跨孔法剪切波速测试技术在工程中的应用

跨孔法剪切波速测试技术在工程中的应用
陈建立
【摘要】Using shear wave measurement of the cross-hole method,the low velocity soft intercalated layer in foundation could be measured.The method is an in situ test technology with high precision,convenient operation,high-speed and accuracy,and mostly used in large engineering construction.The Working Principle and data handling procedure of the cross-hole method wave measurement are presented in this paper,and the paper explores the actual applications of this method in project engineering.%跨孔法剪切波速测试技术可测出地层中的低速软弱夹层,测试精度较高,是一种简便、快速、准确的原位测试技术,多在重要的大中型工程中应用。

本文阐述了跨孔法波速测试的原理和数据处理过程,并探讨了该测试方法在工程中的具体应用。

【期刊名称】《四川建材》
【年(卷),期】2011(037)005
【总页数】3页(P84-85,87)
【关键词】跨孔法;剪切波速;工程应用
【作者】陈建立
【作者单位】四川建筑职业技术学院,四川德阳618000
【正文语种】中文
【中图分类】TU413
0 前言
剪切波速测试是一项重要的现场原位测试技术，目前已广泛应用于岩土工程、铁路工程、桥梁工程、水利水电工程、工业与民用建筑等众多领域，取得了良好的应用效果。

与实验室方法相比，波速测试的优点是能有效避免在取样、运输过程中所产生的扰动对试验结果的影响，从而避免了室内测试所带来的误差。

波速测试常用方法有:单孔法［1］、跨孔法［2］和面波法［3］。

跨孔法剪切波速测试具有测试深度较深、测试精度较高，适用范围广、数据整理方便的优点，在重要的大中型工程中应用较为广泛，且能有效地解决许多工程应用问题，如计算地基动弹性参数、确定建筑场地类别、评价岩土体质量、检验地基加固效果等。

1 跨孔法波速测试原理
跨孔法剪切波速测试［4］是利用布置在同一条直线上的三个已知距离的钻孔，在其中的一个钻孔(振源孔)中逐点进行激振，产生剪切波，而在另外的两个钻孔(接
收孔)中利用三分量检波器，接收同一深度处振源孔传来的剪切波，根据波传播的
距离和传播时间计算出场地土的剪切波速，进而评价岩土体的工程性质。

对于地面较为平坦，且土层水平向较为均匀的场地，宜采用跨孔法测试每层土的剪切波速。

测孔间距一般为2～5m，根据工程情况和地质分层，每隔1～2 m布置一个测点。

振源孔与接收孔内的传感器应布置在同一水平面上。

振源孔可采用标准贯入器或剪切波锤作为振源，接收孔用三分量检波器作为接收装置。

应用标准贯入器、剪切波锤作为振源的跨孔法剪切波速测试示意图，分别见图1～2所示。

跨孔法剪切波速测试的特点为:①跨孔法剪切波速测试可方便地应用于各种地层，
在地下水位以上和地下水位以下都有效;②由于跨孔法剪切波速测试时振源和接收器都埋设在土体内部，现场测试时受外界干扰较小，因此也可在已有的结构物下进行测试;③在钻孔间距适当的时候，跨孔法剪切波速测试可以测定地层中低速软弱夹层的剪切波速值，这一点在岩土工程中具有十分重要的意义;④跨孔法波剪切速测试技术测试的深度较大，从理论上讲，只要仪器条件能够满足，就可以测试到钻孔所能达到的深度。

1.1 计算方法
从记录波形确定检波器记录的剪切波形信号初至时刻和触发传感器波形信号起点之差即激发剪切波的到时差［5］。

然后由各孔的水平距离确定波速。

每个测试深度的剪切波速，按下列公式计算:
式中，Vs为剪切波波速(m/s);Ts1为剪切到达第一个接收孔测点的时间(s);Ts2为剪切到达第二个接收孔测点的时间(s);s1为振源孔到达第一个接收孔测点的距离(m);s2为振源孔到达第二个接收孔测点的距离(m);Δs为振源孔到两个接收孔测点的距离之差(m)。

1.2 波速到时差计算
波速测试中，决定波速测量精度的关键在于判断剪切波到达的初至时刻。

在现有的研究当中，剪切波速到时差计算方法有以下三种:①人工寻找触发传感器输出波形和检波器输出波形的初至时刻，然后求其差;②人工寻找触发传感器输出波形的第一波峰和检波器输出波形的第一个波峰的时间差;③利用互相关函数［6］对触发传感器输出波形分别与检波器输出波形利用互相关函数进行互相关分析，求出其初至时间差，互相关函数能提高信噪比和判断出两相似信号的相位差或到时差，提高了波速测试的效率和精度。

