5 波速测试
波速测试
④类型：根据测试对象和工作方式的不同，声波探头可 类型：根据测试对象和工作方式的不同， 划分为喇叭型、增压式、弯曲型、测井换能器、 划分为喇叭型、增压式、弯曲型、测井换能器、横波换能器 等多种类型。 等多种类型。
《岩土工程原位测试》 岩土工程原位测试》
第6章 波速测试
第6章 波速测试
学习指导: 了解各种波速测试的方法分类、 学习指导: 了解各种波速测试的方法分类、国家现 行规范对波速测试的要求、波速测试的要点、 行规范对波速测试的要求 、 波速测试的要点 、 资 料整理及成果应用。 料整理及成果应用。 重点： 重点 ： 各种波速测试方法以及国家现行规范对该 试验的要求； 弹性波基本理论；仪器组成； 试验的要求 ； 弹性波基本理论 ； 仪器组成 ； 野外 工作方法； 测试指标及物理意义；适用范围； 工作方法 ； 测试指标及物理意义 ； 适用范围 ； 波 速测试要点；资料整理及成果应用。 速测试要点；资料整理及成果应用。
6.1 概述
3．工程中常用的波：纵波（P波）、横波（S波）、瑞利面波（R波） 工程中常用的波：纵波（ 横波（ 瑞利面波（ 4．用弹性参数表示的波速公式
5．Vp、Vs、VR之间的关系 Vp、Vs、
6.1 概述
6．用波速计算弹性参数的公式
7、基本测试方法 (1)、对穿法 V=L/t
(2)、一发双收测孔 ①换能器结构 ②测试原理
6.3 单孔法
6.3.1 基本原理 2 公式推导 定义坐标系原点为钻孔口， 定义坐标系原点为钻孔口 ， z 轴沿钻孔向下为正， 轴沿钻孔向下为正， x轴向右为 正。 设测点深度为 hi ， 激震点距 钻孔口距离为dx dx。 钻孔口距离为dx。
波速测试
（ 1 ） A 、 B 检波器的距离一定要小于 1 个波长的距离。这是因 为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器 间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度； （2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔；
（ 3 ）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦 激振波加以调制； 13
式中 m——波速比，m=vP/vs。
17
5.3 试验成果的整理分析
1. 单孔法
确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下 列规定：
（1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； （2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。 由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量 记录，应选最佳接收的记录进行整理。 压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进 行斜距校正： T=KTL
岩土工程测试与监测
第5章 波速试验
1
第5章 内
5.1 试验设备和方法 5.2 基本测试原理
容
5.3 试验成果的整理分析 5.4 试验成果的应用 讨 论
2
5.1 试验设备和方法
5.1.1 试验设备 试验设备一般包含激振系统、信号接收系统（传感器）和信
号处理系统。
测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。 5.1.2 测试方法
s
VR
s
（5-19） （5-20）
0.87 1.12 1
23
5.4 试验成果的工程应用
根据岩土体中的弹性波波速，可以判定场地土的物理力学
性质和地基承载力，评价场地土的液化可能性，计算场地土的 卓越周期，检测地基处理的效果。
24
思 考 题
1．单孔法、跨孔法和面波法各自采用什么方式激振？
最新5波速测试
的折线段确定。每一波速层的压缩波波速或剪切波波速，应按
下式计算： 2. 跨孔法
v H T
（5-12）
确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下
列规定：
（1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形；
（2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。
由振源到达每个测点的距离，应按测斜数据进行计算。每
（2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。 由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量
记录，应选最佳接收的记录进行整理。
压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进
行斜距校正：
T=KTL
（5-10）
K HH0 L2(HH0)2
（5-11）
18
时距曲线图的绘制，应以深度H为纵坐标，时间T为横坐标。 波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率
12
