9、波速测试

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.
=1 ,当
G
>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:
2 V = k ds 0.01ds scr
2 V = k ds 0.0133ds scr
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.
(2)根据波的传播时间,利用公式确定各土层波速.
V = si hi hi1 i1 h h j j-1 ticosθi ∑ V j=1 sj
(3)根据各层Vsj,ρj或γj计算剪切模量Gj(j为土层序 号):
Gj = ρ j / V =
2 sj
γj
2 gVsj
g为重力加速度,g=0.00981km/s2
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0～270H z.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.
根据以上推导,可得剪切波到达任意测点的走时:
1 hi hi1 i1 h j h j-1 ti = ( +∑ ) cosθi Vsi Vsj j=1
θi = arctan(
dx ) hi
(2)反演公式 根据正演公式变形得到:
V = si hi hi1 i1 h h j j-1 ticosθi ∑ V j=1 sj
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.
对于第2个测点:
h L21 = 1 cosθ2
h2 - h1 L22 = cosθ2
t2 =
L21 L22 h h h1 1 + = ( 1 + 2 ) V V V cosθ2 V s1 s2 s1 s2
同理,剪切波到达测点3的走时:
t3 = L31 L32 L33 h h h1 h3 h2 1 + + = ( 1 + 2 + ) V V V cosθ3 V V V s1 s2 s3 s1 s2 s3
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.
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.
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.
表9-2 计算系数k
抗震设防烈度 饱和砂土 饱和粉土 7° 92 42 8° 130 60 9° 184 84
(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
一,基本概念 二,仪器设备构成 三,试验方法 四,资料整理
第 三 节 跨 孔 法 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 向是 直的,波的
(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)
∑h G G= ∑h
j j
j
(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)
V sm
∑h V = ∑h
j j
sj
(7)计算场地的卓越周期T(覆盖层厚度dov内)
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.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.
第 三 节 试 验 方 法 与 技 术 要 求
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
(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.
跨 孔 法 声 波 测 试 示 意 图
向为
平向.
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.
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.
T = 4∑
h j
V sj
(8)计算场地指数 1)刚度指数
G =1 e
G = 0
6.6( G-30 )×103
,当
G
>30Mpa
,当
G ≤30Mpa
2 )厚度指数
d = e
0.8( dov-5 )2×103
,当dov≤80m , 当dov>80m
d = 0
3)场地指数
= 0.7G + 0.3d ,当 G ≤500Mpa或d >5m ov
第9章 波速测试
第一节 概 述 第二节 第三节 单孔法 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
第 一 节 概 述
一,基本概念
1.声波测试的定义
波速测试(Wave Velocity Test)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 下 的 现 参数 的传播速度是地基土在动力 一, 是 ( ) 物 用 的工程性 一.
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9-6 b)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
1 单孔法波速测
示 图பைடு நூலகம்
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(Seismic Cone Penetration Test,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: L1 =
h1 cosθ1
剪切波达到测点1的走时: t1 =
L1 h 1 = × 1 Vs1 cosθ1 Vs1
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
一
第 二 节 单 孔 法
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.