工程地质动测技术_波速

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Ⅲ、对于丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过20米的丙 类建筑物，当无实测剪切波资料时，可根据岩土体名称和性状 ，按照下表进行土类型的划分。
土的类型 坚硬土或岩石 岩土名称和性状 稳定岩石，密实的碎石土 中密、稍密的碎石土，密实、中密 的砾、粗、中砂，fak>200的粘性土 和粉土，坚硬的黄土 稍密的砾、粗、中砂，除松散外的 细、粉砂， fak <200的粘性土和粉 土， fak >130的填土 淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近 沉积的粘性土和粉土， fak<130的 填土，流塑黄土 土层剪切波速度范围 Vs＞500
式向检波器传播，SH波在各层土体中实际旅行的路程用L1,L2 … Li表示。
三、岩土体波速测试在工程中的应用 岩土体的弹性波速度测试是工程测试方法中的重要内容，近 年来，已广泛应用于国内外重点工程，如核电站、大型水电站 。在工程设计中，为评价工程的基础的承载力，稳定性、液化 以及地震设防等问题提供优基本参数
为剪切波震相的到时。
②顺着纵波波序分析，由于纵波的频率也较横波高，但是幅 值较横波小，因此在波形图上波振幅突然增加的位置。 ③时间读取完成之后，可分别计算发射孔到第一个接收孔之 间的速度、发射孔到第二个接收孔之间的速度以及两个接收孔 之间的速度参数，如果这三个速度存在差异，则表明您所读取 的时间参数不正确，应该对测试的波形记录进行重新分析和判 断。
正向，则将震源的激发方向改为从右到左激发，则形成的横波 将是负相位。纵波则不具备该特征。 在实际工作中为了能够利用横波反相这一特征，在数据采集 时一般均采用三分量井下检波器并采用定向激振震源，分别从 两个相反的方向激发横波，根据采集记录的相位特性来确定横 波的时间，如图所示。
⑵波速计算 弹性波速测定波旅行时间t，然后由钻孔中测点深度h与激振 板距孔的距离s，来确定波的行程，通过波的行程距离和时间 之比即可确定波的速度。其计算如下图所示意
岩土名称 土层 岩石 砾石 钻孔间距（米） 2.5-3.0 8.0-10.0 4.0-5.0
3、资料整理与分析
⑴现场对波形记录的识别 在现场实验时，必须要求每个测点所得到的波形记录，能够 基本上分辨出纵波和横波的震相。有时为了得到非常好的记录 ，在同一测点上采用剪切波锤和爆炸两种震源，一般情况下， 爆炸震源形成的纵波记录比较完整，而剪切波锤产生的横波比 较丰富。 ⑵室内对波形的判断 在室内主要是精确地判断纵波和横波的初至时间。一般来将 ，纵波的初至时间比较容易读取，重要的是纵波波序之后如何 准确地识别横波的初至时间，其具体的识别方法如下： ①首先根据不同方向激震所记录下来的波形图，找出相位相 反的震相，然后用重叠法找出第一个剪切波到达的起跳点，作
剪切波。
2、现场技术
⑴一般将扣板震源放置在离钻孔孔口2-3米的位置，板的横 向指向钻孔方向，板的端与孔口构成等腰三角形。
⑵对于有套管的钻孔，应该将套管与孔壁之间的间隙充填。 而对于没有套管且容易塌孔的钻孔，应该采用泥浆护壁后进行 测试。对于严重塌孔的地层，由于探头与井壁土体之间耦合不 好，严重影响测试资料，无法正确读取时间参数。 ⑶在测试过程中应该注意探头的贴壁耦合问题。 ⑷选择合适的井口与震源距离，一般情况下，测试深度较深
⑵松动圈判定 利用岩石中的速度参数可以进行围岩分类和松动圈范围的确 定。在一些部门已经将其列为规范在使用。 3、地基参数 ⑴地基承载力基本值 土体的剪切波速度与地基承载离之间具有如下表的关系：
土层的剪切波速度(m/s)
60-80 100-130 140-180
土层的承载力KPa
35-45 75-90 95-120
工程地质动测技术
岩土体纵波与横波速度测试
一、发展概括 关于土层中的传播理论和测试方法的研究应该说是借助于地 球物理勘探理论和技术的发展而发展起来的，随着理论研究的 不断发展，波速测试技术的研究也在不断地发展，其应用领域 也不断地拓展。目前国内外通行的现场波速测试技术如下表所 述：
波 型
其它可测定内容