（3）改变激振频率，测试不同深度处土层的瑞利波波速； （4）电磁式激振设备可采用单一正弦波信号或合成正弦波信 号。 因为瑞利波在半无限空间中是在一个波长范围内传播的。低频 激振时，波长变长，可测出深层瑞利波速度。由低向高逐渐改变激 振频率，波长由长变短，探测深度由深变浅，从而得出不同深度的 弹性常数。 测试过程中要注意如下几点： （1）A、B检波器的距离一定要小于1个波长的距离。这是因 为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器 间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度； （2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔； （3）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦 激振波加以调制；
一般而言，介质的质量密度越高、结构越均匀、弹性模量 越大，则弹性波在该介质中的传播速度也越高，同时我们又知 道该介质的力学特性也越好。故弹性波的传播速度在通常的情 况下能反映材料的力学和工程性质。
波速测试
波速测试(wave velocity testing)观测、研究地震波在岩土中的传播速度的工程地震勘探方法。
人工激发的地震波(纵波、横波和面波)在岩土中的传播速度与岩土的形变有直接关系，传播速度的大小，特别是横波速度的大小反映了岩土的状态、结构和物理力学性质。
只要测得岩土的纵波速度v p、横波速度v s和密度ρ值，即可计算岩土的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd、动压缩模量Kd和动泊松比舶μd不少学者还用v p,v s值与岩土的主要物理力学参数建立相关关系，因而，可以通过波速测试间接得到这些参数；或直接用岩土的波速值来评价岩土的物理力学性质和强度，评价地基加固效果。
20世纪80年代末，工程地球物理勘探界利用先进的地震波层析成像技术对岩体进行全面细致的质量评价，圈定地质异常体取得显著效果，为波速层析成像技术开拓了新的前景。
波速测试常用的方法有：地面直达(折射)波法、单孔法、跨孔法和瑞雷波法。
(1)地面直达(折射)波法。
在地面、探槽、坑道等岩土露头上，激发、观测直达(折射)波中的纵、横波在岩土中的传播速度。
观测方法有：剖面法和透视法。
利用传播时间和距离计算岩土体的纵、横波速度。
横波激发和接收是测试结果质量的关键，即：横波激发方向应与横波传播方向垂直，接收横波检波器的最大灵敏度轴与质点振动的方向一致。
直达波法使用的仪器设备有大锤或其他震源、检波器、浅层地震仪(见工程地球物理勘探仪器)。
(2)单孔法。
可以在钻孔附近地面上用叩板法激振，孔内不同深度处用三分量检波器接收纵波和横波；也可以在孔内不同深度处用爆炸或井下剪切波锤激振，在钻孔附近地面用三分量检波器接收纵波和横波。
用传播时间与路程之比计算各层纵波和横波速度。
单孔法使用的仪器设备有井下剪切波锤或其他激振设备、三分量检波器和浅层地震仪。
(3)跨孔法。
用井下剪切波锤或其他激振设备在一孔内激发，用井下三分量检波器在另一孔或多孔内接收纵波和横波。
用孔间距与到达时间之比计算地层的纵波和横波速度。
波速测量实验测量波在介质中的传播速度
波速测量实验测量波在介质中的传播速度波的传播速度是波动学中的一个重要概念。
它指的是波动在单位时间内传播的距离。
而波速测量实验就是为了准确地测量波在介质中的传播速度。
本文将从实验的原理和步骤，实验的重要性以及一些实际应用等方面进行论述。
实验的原理和步骤波速测量实验的原理是基于波传播的性质。
在实验中，我们可以使用声波或者水波作为实验波源。
首先，需要准备一个介质，例如水、空气等。
然后，我们将波源放置在介质的一端，并在另一端放置一个接收器。
接下来，通过改变波源的频率，我们可以观察到波在介质中传播的现象。
在实验中，我们需要控制好波源和接收器之间的距离，并测量出波的传播时间。
通过这些数据，我们可以计算出波在介质中的传播速度。
通常，我们需要进行多次测量，并取平均值来提高实验的准确性。
实验的重要性波速测量实验是物理实验中的基础实验之一，也是波动学中的重要内容。
通过这个实验，我们可以更加深入地理解波动的性质。
同时，波速测量实验也有着广泛的应用，例如在声学、光学、地震学以及无线通信等领域。
在声学领域，波速测量实验可以帮助我们研究声音的传播。
通过测量声波在不同介质中传播的速度，我们可以得到有关介质性质的重要信息。
这对于声学工程师设计音响设备、消音材料以及音频传输等方面的工作非常重要。
在光学领域，波速测量实验可以帮助我们研究光的传播。
通过测量光波在介质中的传播速度，我们可以了解到光与介质之间的相互作用。
这对于光学工程师设计光纤通信系统、光学器件以及光学器械等方面的工作具有重要意义。
在地震学领域，波速测量实验可以帮助我们研究地震波的传播。
通过测量地震波在地球内部的传播速度，我们可以得到地球内部结构的信息。
这对于地震学家研究地震震源、地球内部构造以及地震预警等方面的工作至关重要。
实际应用除了在科学研究中的应用外，波速测量实验还有着一些实际应用。
例如，它在医学领域中被用于超声波检查。
通过测量超声波在人体中的传播速度，医生可以获得有关器官结构和异常情况的信息，以便进行诊断和治疗。
波速测试原理
波速测试原理
波速测试是一种用来测量介质中波的传播速度的方法。
在物理学和工程领域，
波速测试被广泛应用于声波、电磁波和地震波等各种波的传播速度测量。
它对于研究介质的特性和结构，以及地质勘探、地震监测、声学和无线通信等领域都具有重要意义。
波速测试的原理是基于波的传播速度与介质的密度和弹性模量有关。
在同一介
质中，波的传播速度与波长和频率有关，而波长和频率又与波速有直接的关系。
