剪切波速在各类工程项目场地类别划分中的应用

剪切波速在各类工程项目场地类别划分
中的应用
摘要：本文简要介绍了XG-I型悬挂式波速测井仪的测试原理及方法，以及
通过对比剪切波速成果在建筑、公路及铁路工程项目场地类别划分中的应用实例，分析剪切波速在不同的工程项目场地类别划分上的异同。

关键词：剪切波速场地类别应用异同
0引言
根据《浙江省防震减灾条例》(2021年3月26日修正)的有关规定，重大建
设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程应当进行地震安全性评价，其中包括
高度超过一百米的建筑工程，特大桥梁，长度大于一千米的隧道，城市轨道交通
工程，三级以上医院的门诊楼、病房楼等等。

依据国家标准《工程场地地震安全
性评价》(GB 17741—2005)技术规范要求，需要开展工程场地地震工程地质条件
勘测工作，包括进行钻孔分层岩土剪切波速的原位测试，并给出场地钻孔剖面岩
土分层剪切波速随深度的变化情况和各钻探孔处的场地类别划分，以获取实际场
地条件与环境下的土层剪切波速资料，确保场地地震反应计算中所建立的场地力
学模型的合理性。

剪切波速测试，可以采用的方法有单孔法、跨孔法和面波法，而实际工程中
最常用的方法是单孔检层法，比较常用的测试仪器为XG-I型悬挂式波速测井仪。

然而同样的剪切波速测试成果，对于在不同的工程项目中，所划分的场地类别也
不一样，这时我们需要依据不同工程的抗震设计规范去进行场地类别划分。

本文
简要介绍XG-I型悬挂式波速测井仪的测试原理及方法，剪切波速成果在不同工
程项目场地类别划分中的应用实例，从而找出不同的工程项目在场地类别划分上
的异同。

1XG-I型悬挂式波速测井仪的测试原理及方法
1.1 仪器介绍
XG-I悬挂式波速测井仪由廊坊开发区大地工程检测技术开发有限公司研发与生产。

该仪器是自动化程度较高的剪切波速测试设备，主要由主机、井中悬挂式探头及连接电缆等组成（见图1）。

井中悬挂式探头，主要由全密封（防水）电磁式激振源、两个独立的全密封检波器及高强度连接软管等组成。

图1 XG-Ⅰ型波速测井仪系统
仪器主要技术指标如下：
通道数：1至3道可选；
采样间隔：0.02ms-4ms可选；
采样点数：512－4096可选；
各道时间一致性：≤0.1ms；
各道振幅一致性：<3%；
频率范围：5-1000Hz；
前放增益：18-60dB可选；
A/D转换精度：14位；
输入阻抗：≤10kΩ；
触发方式：脉冲、通断；
延时：0-8000ms可选。

探头采用悬挂式井液耦合检波器，水平检波器的固有频率为60Hz，灵敏度为30V/m/s。

1.2测试原理及方法
工作时将悬挂式探头(即振源和检波器)放入孔中，用孔中的泥浆液作为震源和检波器与井壁耦合介质。

震源(电磁锤)为水平激振(垂直井壁)激发产生P、S 波，S波沿井壁地层传播，由两个相距lm的检波器接收沿井壁传播的S波振动信号并把S波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储。

主机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度。

测试顺序自下而上逐点进行，测点深度间隔1.0m。

图2 信号传播示意图
2剪切波速成果在不同工程项目场地类别划分中的应用实例
2.1 建筑工程实例
根据国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中关于土层的等效剪切波速，应按下列公式计算：
(1)
(2)
式中：
——土层等效剪切波速(m/s)；
——计算深度（m），取覆盖层厚度和20m两者的较小值；
t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；
——计算深度范围内第土层的厚度（m）；
——计算深度范围内第土层的剪切波速（m/s）；
n——计算深度范围内土层的分层数。

2021年4月我公司对莫干山医疗中心工程场地布设的3个地震工程地质勘察钻孔进行了单孔剪切波速测试，测试深度分别为41m、46m和45m，合计完成测试点132个。

测试深度均达到中风化基岩处，且剪切波速值均大于500m/s，满足《工程场地地震安全性评价》(GB 17741—2005)技术规范要求。

参照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）关于场地覆盖层厚度确定规定和场地类别划分表（如表1）。

表1 建筑工程场地类别划分表
根据本次剪切波速测试的处理分析结果，确定了各钻孔点覆盖层厚度和土层等效剪切波速值，并依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）关于场地土类型的确定和场地类别的划分规定，从而得出测试深度内场地土的类型和工程场地类别，详见各钻孔处场地土类型和场地类别一览表（如表2）。