前两种方法操作简单，但因环境噪声的影响，往往不能准确地找到剪切波的初至时刻。

如图3所示，为某工程一测点的实测跨孔法剪切波记录信号。

最上面曲线为触发传感器记录，第二条曲线为距离触发孔较近检波器传感器的剪切波记录信号，第三条条曲线为距离触发孔较远检波器传感器的剪切波记录信号，以上三种波速到时差计算方法都可以用于该跨孔法实测波形剪切波的到时差计算。

图3 现场剪切波形及到时差的确定
2 跨孔法剪切波速测试技术在工程中的应用
跨孔法剪切波测试技术在岩土工程中有着广泛的应用，且具有较高的测试精度。

可以确定地基土地下水位［7］、计算地基土层的动弹性参数［8］、判断场地土类型和场地类别［9］的、评价场地土液化［10－11］、检验地基加固处理效果［12］。

2.1 确定地基饱和土层的初见深度
跨孔法可同时测出地基土的剪切波和压缩波波速。

利用测得的压缩波速可确定饱和土层的初见深度，即地下水位，这是根据压缩波的波速特性来进行的。

由于土中少量含气时会使压缩波波速急剧减少，因而利用Sr=100%和少量含气时波速值的显著差异，即可方便地确定完全饱和土层的初见深度。

2.2 计算土的动弹性参数
高层建筑、动力机器基础和重点工程场地必须进行地基土层动弹性参数测试，为抗震设计和稳定性分析提供依据。

用跨孔法测试出剪切波和压缩波速度，然后根据波动理论，传播于连续、均质、各向同性弹性介质中的地基土动弹性参数为:
式中，μd为地基土动泊松比;Ed为地基土动弹性模量(MPa);Gd为地基土动剪切模量(MPa);ρ为地基土密度(g/cm3)。

2.3 划分场地类别
《建筑抗震设计规范》［13］中规定建筑场地的类别划分，以土层等效剪切波速
和场地覆盖层厚度为准，划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，如表1所示;覆盖层厚度在一
般情况下，按地面至剪切波速大于500 m/s的土层顶面的距离确定。

土层的等效
剪切波速，按下式计算:
式中，Vse为土层等效剪切波速(m/s);d0为计算深度(m)，取覆盖层厚度和20 m
二者较小的值;t为剪切波在地面与计算深度之间的传播时间(t);Vsi为计算深度范围内第 i土层的剪切波速(m/s);n为计算深度范围内土层的分层数。

表1 建筑场地的覆盖层厚度及类别划分等效剪切波速(m/s) 场地类别
ⅠⅡⅢⅣVse＞5000500≥Vse＞250 ＜5 ≥5250≥Vse＞140 ＜3 3～50 ＞8050 Vse≤140 ＜3 3～15 ＞15～80 ＞
2.4 评价场地土液化
液化是指物体在一定条件下由原来状态变为液态的物理作用和过程。

土体发生液化时，其有效动应力小至零而失去抗剪形变的能力，如砂土会变成粘滞流体，造成建筑物的下沉或倾斜。

研究地基的液化具有重要的实际意义。

跨孔法剪切波速测试是研究地基液化的一个简便而有效的方法。

当实测地层波速 Vs小于该地层的液化临界波速时，有可能液化，当实测波速大于临界波速时，则地层不可能产生液化。

2.5 检验地基加固效果
采用跨孔法剪切速度测试技术可检测土层的加固效果，且可避免地下水的影响等。

检验地基的加固效果时，可分别测出加固前地基土的剪切波速Vs0和加固之后地
基土的剪切波速Vs1，若Vs1/Vs0，即认为加固效果满足要求。

用跨孔法剪切波速测试技术检验软土地基加固的效果，近年来应用很广。

除此之外，还有的工程单位用此技术检测水电站坝址或水库坝址灌浆后的效果。

3 结语
跨孔法剪切波速测试技术具有简便、快速、经济、精度高、分辨率高、应用范围广
等优点，在工程中有着广泛的应用。

通过计算土体的动弹性参数能为建筑结构抗震设计和动力机器基础稳定性提供分析依据，也可在划分建筑场地类别、评价场地土液化、检测地基加固效果等工程中应用。

参考文献:
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