因此，通过测量波的传播速度，可以间接地推导出介质的密度和弹性模量等物理特性。
在实际的波速测试中，常用的方法包括超声波测试、地震波测试和电磁波测试等。
这些方法都是通过在介质中产生波，然后测量波的传播时间或传播距离，从而计算出波速。
其中，超声波测试是通过超声波在材料中的传播速度来检测材料的质地和缺陷，地震波测试是通过地震波在地下介质中的传播速度来描绘地下结构，电磁波测试则是通过电磁波在空气或导体中的传播速度来研究材料的电磁特性。
波速测试在工程领域有着广泛的应用。
例如，在地质勘探中，通过地震波测试
可以了解地下岩层的结构和性质，为石油勘探和地质灾害防治提供重要的信息；在声学领域，通过超声波测试可以检测材料的内部缺陷和结构特性，为材料的质量控制和安全评估提供依据；在无线通信领域，通过电磁波测试可以研究天线和电路的传输特性，为通信系统的设计和优化提供支持。
总之，波速测试是一种重要的物理测试方法，它通过测量介质中波的传播速度，可以揭示介质的物理特性和结构，为地质勘探、材料测试和通信系统设计等领域提供了重要的技术手段。
随着科学技术的不断发展，波速测试方法也在不断创新和完善，将为人类的生产生活带来更多的便利和发展机遇。
5.波速测试讲解
的动力特性，故通常测试土中的剪切波速，测试的方法有单孔法 （检层法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。
3
1. 单孔法 单孔法是在一个钻 孔中分土层进行检测， 故又称检层法，因为只 需一个钻孔，方法简便， 在实测中用得较多，但 精度低于跨孔法。单孔 法的现场测试情况如图51所示。
岩土工程原位测试技术
第5章 波速试验
1
第5章 内 容
5.1 试验设备和方法 5.2 基本测试原理 5.3 试验成果的整理分析 5.4 试验成果的应用
讨论
2
5.1 试验设备和方法
5.1.1 试验设备 试验设备一般包含激振系统、信号接收系统（传感器）和信
号处理系统。 测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。
一般而言，介质的质量密度越高、结构越均匀、弹性模量越大， 则弹性波在该介质中的传播速度也越高，同时我们又知道该介质的 力学特性也越好。故弹性波的传播速度在通常的情况下能反映材料 的力学和工程性质。
根据弹性理论，当介质受到动荷载的作用时将引起介质的动应
变，并以纵波、横波和面波等形式从振源向外传播。当动应力不超
12
（3）改变激振频率，测试不同深度处土层的瑞利波波速； （4）电磁式激振设备可采用单一正弦波信号或合成正弦波信 号。 因为瑞利波在半无限空间中是在一个波长范围内传播的。低频 激振时，波长变长，可测出深层瑞利波速度。由低向高逐渐改变激 振频率，波长由长变短，探测深度由深变浅，从而得出不同深度的 弹性常数。 测试过程中要注意如下几点： （1）A、B检波器的距离一定要小于1个波长的距离。这是因 为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器 间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度； （2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔； （3）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦 激振波加以调制；
波速实验
内容摘要波速测试适用于测定各类岩土体的波速，确定与波速有关岩土参数，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析等。
本文介绍了波速测试的工作原理和野外测试方法，并结合岩土工程实例，说明其应用效果。
正文一、前言波速测试目前已广泛应用于水电、铁路、工民建等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。
一些重要的岩土工程勘察中，野外除进行常规原位测试工作外，还进行了剪切波波速测试工作。
二、单孔波速测试的基本原理单孔波速测试：由震源产生压缩波（又称P波）和剪切波（又称S波），经过土层，由在孔中的三分量检波器接收，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。
1、测试仪器和设备：一套完整的速度检层法观测仪器应由四部分组成，即激震源、信号接收系统、记录系统和分析系统。
速度检层法可使用的激震源很多，如爆破、空气压缩枪、弹簧式S波激发装置、火箭筒等等。
一般的场地土层剪切波观测量常用的是敲击板激震源。
目前用于场地于层剪切波观测的拾震器一般均为速度型拾震器有三个分量，一个垂直，两个水平。
2、计算方法用速度检层法测得的剪切波速是钻孔内相邻二个测点中间土层的平均波速。
首先从记录上确认剪切波到时，再根据激震源的触发时间算出剪切波走时，然后由钻孔中测得深度和孔源距确定波的行程，最后将行程除以走时即得波速。
根据实测的资料，表1给出了不同土类的剪切波波速范围。
一般来说剪切波带随深度的增加而增加，但各地区剪切波速沿深度的变化规律并不一样。
通常内陆城市波速值相对较高，而沿海地区则偏低。
表1土质类别填土（包括杂填土）粘性土（包括亚粘土等）砂土（粉、中、粗）砾石、卵石、碎石风化岩岩石剪切波速范围(m/s) 90~270 100~450 100~450 200~500 350~500 >5003、测试方法（1）在待测场地钻孔，将三分量传感器放置在钻孔中，以适当方式（气囊或机械装置）使三分量传感器贴紧钻孔孔壁，在地面上钻孔孔口附近（通常1~3m）处放置长条形木板（通常长约2~4m，宽约0.4~0.5m，厚约0.1m），木板上压有重物（>500kg）。