表2 各钻孔处场地土类型和场地类别一览表
剪切波速测试分析结果表面，莫干山医疗中心3个地震勘探孔部位的场地类别均为Ⅲ类，且20米以上场地土类型均为软弱土。

同时，本项目工程场地类别按照Ⅲ类场地进行地震安全性评价的相关工作。

2.2 公路工程实例
根据国家标准《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）中关于土层平均剪切波速，应按下列公式计算：
(3)
(4)
式中：
——土层平均剪切波速(m/s)；
——计算深度（m），取覆盖层厚度和20m两者的较小值；
t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；
——计算深度范围内第土层的厚度（m）；
——计算深度范围内第土层的剪切波速（m/s）；
n——计算深度范围内土层的分层数。

2021年9月我公司对S211钱塘段（江东大道至红十五线）公路工程场地布设的4个地震工程地质勘察钻孔进行了单孔剪切波速测试，测试深度均为100m，合计完成测试点400个。

测试深度的剪切波速均大于500m/s，满足《工程场地地震安全性评价》(GB 17741—2005)技术规范要求。

参照《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）关于场地覆盖层厚度确定规定和场地类别划分表（如表3）。

表3 公路工程场地类别划分表
根据本次剪切波速测试的处理分析结果，确定了各钻孔点覆盖层厚度和土层平均剪切波速值，并依据《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）关于场地土类型的确定和场地类别的划分规定，从而得出测试深度内场地土的类型和工程场地类别，详见各钻孔处场地土类型和场地类别一览表（如表4）。

表4 各钻孔处场地土类型和场地类别一览表
剪切波速测试分析结果表面，S211钱塘段（江东大道至红十五线）公路工程4个地震勘探孔部位的场地类别均为Ⅲ类，且20米以上场地土类型均为中软土。

同时，本项目工程场地类别按照Ⅲ类场地进行地震安全性评价的相关工作。

2.3 铁路工程实例
根据国家标准《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）中关于土层等效剪切波速，应按下列公式计算：
(5)
式中：
——计算深度内的土层等效剪切波速(m/s)；
——计算深度（m），应取地面或一般冲刷线以下25m，并不得小于基础地面以下10m；
——计算深度内第土层的厚度（m）；
——第土层的剪切波速（m/s）；
n——计算深度内土层数。

2022年2月我公司对衢丽铁路衢州至松阳段工程场地布设的6个地震工程地质勘察钻孔进行了单孔剪切波速测试，测试深度分别为31m、54m、28m、25m、30m和51m，合计完成测试点219个。

测试深度均达到中-弱风化基岩处，且剪切波速值均大于500m/s，满足《工程场地地震安全性评价》(GB 17741—2005)技术规范要求。

参照《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）关于场地覆盖层厚度确定规定和场地类别划分表（如表5）。

表5 铁路工程场地类别划分表
＞500
250＜
≤500
150＜
≤250
＜
150
根据本次剪切波速测试的处理分析结果，确定了各钻孔点覆盖层厚度和土层等效剪切波速值，并依据《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）关于场地土类型的确定和场地类别的划分规定，从而得出测试深度内场地土的类型和工程场地类别，详见各钻孔处场地土类型和场地类别一览表（如表6）。

表6 各钻孔处场地土类型和场地类别一览表
剪切波速测试分析结果表面，衢丽铁路衢州至松阳段工程6个地震勘探孔部
位的场地类别均为Ⅱ类，且20米以上场地土类型均为中硬土。

同时，本项目工
程场地类别按照Ⅱ类场地进行地震安全性评价的相关工作。

3结论
①剪切波在土层中的传播速度是反映土的动力特性的重要参数，根据剪切波
速可有效进行场地土的类型和场地类别判定等。

②无论是土层等效剪切波速还是土层平均剪切波速，其实在实际工程场地类
别划分中的含义是相同的。

而《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）中关
于土层等效剪切波速的计算公式中，计算深度的取值与其他工程不同，铁路工程
中计算深度应取地面或一般冲刷线以下25m（且不得小于基础地面以下10m）,其
他工程中则一般取覆盖层厚度与20m相比的较小值即可。

③不同工程的抗震设计规范关于场地土类型的确定和场地类别的划分规定有
所不同，其中公路工程规定场地土层平均剪切波速的划分界限为140m/s,而铁路
工程只需根据场地计算深度内土层等效剪切波速值直接进行场地类别划分。

因此，我们在实际工程项目中进行场地类别划分时必须对照相应的抗震设计规范来判定。

④剪切波速在各类工程项目场地类别划分中起着相当重要的作用，我们在进
行剪切波速测试时务必选择最佳方法和最合适的仪器设备，同时测试时应尽量减
小各种干扰，以取得有效的剪切波速值，为地震安全性评价工作提供有效的数据
支撑。

参考文献：
[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国际标准化管理委员会，GB17741-2005，工程场地地震安全性评价[S]，北京：中国标准出版社，2005.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验
检疫总局，GB50011-2010，建筑抗震设计规范（2016年版）[S]，北京：中国建
筑工业出版社，2010.
[3] 中华人民共和国交通运输部，JTG B02-2013，公路工程抗震规范[S]，北京：人民交通出版社，2013.
[4] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB50111-2006，铁路工程抗震设计规范（2009年版）[S]，北京：中国计划出版社，2009.。