注意：由于影响土层速度的因素比较多，因此上述表格中所列 出的参数具有一定的地区性质，在实际使用过程中应该予以重 视。 4、黄土湿陷和震陷 黄土湿陷的与横波速度参数之间的关系为： Vs=132+7.2H 其中：H为深度 该公式计算的Vs可作为黄土湿陷门槛速度。 5、砂土液化判别
目前判别砂土液化主要有两种方法即实验室法和现场标贯法， 目前也有利用剪切波速度参数进行评价，其评价公式为： Vs=SQRT(atrdZ/(rt(G/Gmax))) 其中：at-为地表峰值加速度临界值 Z-深度 rt -密度 G -剪切模量 6、建筑物抗震设计
1、在工程勘察中的应用 ⑴土体的动力学指标 根据弹性理论，地震波是以与介质弹性系数和密度有关的一 定速度传播着，地震波在介质中传播的速度与介质的弹性参数 存在如下关系：
式中：Vp纵波速度；Vs横波速度； ρ土体质量密度；v泊松比； E动弹性模量；G动剪切模量。 由公式看出，只要测定出岩土的纵、横波速度、密度就可确 定岩土的弹性参数。
1、设备与仪器 跨孔法所采用的震源可分为两类即爆炸震源和机械震源。 ⑴爆炸震源 ①炸药爆炸震源 ②电火花震源
⑵机械震源 ①井下剪切波锤
②重锤震源
2、现场技术 ⑴钻孔的数量 开始跨孔法是采用两个孔，但是由于触发开关的延迟、波 传播路径等因素的影响所造成的速度 误差无法估算，因此一
般在实际工程测试中采用三个钻孔。
二、速度检层法 速度检层法又叫速度测试井，可分为上孔法和下孔法。下孔 法是地面激发、震，井中接收；上孔法是井中激震，地面接收 。工程上最常用的是下孔法，其示意图如下：
速度检层法最大的优点是只需要一个钻孔即可。但是该方法最 主要的确定是测试深度受到一定的限制，其主要原因如下： ⑴地震波在传播过程中随着传播距离的增加其能量迅速衰减 ，因此在深度较大的井中很难接收到地表所产生的信号；
②钻孔孔径太大，套管与钻孔之间的间隙必须灌浆，这些 充填物质太厚会影响波的传播速度和传播路径； ③钻孔孔径大会增加费用 ⑷钻孔间距 该方法的孔间距确定非常重要，因为该方法为直达波测量， 是要测定直达的压缩波初至到时和第一个剪切波初至到时。在 层状地层中，根据折射波形成和传播特点，确定最佳孔距既要 防止接收到折射波，又要考虑仪器的计时精度，同时还要考虑 到震源能量所能传播的距离。 经过大量的实践总结，该方法 钻孔间距就下表为最佳：
优 点
缺 点 ①测试需要两个以上的钻 孔 ②要做垂直校正 ③要避免折射 ①测得的是某一深度内的 平均速度 ②浅层易受干扰
跨孔法
PS波
测孔可作工程勘 察技术孔使用
①已知波的传播路径 ②可逆，多为SV ③测试深度大精度高
①只需要单孔 ②可逆，多为SV ③适用地震反映分析参 数 ④工作空间小 ①只需要单孔 ②可逆，多为SV ③适用地震反映分析参 数 ④工作空间小 ⑤能够避免探头不贴井 壁
一、跨孔法 由于在两个钻孔之间采用垂直剪切冲击会产生水平传播的垂 直偏振（SV）的剪切波，通过检测波在两孔之间的旅行时间即 可计算出该深度位置处土层的弹性波传播速度。该方法是1972 年由美国人斯托克和伍兹首先提出的，其具体现场布置如下图 所示：
通过大量的对比试验，目前已经基本公认采用跨孔法原位测定 的土体剪切波速度值精度最高。
表 面 波 法
R波
瞬态法
R波
R波的衰减、频散 特性
反射 波法 折射 波法 随机 波法
时距曲线
PS波
地层的构造
①在地面工作 ②工作面广、效率高 ①在地面工作 ②工作面广、效率高 ③可得到界面速度 ①在地面工作 ②方法简单
相遇时距 曲线
PS波
地层的构造
脉动法
随机波
场地脉动频谱
由上表可知，就土体波速测试方法而言比较多，但是每种测试 方法均有自己的特点和局限性，盲目采用某种方法，则可能导 致浪费甚至失败。
直 达 波 法
下孔 法 速 度 检 层 法
PS波
有的能够同时进 行静力触探
上孔 法
PS波
测孔可作工程勘 察技术孔使用
①测得的是某一深度内的 平均速度 ②干扰大，不易辨别震相
波 型 稳态法
其它可测定内容 基础的动力特性
优 点 ①在地面工作 ②物理机制简单、清晰 ①在地面工作 ②测试受人为影Fra Baidu bibliotek小
缺 点 ①有效深度不大 ② 需要大功率震源 ①有效深度不大 ② 需数字处理分析系统 ①得到的是有效速度 ②S波不易辨别 ③不够精确，大尺度 ①不能够求得Vs ②不够精确 ①工作环境要求高 ②需频谱分析处理系统 ③尚处在研究阶段