波速测试
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。
层覆盖层厚dov）
G h jG j h 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）
Vsm
h jVsj h j
（7）计算场地的卓越周期T（覆盖层厚度dov内）
T 4 h j
Vsj
概 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。
述
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。
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；
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。
超声波波速测量实验报告
超声波波速测量实验报告一、实验目的本实验的主要目的是通过超声波测量技术，掌握超声波波速测量方法，了解超声波在不同介质中传播的特点和规律，以及掌握超声波在材料中传播时的衰减规律。
二、实验原理1. 超声波测量原理超声波是指频率高于人类听觉范围（20Hz ~ 20kHz）的机械振动波。
当超声波在介质中传播时，会受到介质密度、弹性模量等物理参数的影响。
因此，在不同介质中传播时，其传播速度也会发生变化。
根据超声波在介质中传播的特点和规律，可以通过测量其在不同介质中的传播时间和路径长度来计算出其传播速度。
2. 超声波衰减原理当超声波在材料中传播时，由于材料内部存在着各种缺陷和微小孔隙等结构，因此会受到能量损失和衰减。
这种能量损失和衰减就称为超声波衰减。
根据超声波在材料中传播时的衰减规律，可以通过测量超声波在材料中的传播距离和衰减程度来计算出材料的衰减系数。
三、实验器材1. 超声波测量仪2. 超声波探头3. 不同介质（如水、玻璃、金属等）4. 不同材料（如铝板、钢板等）四、实验步骤1. 超声波在不同介质中传播速度的测量（1）将超声波探头放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在水中传播的时间t1和路径长度L1。
（2）将超声波探头放置于玻璃中，调节超声波测量仪，记录下超声波在玻璃中传播的时间t2和路径长度L2。
（3）将超声波探头放置于金属中，调节超声波测量仪，记录下超声波在金属中传播的时间t3和路径长度L3。
（4）根据上述数据计算出水、玻璃和金属中超声波的传播速度，并进行比较分析。
2. 超声波单程衰减系数的测量（1）将铝板放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在铝板中传播的时间t4和路径长度L4。
（2）将钢板放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在钢板中传播的时间t5和路径长度L5。
（3）根据上述数据计算出铝板和钢板的超声波单程衰减系数，并进行比较分析。
五、实验结果1. 超声波在不同介质中传播速度的测量结果介质 | 时间t/s | 路径长度L/m | 传播速度v/m·s^-1-|-|-|-水 | 0.0008 | 0.02 | 2500玻璃 | 0.0012 | 0.03 | 2500金属 | 0.0006 | 0.015 | 25002. 超声波单程衰减系数的测量结果材料 | 时间t/s | 路径长度L/m | 衰减系数α/dB·cm^-1-|-|-|-铝板 | 0.0012 | 0.03 | 1.5钢板 | 0.0018 | 0.045|3六、实验分析与结论通过本次实验，我们掌握了超声波测量技术，并了解了超声波在不同介质中传播的特点和规律，以及在材料中传播时的衰减规律。
5 波速测试.ppt
➢ Tg = 4H / VSe, 式中，H — 场地有效土层厚度
➢ 混凝土构件（梁、柱、桩等）质量评价，岩土体密实度评价……
岩土体弹性波速的意义
弹性波波速与介质物理参数的关系
➢ 纵波波速 VP
一维介质
VP
E
三维介质 V P
2
➢ 横波波速 VS
VS
当 = 0 时，VS = 0。 液体中不能传播横波
t / ms
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
P
S
A
P
S
B
P
C
S
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
t / ms
Example waveforms of wave velocity test in a single borehole
t = 0.3 ms, t P = 1.6ms, t S = 5.4ms A: vertical component of measured wave; B, C: horizontal component of measured waves stimulated in two opposite directions
P- and Swaves
No.1
No.2
No.3
Boreholes
Also called the “cross-hole” method.
Requires two or more boreholes.
generating seismic waves in one hole and detecting their arrival in adjacent holes.
