在唯一的一个钻孔中，在需要探测的深度处放置拾振器，主要检测水平的剪切波(SH波)和压缩波(P波)的波速。单孔孔上法则是将振源放置在孔内一定深度处，将拾振器放置在地面。第二节单孔法一、概述图9－1单孔法波速测试示意图最近在静力触探试验中，有人利用安装在触探探头内的拾振器观测由地面锤击引起的剪切波的速度。同时得到锥头阻力、摩擦比和剪切波速度等资料。这种试验称为振动触探试验(SeismicConePenetrationTest，简称SCPT)，装置如图9－2所示。图7－1典型的旁压曲线二、基本原理1．基本假定（1）地下介质采用水平层状地层模型；（2）剪切波速在水平方向为均匀分布，在垂直方向随深度变化。2．公式推导设测点深度为hi，激震点距孔口距离为dx，则：（1）正演公式对于第1个测点：剪切波达到测点1的走时：对于第2个测点：同理，剪切波到达测点3的走时：根据以上推导，可得剪切波到达任意测点的走时：（2）反演公式根据正演公式变形得到：三、仪器设备组成单孔法测试所需仪器设备一般包括以下两部分：(1)震源：指的是弹性波激发装置。(2)弹性波接收装置：包括检波器、放大器及记录显示器。图9－4震源示意图1．震源人工激发是一种最简单的方法，用得也最普遍。常用的振源激发装置是尺寸为2500mm×300mm×50mm的木板，木板的长度方向中垂线应对准测试孔中心。孔口与木板的距离宜为1～3m，其上放置400kg的重物(图9－4)。当用锤水平敲击木板端部时，木板与地面摩擦而产生水平剪切波。将检波器用扩展装置固定在孔内的不同深度处以接收剪切波。测试应自下而上进行。在每一个试验深度上，应重复试验多次。应该说，激震板越长，剪切波的频率越低；压重越重，剪切波能量越大。2．弹性波接收波速法测试时，无论选择什么样的振源，一般都会产生复合波，这就要求接收器既能记录到竖直振动分量，同时又能记录到两个水平方向的振动分量，以便更好地识别到剪切波到达的时刻。所以，一般采用三分量检波器。三分量检波器是由3个传感器按相互垂直的方向固定并密封在一个无磁性的圆筒内制成的，如图9－5所示。这种检波器自振频率较高，对方向性不敏感，即使埋置倾斜，也能有效的进行波动测试。3．放大器和记录仪目前国内波速测试所采用的记录器主要有SC－1型、SC－16型、SC－18型紫外线感光记录示波器，工作频率范围为0～270Hz。走纸速度可根据波形情况加以调节。四、试验方法1．现场布置在指定测试点打钻孔，垂直度要求与一般的勘探孔一样。离开孔口1～1.5m布置激震装置。如孔内检波器没有在孔壁上固定的装置，则需要钻机协助；否则除非钻孔可能塌孔，在声波测试前可把钻机移走。2．孔内测点布置原则一般应结合土层的实际情况布置测点，测点在垂直方向上的间距宜取1～3m，层位变化处加密。具体布置遵循以下原则：（1）每一土层都应有测点，每个测点宜设在接近每一土层的顶部或底部处，尤其对于薄土层，更不能将测点设在土层的中点。（2）若土层小于1m，可忽略；若大于4m，须增加测点，通常可以每间隔1～2m设置一个测点。（3）测点设置必须考虑土性特点。若土层相对均匀，可考虑等间隔布置；否则，只能根据土层条件按不等间隔布置。3．测试步骤（1）放置检波器。向孔内放置三分量检波器，在预定深度固定于孔壁上，并紧贴孔壁。检波器贴壁的效果将直接影响到信号接收效果。按照检波器贴壁方法的不同，可以将检波器分为充填式、弹跳式和磁吸式等3种。