⑵由于波的传播距离增加，受到各种土层界面的影响而使得 该产生较大的误差。同时在浅层容易受到干扰而影响测试精度
1、设备与仪器
⑴扣板震源 速度检层法最常用的震源是扣板震源，它是块2.5×0.3×0.2 米的硬质木板（称为叩板），板的底面和地表面紧密接触，在 木板上压上一个重约500公斤的重物，然后用铁锤水平敲击木 板两端，使木板与地面产生剪切力，产生向下传播的SH便振的
震 源
S
L1 L'1
探 头
h1 V1
a1
L''1
L2 a2
L'2 V2
h2
L3 a3 V3
h3
在计算中把自然沉积的不同地层认为是均匀体，波速认为是常
数，所以把各层土体厚度作为Δh ，检波器在孔中的深度分别 为h1,h2,h3……hi，这里不考虑SH波在各个界面所发生的折射。
近似地认为是常数，所以认为SH波来自激发板中心，以直线方
时，该距离可适当增加，一般选择2-3米为宜。
3、资料整理与分析
⑴震相分析
①一张记录中由于纵波的传播速度大于横波,因此记录中首 先到达的是纵波,而后才是横波.因此纵波总出现在记录的最前 面,我们称之为初至,而横波在出现后面的波的续至区内。 ②从记录的表面特征来分析，纵波的频率也较横波高，但是 幅值较横波小。 ③横波具有反相性即横波的相位随震源的激发方向的不同而 不同。假设震源的激发方向是从左到右，得到的横波的相位是
⑵土工指标的关系 研究表明，岩土体的力学指标中的标贯值、抗压强度的与剪 切波速度有着良好的相关关系： 粘性土：Vs=120.0N0.273 无侧限抗压强度：Vs=138.3qu0.147 2、基岩质量 ⑴基岩施工 在基岩开挖过程中，为了评价基岩的软硬程度、断层的位
置和产状以及破碎带发育情况，可利用岩土体的速度参数进行 评价。在正常情况下，质量较好的岩石的纵横波之比是1.7左 右。比值增大说明岩石的性质发生变化，一旦增加到某个范围 ，就意味着岩石已经变为破碎带。
Ts=4H/SQRT(G*/ρ*) 其中：G* 为剪切模量的加权值且G*= (∑ni=1Gi × Hi)/H ρ*为密度的加权值且ρ*= (∑ni=1 ρ i × Hi)/H
G：为剪切模量G=Vs×Vs × ρ ρ：为土层的密度
④等效法 在0.63H处选取的等效速度Vsaq
Ts=4H/Vsaq
该计算方法在日本应用的非常广泛。 ⑤修正公式法 该公式主要用来对软弱夹层的修正，其计算公式为： Ts=2（H/Vs’+（H+b)/Vs） 其中：Vs-土层的剪切波速度 Vs’软弱夹层的剪切波速度 n-夹层到地面的距离 b-夹层的厚度
⑴场地卓越周期 利用土层的剪切波速度参数，可计算出场地的卓越周期参数 ，用于建筑物抗震设计。其计算方法比较所，下面就H-V计算 方法中的几个常用的计算公式介绍如下： ①求和法
Ts=∑ni=14Hi/Vsi
②平均法 横波加权平均法
Ts=4H/Vs*
其中：Vs*为速度关于厚度的加权平均值 ③剪切摸量和密度的加权平均法
⑵钻孔的排列 现场测试钻孔布置成一条直线，且两个接收孔相邻。这样做 的目的是： ①可以有效地消除触发延迟； ②消除土层各向异性的影响； ③消除钻孔套管和填料的影响； ④便于进行钻孔的倾斜校正 ⑶钻孔的孔径 钻孔直径首先应考虑震源和接收探头装置在钻孔中能顺利上 下活动，若下套管，在考虑套管的外径的前提下，钻孔的孔径 应尽量小，这主要考虑如下因素： ①小口径钻探在钻进过程中对周围土的扰动较小；
⑵场地土和场地类别评价 根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，对剪切波速度的 测试工作和评价方法有如下的规定： ①建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速度和场地覆 盖层的厚度为准。
②土层剪切波的测试应该符合如下的规定 Ⅰ、在场地进行初勘阶段，对大面积的同一地质单元，测量 钻孔剪切波速度的钻孔数量，应该为控制性钻孔数量的 1/3~1/5，山间河谷地段可适量减少，但不宜少于3个； Ⅱ、在场地详勘阶段，对单幢建筑，测孔数量应该不少于2 个，数据变化较大时，可适当增加；对小区中处于同一地貌单 元的密集高层建筑，测孔数量可适当减少，但每幢高层不得少