董 林 夏 坤 鄭 龍

（中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000）

引言

土層的剪切波速是反映土體動(dòng)力特性的重要參數(shù)，被廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中。我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）對(duì)場(chǎng)地的分類使用的是雙指標(biāo)法，其中的一個(gè)指標(biāo)就是等效剪切波速；我國現(xiàn)行的《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)（GB 17741—2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）中關(guān)于地震輸入界面的確定和推薦的土層地震反應(yīng)分析的等效線性化波動(dòng)方法也規(guī)定要利用土層的剪切波速資料（張忠利，2007）；伴隨著現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展及日益廣泛的應(yīng)用，在地震安全性評(píng)價(jià)、小區(qū)劃等工作中采用波速判別飽和砂土和粉土層地震液化的要求也日益強(qiáng)烈。

縱波結(jié)合橫波波速可以計(jì)算地基土的泊松比、剪切模量、彈性模量等力學(xué)參數(shù)，為土工設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)（祝根龍等，1999）；利用水位上下土體縱波速度的顯著差異，還可以確定場(chǎng)地穩(wěn)定水位。

本文收集了甘肅地區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)和小區(qū)化實(shí)測(cè)原位波速資料，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了分類說明，以期引起廣大工程人員的重視。

1 剪切波速測(cè)試方法

目前，剪切波速測(cè)試方法主要有鉆孔法和面波法。根據(jù)測(cè)試原理的不同，鉆孔法分為單孔法和跨孔法；面波法分為瞬態(tài)面波法和穩(wěn)態(tài)面波法。以上各種方法都得到了廣泛的應(yīng)用，有多種多樣的測(cè)試儀器在工程中使用。下面以國內(nèi)幾種典型的波速測(cè)試儀為例，比較各種測(cè)試方法的差異，如表1所示（郭明珠等，2011）。

表1 剪切波速測(cè)試方法比較Table 1 Comparison of different testing methods of shear wave velocity

2 飽和黃土場(chǎng)地剪切波速測(cè)試的問題

以往的工程經(jīng)驗(yàn)顯示，同一土層波速一般都是沿著深度而增加，而黃土受飽和度增大會(huì)產(chǎn)生土體的軟化，波速減?。ɡ顔Ⅹ_，1990；王蘭民等，2003）。而波速測(cè)試人員不能認(rèn)識(shí)到這一特征，在數(shù)據(jù)處理時(shí)仍按照波速隨深度逐漸增大的經(jīng)驗(yàn)來分析數(shù)據(jù)，導(dǎo)致得出錯(cuò)誤的結(jié)果。圖1—圖3是3個(gè)場(chǎng)地的典型鉆孔柱狀圖，水位以下標(biāo)貫明顯減小，而波速結(jié)果還是依深度逐漸增大。

3 剪切波速測(cè)試結(jié)果過大

國內(nèi)外的試驗(yàn)研究資料表明，剪切波速VS與N63.5一樣均反映出土的軟硬和松緊程度，所以兩者之間存在著良好的相關(guān)關(guān)系。從已有的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可以看出，剪切波速VS與N63.5服從指數(shù)相關(guān)關(guān)系，即VS=aNb，不同地區(qū)只是系數(shù)不同（王廣軍等，1986）。

圖4為蘭州市西固區(qū)天憬緣小區(qū)場(chǎng)地鉆孔柱狀圖，黃土松軟，標(biāo)貫擊數(shù)不大于1擊，而波速測(cè)試結(jié)果卻高達(dá)152—239m/s。

圖5—圖7是天水小區(qū)化麥積區(qū)花牛鎮(zhèn)的波速鉆孔柱狀圖，ZK15黃土層相對(duì)于ZK16、ZK17的同一地層，標(biāo)貫擊數(shù)相近，而從第一個(gè)測(cè)點(diǎn)波速258m/s就遠(yuǎn)大于ZK16的142m/s和ZK17的92m/s。3個(gè)場(chǎng)地的沉積環(huán)境相同，地層依次都是黃土、圓礫、泥巖，顯然ZK15黃土層的波速測(cè)試結(jié)果過大。

圖8是天水小區(qū)化麥積區(qū)甘泉鎮(zhèn)的波速鉆孔柱狀圖，ZK26粉土層16—20m標(biāo)貫擊數(shù)與上部相差不大，而波速幾乎增大100m/s。相同的情況還有ZK19和ZK21，這里不再贅述。

圖1 甘肅新嘉園廣場(chǎng)ZK16Fig. 1 Bore hole log of ZK16 at Gansu's new garden plaza

圖2 蘭州焦家灣糧庫ZK26Fig. 2 Bore hole log of ZK26 at Jiao Jia-wan granary

圖3 蘭州國資物業(yè)第四十佳園ZK24Fig. 3 Bore hole log of ZK24 at the 40th Housing area, State-owned property