充填壁式是通过检波器上安装的气囊充气膨胀后将检波器固定在钻孔中，缺点是测试时如果不注意充气压力的大小，气囊很容易胀坏，另外也容易被一些坚硬的物体刺破。弹跳式是通过机械弹力将检波器贴在孔壁；而磁吸式则是通过磁力将其吸附在孔壁。我国目前批量生产的充填式检波器有3种，其技术指标见表9－1。表9－1充填式检波器的技术指标第三节试验方法与技术要求（2）布置测点。根据最小测试深度h1，测点间隔dh和测点个数n，可确定各测点的坐标为：hi＝h1＋(i-1)dh(i=1，2，3)（3）激发。一般采用地面激震，距孔口为dx处埋设一厚木板，用大锤分别锤击木板的两端，产生正、反向的剪切波。（4）接收。采用三分量检波器，在钻孔的不同深度hi处分别记录正反向剪切波的波形，检查记录波形的完整性及可判读性。（5）如发现接收仪记录的波形不完整，或无法判读，则须重做，直至正常为止。五、资料整理1．波形鉴别仅讲剪切波达到时间的判断方法。在测试岩土体剪切波速时，波形鉴别的目的是要确定剪切波到达的正确位置。由于外界干扰以及敲击时在激板内产生的压缩波向地下折射，实际得到的波形记录往往是剪切波和压缩波复合在一起的记录，这就给剪切波的鉴别带来了很大困难。但是，我们可以根据剪切波和压缩波的不同特点把它们区分出来。区分的标志是：（1）波速不同。压缩波速度快，剪切波速度慢。因此，压缩波先到达，剪切波后到达。（2）波形特征。压缩波传递的能量小，因此波峰小；剪切波传递的能量大，因此峰值大。（3）频率不一致。当剪切波到达时，波形曲线上会有个突变，以后过渡到剪切波波形。压缩波记录的长度取决于测点深度。测点越深，离开振源越远，压缩波的记录长度就越长。图9－6b)中波形是在离孔口5m深处记录所得，其压缩波记录长度要短得多。如在孔口记录，波形中就不会出现压缩波。当测点深度大于20m或更深时，由于压缩波能量小，衰减较快，一般放大器有时候测不到压缩波波形，记录下来的波形图只有剪切波，这样就更容易鉴别了。图9－6波形图2．资料整理与应用（1）参照以上波形鉴别方法，在波形记录上识别压缩波和剪切波的初至时间。对于单孔法，确定压缩波的时间应当采用垂直向传感器记录的时间，确定剪切波的时间应当采用水平向传感器记录的时间；对于跨孔法，确定压缩波的时间应当采用水平向传感器记录的时间，确定剪切波的时间应当采用垂直向传感器记录的时间。（2）根据波的传播时间，利用公式确定各土层波速。（3）根据各层Vsj、ρj或γj计算剪切模量Gj（j为土层序号）：g为重力加速度，g＝0.00981km/s2（4）计算场地土层平均剪切模量（20m内，但不超过土层覆盖层厚dov）（5）确定场地覆盖层厚度dov（Vsj>=500m/s）（6）计算场地土层平均剪切波速Vsm（15m内，但不超过覆盖层厚度dov）（7）计算场地的卓越周期T（覆盖层厚度dov内）（8）计算场地指数1）刚度指数，当>30Mpa,当≤30Mpa2）厚度指数，当dov≤80m,当dov>80m3）场地指数，当≤500Mpa或dov>5m，当>500Mpa或dov≤5m（9）液化判别（如果15m内的土层有饱和粉土或砂土）用剪切波波速临界值判别：砂土：粉土：判别准则：若Vsj>Vscr，则可不考虑液化；否则，土层可能液化。ds为砂土层或粉土层中剪切波测试点深度(m)；k为计算系数，按下表取值。表9－2计算系数k（10）波速测试最终成果最终成果以表格和曲线的形式表达出来。第三节跨孔法二、仪器设备构成三、试验方法四、资料整理一、基本概念一、基本概念跨孔法，就是利用相隔一定间距的两个平行钻孔，一个孔设置激震器，作为震源，另一个孔放置检波器，接收信号。