式中， — 拉梅常数； — 介质密度； — 剪切模量；E — 杨氏模量
波速测试
压入式波速探头
压入式波速探头
振源-激振板
压入波速探头
敲击板端
4. 资料整理
(1) 波形分析与鉴别 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振板内产生的压缩波的地下折射，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。区分的方法常有以下两种： 1) 按速度不同区分 压缩波速度快，剪切波速度慢；压 缩波总是先到达，剪切波后到达。 2) 根据波型特征区分 压缩波传递的能量少，因此波峰 小；剪切波传递的能量大，波峰高。而且两种波的频率不一致． 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。如图4-62所示。
波速测试
一、检层法波速测试 二、跨孔法波速测试 三、表面波法波速测试 四、反射波法波速测试 五、波速在工程中的应用
一、检层法波速测试
检层法是在钻孔内测定岩土层波速的一种方法，是目前高层建 筑岩土工程勘察中最常用的方法。 1． 基本原理 检层法利用直达波的原理，即先根据勘察深度要求用钻机成孔 ，然后将钻孔检波器放至预定的测试点(也可用静力触探贯入设备将 三分量波速探头压人土层中)，并同时在孔口放置振源板，测出由孔 口振源产生的波传到孔中检波器所需要时间t，算出波从振源到检波 器的传播距离L，即可得到波在土中传播的速度：
图4－70 振波射线图
图4－70 振波射线图
图4-70所示，一重物竖向落下，冲 击钻杆(或直接冲击孔底)，通过钻杆 将振动传递到孔底O点,产生P波和S波 波动、这些波 于作用力本身的不完 全对称性,致使波没有球形对称性。图 中的两个虚线圆表示P波射线方向，就 是说P波分量向上或向下较强，在振动 点附近R波分量特别强。图中两个实线 圆表示SV波射线图。 说明 SV 波分量沿水平方向最强。跨孔 法波速测试就是在离激振点沿水平万 向一定距离的另外两个钻孔的同样深 度处。例如： M、N 点安置三分量检波 器,就可以接收到能量丰富的SV波。 这种振源装置携带方便，操作容易， 几乎把所有的能量集中在一个轴上， 并把大部分能量转换成剪切能量，故 能产生丰富的 S 波分量。主要缺点是可 利用能量有限，但如果与信号增强型 地震仪或者放大倍数较高的放大器配 套使用时能量是足够的。
波速实验
内容摘要波速测试适用于测定各类岩土体的波速，确定与波速有关岩土参数，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析等。
本文介绍了波速测试的工作原理和野外测试方法，并结合岩土工程实例，说明其应用效果。
正文一、前言波速测试目前已广泛应用于水电、铁路、工民建等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。
一些重要的岩土工程勘察中，野外除进行常规原位测试工作外，还进行了剪切波波速测试工作。
二、单孔波速测试的基本原理单孔波速测试：由震源产生压缩波（又称P波）和剪切波（又称S波），经过土层，由在孔中的三分量检波器接收，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。
1、测试仪器和设备：一套完整的速度检层法观测仪器应由四部分组成，即激震源、信号接收系统、记录系统和分析系统。
速度检层法可使用的激震源很多，如爆破、空气压缩枪、弹簧式S波激发装置、火箭筒等等。
一般的场地土层剪切波观测量常用的是敲击板激震源。
目前用于场地于层剪切波观测的拾震器一般均为速度型拾震器有三个分量，一个垂直，两个水平。
2、计算方法用速度检层法测得的剪切波速是钻孔内相邻二个测点中间土层的平均波速。
首先从记录上确认剪切波到时，再根据激震源的触发时间算出剪切波走时，然后由钻孔中测得深度和孔源距确定波的行程，最后将行程除以走时即得波速。
根据实测的资料，表1给出了不同土类的剪切波波速范围。
一般来说剪切波带随深度的增加而增加，但各地区剪切波速沿深度的变化规律并不一样。
通常内陆城市波速值相对较高，而沿海地区则偏低。
表1土质类别填土（包括杂填土）粘性土（包括亚粘土等）砂土（粉、中、粗）砾石、卵石、碎石风化岩岩石剪切波速范围(m/s) 90~270 100~450 100~450 200~500 350~500 >5003、测试方法（1）在待测场地钻孔，将三分量传感器放置在钻孔中，以适当方式（气囊或机械装置）使三分量传感器贴紧钻孔孔壁，在地面上钻孔孔口附近（通常1~3m）处放置长条形木板（通常长约2~4m，宽约0.4~0.5m，厚约0.1m），木板上压有重物（>500kg）。
波速测试-secret
4．波速测试4．１土体波速测试弹性波在地层介质中的传播可分为压缩波（P波）和剪切波（S波）；在地层表面传播的面波可分为Rayleigh波(瑞利波R波)和Love波(L波)。
它们在介质中传播的特征和波速各不相同，P波最先到达，速度最快，振幅最小；S波次之；R波最慢，但振幅较大。
波速测试就是测定弹性波在土体内的传播速度，而依据弹性波理论间接测定岩土体在小应变条件下（所谓小应变，即对土体激发的冲击、振动的动力小，多为锤击、小能量爆破等。
）动弹性模量和泊松比。
由于土中压缩波速受到含水量的影响，不能真实地反应土的动力特征，故通常以剪切波为主。
波速试验的目的：场地地层分类，地基处理前、后的动参数（剪模、弹模、泊松比）及探测地质异常体(地下管道、洞穴等)。
试验方法分为跨孔法、单孔波速法（检层法）和面波法，见图4－１。
图4－１试验布置图（a）单孔法（b）跨孔法（c）面波法4.1.1 跨孔法跨孔法以一孔为激发孔，布置一或两个检波孔。
钻孔应平行垂直。
当孔深超过１５m时，应对孔的倾斜度及倾斜方位进行量测，否则波速误差很大。
跨孔法可直接测定不同深度处的土体波速，最适于成层状土层，直接测定成层土水平传播的剪切波。
钻孔中测点布置应事先了解地层，当遇到软硬地层交界面时，则应布置在硬地层中，以免测到折射波，而不是直达波。
近地表的测点宜布置在０.４倍孔距的深度处，其余测点深度间距宜为１～２m。
(1) 试验设备：试验设备包括激发装置和接收装置两部分。
激发装置：孔内剪切锤，为人工机械激发装置，图4－２。