圖4 蘭州天憬緣小區(qū)ZK15Fig. 4 Bore hole log of ZK15 at Tian Jing-yuan housing area

4 飽和場(chǎng)地縱波測(cè)試問題

對(duì)于飽和土，其孔隙中充滿了水。水在封閉的孔隙中承受壓縮時(shí)，表現(xiàn)了一種不可壓縮性，因此可以傳播壓縮波，水的壓縮波波速（Vp=1300—1500m/s）遠(yuǎn)大于土的骨架傳遞的壓縮波波速（Vp=300m/s左右）。這種現(xiàn)象啟示我們，在飽和土中的壓縮波波速并不反映土骨架的彈性性質(zhì)，而是水的性質(zhì)，并且是一常數(shù)（石林珂等，2003）。

土的滲透性對(duì)孔隙水壓縮波速度影響很大，在滲透性很好的飽和土層中，孔隙水波速度最大可達(dá)到水中波速的 3倍；在滲透性極差的飽和土中，可接近或大于水中波速（陳龍珠等，1987）。在《黃土動(dòng)力學(xué)》（王蘭民等，2003）第七章的蘭州1號(hào)探井描述中，黃土狀土飽和度大于80%，壓縮波速度即可達(dá)到1600m/s，并隨著飽和度增大不變。由于滲透性更好，飽和卵石層壓縮波速度應(yīng)大于1600m/s。

圖5 天水小區(qū)化ZK15Fig. 5 Bore hole log of ZK15 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖6 天水小區(qū)化ZK16Fig. 6 Bore hole log of ZK16 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖7 天水小區(qū)化ZK17Fig. 7 Bore hole log of ZK17 from seismic micro-zonation of Tianshui city

圖8 天水小區(qū)化ZK26Fig. 8 Bore hole log of ZK26 from seismic micro-zonation of Tianshui city

在縱波的數(shù)據(jù)處理時(shí)，測(cè)試人員寧可不考慮實(shí)測(cè)縱波速度，而用經(jīng)驗(yàn)泊松比和實(shí)測(cè)剪切波速計(jì)算相應(yīng)的Vp，結(jié)果導(dǎo)致波速測(cè)試出現(xiàn)很大的誤差。如果用實(shí)測(cè)的縱波數(shù)據(jù)，那么計(jì)算出的壓縮模量又非常高。劉旭等（1995）的研究結(jié)果給出了飽水砂土骨架波速的分析方法，但是該方法不適合粘性土。

根據(jù)Biot理論，飽和土中有兩種P波，即快P波和慢P波，分別是受孔隙水和土骨架特性控制的P波。但是目前這兩種P波的理論研究還有分歧（王立忠等，1995；陳龍珠等，1997；王立忠，1997），在工程上還沒有推廣，并且在波形處理上也困難重重。

圖9—圖11中水位以下的縱波速度都很小，顯然是測(cè)試人員用Vs估算的結(jié)果。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行土工設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要清楚Vp測(cè)試的現(xiàn)狀，通過正確的途徑來獲取壓縮模量和泊松比等參數(shù)。

5 結(jié)論

波速測(cè)試雖已很普遍，但是誤差較大，且不易控制?，F(xiàn)有的研究結(jié)果證實(shí)波速測(cè)試帶有主觀性，且干擾因素多，不同的人、不同的儀器、不同的時(shí)間對(duì)同一場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果都有可能不同。文中列舉的飽和黃土案例是因?yàn)闇y(cè)試人員沒有掌握黃土飽和軟化的特性，分析波形時(shí)帶有主觀性；剪切波速結(jié)果過大的案例，則是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中的失誤；飽和土縱波測(cè)試案例，則主要是想說明飽和土縱波測(cè)試現(xiàn)狀，提醒設(shè)計(jì)人員通過正確的途徑獲取土性力學(xué)參數(shù)。

總之，要想得到準(zhǔn)確的場(chǎng)地波速數(shù)據(jù)，首先在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)節(jié)，要盡量減少和避免在測(cè)試過程中的干擾，還有就是多下功夫，仔細(xì)研究其他土性參數(shù)以及和鄰區(qū)的資料進(jìn)行對(duì)比，積累理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這樣才能為工程設(shè)計(jì)和巖土地震災(zāi)害預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

圖9 蘭州天憬緣小區(qū)ZK15Fig. 9 Bore hole log of ZK15 at Tian Jing-yuan housing area

圖10 蘭州國資物業(yè)第四十佳園ZK35Fig. 10 Bore hole log of ZK35 at the 40th Housing area,State-owned property

圖11 蘭州國資物業(yè)第六佳園ZK6Fig. 11 Bore hole log of ZK6 at the 6th Housing area, State-owned property

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