主要检测竖向剪切波(Sv波)和压缩波(P波)波速。跨孔法的原理仍然是直达波原理。但是其震源产生的剪切波质点振动方向是垂直的，波的传播方向为水平向。第三节跨孔法跨孔法声波测试示意图二、仪器设备构成跨孔法波速测试采用的振源有两种：爆炸振源和机械震源。机械振源一种是井下剪切锤，另一种是用穿心锤敲击取土器。后一种振源装置携带方便，操作简单，缺点是不能进行坚硬密实地层的跨孔法波速测试。井下剪切波锤是一种常用的机械性振源，可用于各类土层。这种装置由一个固定的圆筒体和滑动重锤组成。测试时，把该装置放到钻孔某一深度处，通过地面的液压装置将4个活塞推出使筒体紧贴井壁，然后向上拉连接在锤顶部的钢丝绳，使活动重锤向上冲击固定筒体，就会在简体和孔壁间产生剪切振动，松开钢丝绳，滑动重锤自由下落冲击固定筒体。同样也会产生剪切振动。由于振源作用力方向的改变，实际受到的Sv波初至相位差180°，这对鉴别Sv波的初至是有益的。完成一个测点的测试后，可以通过地面的液压装置将4个活塞缩回、再放到另一个深度，继续进行测试。用穿心锤敲击取土器，也可激发剪切波，这种振源装置携带方便，操作简单，缺点是不能进行坚硬密实地层的跨孔法波速测试，并且需要一边钻进一边测试，不能一次成孔。三、试验方法跨孔法的试验方法与单孔法主要区别在于将振源置于另一个钻孔代替地面激振。1．测孔布置试验方法是在试验场地上打3个成一直线排列的钻孔,1个振源孔，2个接收孔。钻孔应垂直，当孔深大于15m时，应对钻孔的倾斜度和倾斜方位进行量测，量测精度应达到0.1°，以便对激振孔与检波孔的水平距离进行修正。测试孔的间距在土层中宜取2～5m，在岩层中宜取8～15m。测试时，根据工程情况和地质分层，每隔1～2m布置一个测点。当测试深度大于15m时，测点间距应不大于1m。2．孔内测点布置（1）测点垂直间距宜取1～2m，近地表测点宜布置在0.4倍孔距深度处，震源和检波器应置于同一地层的相同标高处。（2）不应将测点布置在软硬土层的交界面处。因为在软土层中，剪切波通过硬土层界面折射后，可能比直达剪切波要先到达检波器，造成测到的是折射剪切波的波速，而不是软土层剪切波速。3．测试步骤（1）将激发器与接收器同时分别放入两个孔内至预定的测点标高，并予以固定。（2）调整仪器至正常状态。（3）驱动锤击激发器，接受信号储存，算出剪切波在土中的传播时间。当采用一次成孔测试时，测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10％。也可采用振源孔和接收孔互换的方法进行检测。在现场应及时对记录波形进行鉴别判断，确定是否可用；如不合格，在现场可立即重做。四、资料整理1．参照波形鉴别方法，在波形记录上识别压缩波和剪切波的初至时间。对于跨孔法，确定压缩波的时间应当采用水平向传感器记录的时间，确定剪切波的时间应当采用垂直向传感器记录的时间。2．计算振源到测点的实际距离（若偏斜，需要进行修正）。3．根据波的传播时间和距离确定波速。第四节试验成果的工程应用一、场地土类型的划分二、建筑场地覆盖层厚度的确定三、土层等效剪切波速的计算四、建筑场地类别划分五、判别砂土或粉土地基的地震液化六、其他应用本章复习思考题：1.什么是声波测试？其应用有什么意义？2.区分几种波的概念。（体波与面波、瑞利波与勒夫波、压缩波与剪切波）3.波速测试有哪些工程方面的应用？4.怎么判别剪切波到达的起始点？