圆筒体，两侧有翼板，可伸出伸进，可通过油压或气压使翼板伸出紧贴孔壁；中间为滑动重锤，被细钢绳拉动自由下落或快速上升，便上下敲击圆柱体顶、底板，从而使圆柱体上下运动，带动翼板与孔壁土层产生剪切力，于是土层产生剪切波，向检波孔传播。
接收装置：由孔内检波器（图4－３）和地面接收仪器（含示波器）组成，接收剪切波主要由三分量检波器的垂直检波器完成。
岩土工程原位测试 5 波速测试
岩土体弹性波速的意义
弹性波波速与介质物理参数的关系
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
— 泊松比
将以上表达式代入弹性波速公式得：
E(1 ) VP (1 )(1 2 )
VS
E
2(1 )
E VS2 (3VP2 4VS2 )
VP2 VS2
VS2
VP2 2VS2
2(VP2 VS2 )
➢ 混凝土构件（梁、柱、桩等）质量评价，岩土体密实度评价……
岩土体弹性波速的意义
弹性波波速与介质物理参数的关系
➢ 纵波波速 VP
一维介质
VP
E
三维介质 V P
2
➢ 横波波速 VS
VS
当 = 0 时，VS = 0。 液体中不能传播横波
式中， — 拉梅常数； — 介质密度； — 剪切模量；E — 杨氏模量
岩土体波速测试的方法
测试方法概览
➢岩土样品测试
穿透法
➢建筑构件测试
穿透法、跨孔法、面波法
➢岩体波速测试
穿透法、跨孔法、面波法
➢场地土层波速测试
单孔法、跨孔法、面波法
Blaster Pump
Time break
Amp
Recorder
A
B Weight
B
C
Geophones for
Plank
Receiver 2
P- and Swaves
P- and Swaves
No.1
No.2
No.3
Boreholes
Also called the “cross-hole” method.
Requires two or more boreholes.
波速测试技术
第二章 波速测试技术 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。
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。
第二章 波速测试技术 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。
第二章 波速测试技术
抗震设防烈度 饱和砂土 饱和粉土
计算系数k 7° 8° 92 130
42 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。见图10-4.
第二章 波速测试技术
第三节
一、基本概念
跨孔法
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。
波动现象实验与波速测量方法
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汇报人：
波速测量在科学研究中的应用
电磁波测量：用于研究电磁 波在真空中的传播速度和频 率
光波测量：用于研究光波在 真空中的传播速度和频率
地震波测量：用于研究地震 波在地球内部的传播速度和
频率
水波测量：用于研究水波在 水中的传播速度和频率
声波测量：用于研究声波在 空气中的传播速度和频率
超声波测量：用于研究超声 波在固体中的传播速度和频
波速测量可以帮 助我们了解波动 现象的本质和规 律
波速测量可以指导 我们选择合适的实 验方法和设备，提 高实验效率
04 实际应用中的波速测量
波速测量在工程中的应用
声波测距：测量距离、深度、厚度等 超声波检测：检测金属、非金属材料内部缺陷 雷达测速：测量汽车、飞机等交通工具的速度 光纤通信：测量光纤中光的传播速度，提高通信质量
率
波速测量在安全防护中的应用
地震监测：通过测量地震波速，预测地震发生时间和强度 建筑结构检测：通过测量建筑结构中的波速，评估建筑结构的安全性 交通监控：通过测量交通流中的波速，监控交通流量和拥堵情况
安全防护系统：通过测量安全防护系统中的波速，评估安全防护系统的性能和效果
05
波速测量技术的发展趋 势
02 波速测量方法
测量原理
波速测量方法：通过测量波的传播时间和传播距离，计算波速 测量工具：声波、光波、电磁波等波速测量仪器 测量步骤：设定测量条件，记录传播时间和传播距离，计算波速 测量误差：测量过程中的误差来源及减小误差的方法
测量步骤
准备实验器材：激 光器、光电接收器、 示波器等
搭建实验装置：将 激光器、光电接收 器、示波器等连接 起来
波速测量
超声波声速测量
对探伤人员来说，用探伤仪测量声速是最简便的，用这种方法测声速，可用单探头反射法或双探头穿透法；可用于测纵波声速和横波声速。
1. 反射法测纵波声速
声速按下式计算：
声速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2
式中 d ------ 工件厚度；
t ------ 由探头晶片至工件表面传输时间；
T1 ------ 由探头晶片至工件底一次波传输时间；
T2 ------ 由探头晶片至工件底二次波传输时间；
2. 穿透法测纵波声速
声速按下式计算：
声速 C=d/(T1-t)； t = 2T1 – T2
式中 d ------ 工件厚度；
t ------ 由探头晶片至工件表面传输时间；
T1 ------ 由探头晶片至工件底一次波传输时间；
T2 ------ 由探头晶片至工件底二次波传输时间；
3. 反射法测横波声速
用半圆弧测横波声速，按下式计算：
声速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2
式中 d ------ 半圆半径长度；
t ------ 由探头晶片至半圆弧探测面传输时间；
T1 ------ 由探头晶片至圆弧面一次波传输时间；
T2 ------ 由探头晶片至圆弧面二次波传输时间；。
岩土工程原位测试之波速测试
第5章 波速试验 章
1
第5章 内 章
5.1 试验设备和方法 5.2 基本测试原理 5.3 试验成果的整理分析 5.4 试验成果的应用 讨 论
容
2
5.1 试验设备和方法
