黃志芳，鄧曉斌

聲波測(cè)試及場(chǎng)地剪切波速測(cè)試方法及其應(yīng)用

黃志芳1，鄧曉斌2

（1.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西南昌330001；2.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西南昌330013）

聲波測(cè)試和剪切波速測(cè)試是在工程勘察中常見(jiàn)的應(yīng)用方法，聲波測(cè)試可以通過(guò)獲得巖體和巖塊的縱波速度求得地層的完整性，從而評(píng)價(jià)建筑場(chǎng)地類(lèi)別；而剪切波速是反映土的動(dòng)力特性的重要參數(shù)，根據(jù)剪切波速能抗震設(shè)計(jì)提供場(chǎng)地土的動(dòng)力參數(shù)，從而可以劃分建筑場(chǎng)地類(lèi)別、評(píng)價(jià)地震效應(yīng)、進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢(shì)分析。

聲波測(cè)試；剪切波速測(cè)試

1 方法介紹

聲波測(cè)試是通過(guò)測(cè)量聲波在巖體中傳播的速度來(lái)反映巖體物理特性。聲波在井內(nèi)流體（耦合介質(zhì)）、井壁巖層中的傳播，屬?gòu)椥圆ㄔ趶椥越橘|(zhì)中的傳播過(guò)程。由聲波儀記錄下的聲波傳播波形、傳播速度，從廣義聲學(xué)信號(hào)的角度來(lái)看，已攜帶了大量的巖石物理信息，從原理上說(shuō)，同一種巖性，聲波傳播速度高，表明巖體的性狀好，反之較差。同一種巖性不同的風(fēng)化帶，強(qiáng)風(fēng)化帶巖體聲速要低于弱風(fēng)化帶和新鮮基巖的聲速。

野外測(cè)試采用了武漢沿海研發(fā)的非金屬超聲波探測(cè)儀及基樁動(dòng)測(cè)儀。非金屬超聲波探測(cè)儀的測(cè)孔分析，即為超聲法鉆孔孔壁縱波波速測(cè)試分析，通過(guò)專(zhuān)用一發(fā)雙收換能器在鉆孔中進(jìn)行測(cè)量獲得巖體的縱波速度（圖1）；而另一參數(shù)——巖塊的彈性縱波波速，采用對(duì)測(cè)法，即取鉆孔中膠結(jié)致密且裂隙不發(fā)育的巖芯作為測(cè)試巖樣，并將巖芯兩端修平，然后將平面換然器（平面探頭圖2）用牙膏或黃油固定在巖芯兩端，通過(guò)聲波儀接收聲波沿一定長(zhǎng)度巖樣傳播波動(dòng)時(shí)差及量取的巖樣長(zhǎng)度可求得巖石的彈性縱波波速。

剪切波速測(cè)試是巖土工程勘察項(xiàng)目中最基本的測(cè)試項(xiàng)目之一，可確定與波速有關(guān)的巖土參數(shù)，進(jìn)行場(chǎng)地類(lèi)別劃分，為場(chǎng)地地震反應(yīng)分析和動(dòng)力機(jī)器進(jìn)行動(dòng)力分析提供地基土動(dòng)力參數(shù)，檢驗(yàn)地基處理效果等方面應(yīng)用的。測(cè)試結(jié)果用途廣泛，可用于計(jì)算巖土各類(lèi)動(dòng)力參數(shù)；計(jì)算地基剛度和阻尼比，劃分建筑場(chǎng)地抗震類(lèi)別和安全性評(píng)價(jià)等。目前主要有單孔法、跨孔法及瑞雷波法，三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前工程上主要應(yīng)用單孔法進(jìn)行剪切波速測(cè)試。

剪切波速測(cè)試野外工作則采用巖海公司生產(chǎn)的基樁動(dòng)測(cè)儀，通過(guò)由三個(gè)互相垂直的速度檢波器組成的三分量檢波器（圖2），分別接受來(lái)自不同方向的振動(dòng)，即可分別接收縱波和橫波。

2 實(shí)際應(yīng)用野外工作

某場(chǎng)地?cái)M建一火力發(fā)電廠，按照規(guī)范要求，需對(duì)場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)和抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。針對(duì)目的任務(wù)，分別針對(duì)5個(gè)典型鉆孔進(jìn)行波速測(cè)試及剪切波速測(cè)試工作。

圖1 一發(fā)雙收探頭

圖2 平面探頭

聲波測(cè)試野外工作時(shí)程序較簡(jiǎn)單：首先在需要測(cè)試的鉆孔中注水，用水或井液作耦合劑；檢查儀器、換能器是否能正常工作；然后將探頭放入孔底，記下孔深；接好儀器。本次測(cè)試工作選用20cm的測(cè)點(diǎn)距，每隔20cm測(cè)試一次。這步工作測(cè)試的是鉆孔中心0.4m范圍內(nèi)鉆孔孔壁介質(zhì)的聲速，即Vpm。