5.1.1 试验设备 试验设备一般包含激振系统、信号接收系统（传感器） 试验设备一般包含激振系统、 信号接收系统（传感器 ）和信 号处理系统。 号处理系统。 测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。 测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。 5.1.2 测试方法 由于土中的纵波速度受到含水量的影响， 由于土中的纵波速度受到含水量的影响， 不能真实地反映土 的动力特性，故通常测试土中的剪切波速， 的动力特性 ，故通常测试土中的剪切波速，测试的方法有单孔法 （检层法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。 检层法） 跨孔法以及面波法（瑞利波法）
6
激振控 制器
记录仪
7
跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。 跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。测试 孔的间距在土层中宜取2~5m， 在岩层中宜取 ， 在岩层中宜取8~15m； 测试时 ， 应 孔的间距在土层中宜取 ； 测试时， 根据工程情况及地质分层，沿深度方向每隔 布置一个测点。 根据工程情况及地质分层，沿深度方向每隔1~2m布置一个测点。 布置一个测点 钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套管， 钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套管，套管 壁与孔壁应紧密接触。测试时， 壁与孔壁应紧密接触。测试时，振源与接收孔内的传感器应设置在 同一水平面。 同一水平面。 现场测试方法： 现场测试方法： （1）当振源采用剪切波锤时，宜采用一次成孔法； ）当振源采用剪切波锤时，宜采用一次成孔法； （2）当振源采用标准贯入试验装置时，宜采用分段测试法。 ）当振源采用标准贯入试验装置时，宜采用分段测试法。 当测试深度大于15m时，必须对所有测试孔进行倾斜度及倾斜 时 当测试深度大于 方位的测试；测点间距不应大于 。 方位的测试；测点间距不应大于1m。 当采用一次成孔法测试时，测试工作结束后， 当采用一次成孔法测试时，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 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复测。 接收孔互换的方法进行复测。
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m 波器，前者的固有频率为4.5Hz，后者为100Hz。
18m 第 l 期检测区
b. 测线的布置及测点编号
-
观测系统示意图
瑞雷波探测的工程实例
——漳州后石电厂地基强夯效果的检测
有效探测深度和工作频段的控制 按 f = VR / R， VR =200 ms-1 考虑
Geophone for time break Source P- and Swaves No.1 No.2 Boreholes Receiver 1 P- and Swaves No.3 Receiver 2
t / ms
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
P
S S
A
P P
B
C
S
-6 -3 Βιβλιοθήκη 3 6 9 12 15 18 横波波速 VS
VS
式中， — 拉梅常数； — 介质密度； — 剪切模量；E — 杨氏模量
岩土体弹性波速的意义
弹性波波速与介质物理参数的关系
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
— 泊松比
将以上表达式代入弹性波速公式得：
VP
E (1 ) (1 )(1 2 )
频散曲线是描述相 度随波动频率变化 速 群速度（group velocity） 度 与 波 动 频 率 的现象 单一频率成分的波 （波长、波数）之 频散特征是指相速 频 散（dispersion） 动传播所对应的波 间关系的曲线 度与波动频率之间 速，称为相速度 各种频率成分的波 关系的其变化 频散曲线（curve of dispersion） 动相干叠加后的宏 频散特征（feature of 观波动传播速度， dispersion) 称为群速度
建筑构件测试
岩体波速测试
场地土层波速测试
Time break
Blaster
Amp
A B Weight
Recorder
measuring the travel time of P- and S-waves, the distance from the source to the receivers, along the wall of a single borehole. Determining the elastic
30
Z/m
北京奥林匹克公园主山钻孔波速测试波形图
岩土体波速测试的方法
仪器设备
贴壁测试波形及解释结果
岩土体波速测试的方法
仪器设备
现场测试工作示意
TB-I贴壁式波速测井仪
测试计算原理
岩土体波速测试的方法
测试方法概览
岩土样品测试
穿透法 穿透法、跨孔法、面波法 穿透法、跨孔法、面波法 单孔法、跨孔法、面波法
1 VP1=300ms1; VP2=450ms1; VP3=700ms ; 1 VS1=100ms1; VS2=150ms1; VS3=225ms
f / Hz
瑞雷波探测的原理
均匀各向同性层状介质频散曲线
（3）四层介质模型
d3=5m
VR / ms-1
1200
四层介质模型参数
R = VR / f
2.0
瑞雷波在深度方向的衰减
自由表面 第1层
x
界面（1）
界面（2） 界面（3）
第2层
第3层 第4层
……
第m1层 第m层 第m1层
……
界面（m1） 界面（m）
第n1层 第n层 z
界面（n1）
均匀、各向同性层状介质模型
瑞雷波探测的原理
均匀各向同性层状介质频散曲线
VR / ms-1
0.4
0.8
1.2
U
0.4
W
=0.499
=0.48
=0.45 =0.40 =0.35 =0.30 =0.25 =0.20 =0.15 =0.10
0.8
Z / R =
1.2
W / W0 = 1 / e
U — 水平位移振幅
1.6
W — 垂直位移振幅
z R
Borehole
Hammering
Time break Rod Pump Amp Recorder
Also called method.
the
“cross-hole”
Requires two or more boreholes.
generating seismic waves in one hole and detecting their arrival in adjacent holes. Velocity distribution in the rock mass is measured between boreholes according to the travel times of P- and S-waves and distance from source to receiver.
岩土体波速测试的方法
岩土体波速测试的方法
孔内液体
钻孔 电缆
仪器设备
激振器
孔壁土体 P波初动 S波初动
VS
检波器1
t1 VS
检波器2
t2
P波初动
悬挂式钻孔波速测试仪工作原理示意图
XG-I悬挂式波速测井仪
岩土体波速测试的方法
第1道
T / ms
第2道
T / ms
仪器设备
5
10
15
20
25
单孔悬挂测试波形
d1=1m; d2=2m; d3=5, 10, 15, 20m;
1000
d3=10m d3=15m d3=20m
800
1=2.4gcm3;
2=2.4gcm3;
3=2.6gcm3;
VS3=808ms1;
600
VP1=800ms1; VP2=1000ms1; VP3=1400ms1;
VS1=462ms1; VS2=577ms1;
0 1 10 100 1000 10000
400
4=2.8gcm3; VP4=2000ms1; VS4=1154ms1
f / Hz
瑞雷波探测的原理 根据速度—深度曲线定性解释
所得到的岩土体分层大致情况 建立岩土体初始分析模型；然 实测瑞雷波频散曲线的解释 后根据波动理论计算岩土体初 V / ms V / ms 始分析模型的频散曲线并与实 V / ms 80 120 80 120 160 200 240 240 速度—深度剖面法 160 200 240 0 0 测频散曲线相比较，不断调整 200 1 1 修改岩土体分析模型的参数使 =V /f H = 10 10 160 频散曲线拟合法 理论频散曲线不断靠近实测频 120 100 100 散曲线；在理论曲线与实测频 80 1000 1000 0 1 10 100 1000 散曲线之间的误差满足一定精 /m H/m f / Hz 度要求的条件下即可将最后修 瑞雷波探测资料解释的速度—深度剖面法示意 定的岩土体分析模型作为面波 探测的岩土体解释结果。 R R R 1 1 1
f / Hz
瑞雷波探测的原理
均匀各向同性层状介质频散曲线
VR / ms-1
240
（2）三层介质模型
d2=2m
200
d2=5m
160
三层介质模型参数
d1=1m; d2=2, 5, 7m;
d2=7m
120
1=1.8gcm3;
2=1.9gcm3;
3=2.0gcm3;
80 0 1 10 100 1000 10000
面波法
稳态面波法
测定面波的相速度VR
激振器 检波器3 检波器2 检波器1
x t
VR = x / t
面波法
瞬态面波法
瞬态面波由多种频率 成份叠加而成 将各测点上的瞬态面 波分解为一系列的单 频面波 按稳态法求相速度
震源
面波成分
瑞雷波检测示意图
面波法
有关面波的几个基本概念
频散是指波传播速 相速度（phase velocity）
t / ms
Example waveforms of wave velocity test in a single borehole
t = 0.3 ms, t P = 1.6ms, t S = 5.4ms
A: vertical component of measured wave; B, C: horizontal component of measured waves stimulated in two opposite directions
纵波传播速度最快，一般为初至波（检波器耦合良好、无 噪声干扰条件下，在波速观测系统中，纵波到达之前观测 点处的介质应该处于静止状态），所以在地震记录波形中 纵波波形清晰可辨。而横波传播速度小于纵波速度，所以 为续至波，在地震记录波形中横波初至波形一般叠加在纵 波的延续波形中，初至时间难以确定。
需要根据具体观测条件采取相应的技术措施获取横波走时。
加固深度：H 8m
瑞雷波探测的工程实例
1 2 3 4 S ——漳州后石电厂地基强夯效果的检测 2.75m 5 4m 4m 检波器 6
4m
4m
4m
激发点 观测系统和仪器设备
a. 测
纵线
线
测线布置：控制点密度的要求为每1000m2布设3 n
个测点
横线
m 横线编号 仪器设备：SWG多波地震探测仪，配套的检波器 n 纵线编号 18m 测点 lmn 为西安石油仪器厂生产的SSJ-4.5、SQJ8-100型检