由于野外進(jìn)行波速測(cè)試時(shí)一般為剛打完鉆孔，野外取芯試樣一般淺部和深部各取一塊，盡量膠結(jié)致密且裂隙不發(fā)育，待帶回試驗(yàn)室將兩端修整平后及時(shí)用平面探頭測(cè)得巖塊縱波速度Vpr。

剪切波速測(cè)試野外工作條件要求較復(fù)雜：首先要平整場(chǎng)地，放木板，木板上方需壓500kg重物或用汽車(chē)兩前輪壓住。接通儀器電源，測(cè)試儀器正常后開(kāi)始試驗(yàn)。橫波的激發(fā)用鐵錘敲擊激振板一端，為了確保橫波可以清晰辨認(rèn)，通常要求在木板兩端進(jìn)行正反兩次敲擊，由于兩次敲擊的方向不同，橫波將呈現(xiàn)相位倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，而縱波的相位一般不變的，從而可以將縱波和橫波區(qū)分開(kāi)來(lái)（見(jiàn)圖3）。

3 應(yīng)用分析

武漢巖海非金屬超聲波測(cè)試儀配備了專(zhuān)用的聲波測(cè)試分析軟件，聲波測(cè)試為其中的測(cè)孔分析，根據(jù)軟件使用說(shuō)明，將野外獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱波速度（見(jiàn)圖4）。

根據(jù)工勘資料，獲得各層的平均速度。后期巖塊速度Vpr

圖3 剪切波速測(cè)試原始成果

圖4 聲波測(cè)試成果表

測(cè)得后，即可根據(jù)公式（1）計(jì)算巖體的完整性指數(shù)Kv：

式中：Vpm、Vpr——巖體及巖塊的彈性波縱波速度（m/s）。根據(jù)巖體完整性指數(shù)可劃分巖體的完整程度。

表1 巖體完整程度分類(lèi)

剪切波速測(cè)試使用的是武漢巖海專(zhuān)門(mén)研發(fā)的剪切波分析程序，通過(guò)該軟件可得到測(cè)點(diǎn)的橫波速度，輸入詳細(xì)的工勘資料，則可得到直觀的土層對(duì)應(yīng)的各層波速關(guān)系。

圖5 剪切波速測(cè)試成果圖

剪切波速主要用于劃分建筑場(chǎng)地類(lèi)別，而建筑場(chǎng)地類(lèi)別的劃分還與覆蓋層厚度有關(guān)。根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），建筑場(chǎng)地覆蓋層厚度的確定，應(yīng)符合下列要求：

（1）一般情況下，應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。

（2）當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層，且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時(shí)，可按地面到該土層頂面的距離確定。

（3）剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周?chē)翆印?/p>

（4）土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。

Vse為土層等效剪切波速度，其計(jì)算公式如下：

上式中：

d0——計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值；

t——剪切波在地面到計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；

di——計(jì)算范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；

Vsi——計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；

n——計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

表2 鉆孔等效剪切波速度及覆蓋層厚度

本次測(cè)試的五個(gè)鉆孔中，有四個(gè)鉆孔的地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離均小于20m，則其計(jì)算深度按d0取，而ZK214號(hào)鉆孔其d0厚度大于20m，所以，計(jì)算深度取20m。

由此得到的土層剪切波速度Vse根據(jù)建筑場(chǎng)地類(lèi)別判定標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行場(chǎng)地類(lèi)別劃分。

表3 建筑場(chǎng)地類(lèi)別判定標(biāo)準(zhǔn)（m）

根據(jù)表3，本次測(cè)試的五個(gè)鉆孔所處地段的建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

4 總結(jié)

聲波測(cè)試及剪切波速測(cè)試為工程物探人員接觸最多的波速測(cè)試項(xiàng)目，主要是通過(guò)計(jì)算巖體的完整性指數(shù)Kv值來(lái)劃分巖體的完整程度以及進(jìn)行場(chǎng)地類(lèi)別劃分。野外工作中波速測(cè)試操作簡(jiǎn)單，鉆孔完后立即測(cè)試準(zhǔn)確度較高；剪切波速測(cè)試對(duì)場(chǎng)地要求較高，測(cè)試要求較嚴(yán)格，精度相對(duì)較低。

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A

2095-2066（2016）33-0115-02

2016-11-12

黃志芳（1985-），女，物探工程師，碩士研究生，主要從事物探方面工作。