剪切波測試技術在輸水管道工程勘察中的應用

劉國華

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

剪切波速是評價巖土動力特性的主要參數，單孔檢層法是剪切波速度測試最為常用的一種方法，可較精確地給出各分層的波速值，能較好地改善標準貫入法進行砂土液化判別不能反映土層的整體液化性狀［1］，剪切波速值的大小直接反映了地層的軟硬程度，具有快速、連續、經濟等獨特的優越性。

1 剪切波測試方法

剪切波測試的單孔檢層法就是利用直達波的原理，由振源產生的剪切波（SH波），經過巖（土）體，被放置在孔中的三分量檢波器接收，根據波傳播的距離和走時計算出場地土的波速，進而評價場地土的工程性質。

本次使用的設備為RSM-SW剪切波測試儀和RSM-JQⅥ三分量速度檢波器（其固有頻率為25Hz），儀器參數設置為：采樣間隔200μs，記錄長度1024點，高通10Hz，低通240Hz。測試所用震源激震叩板規格：長2.0m、寬0.3m、厚度0.1m，板壓重物大于500kg，激震錘4.54kg。激震叩板和檢波器布置如圖1。

圖1 剪切波測試示意圖

在距孔口中心O點適當距離的地面上A點放置叩板，使板的走向與叩板中心點至孔口中心點的連線相垂直，水平方向錘擊叩板兩端產生剪切波；當地面振源激發產生剪切波信號時，信號便從震源發出，穿過地層介質，到達井下B處放置三分量探頭，探頭中的檢波器，經過機電轉換把地震的振動信號轉換成電信號，通過電纜傳送到波速測試儀，由測試儀器記錄并顯示自A點震源途經L到達B點處的剪切波，由檢波器接收后，以數據文件的形式存入微機，一般觀測點距為1m。

為從實測波形記錄上準確地獲取計算波速的初至時間，采用了波形曲線重疊顯示技術，將同一測點上正反兩個方向錘擊叩板的波形記錄曲線重疊放置在一起顯示。利用正反兩個方向錘擊所接收到的剪切波相位相差180°特性，來識別剪切波的初至相位，讀取其初至時間ts值。因為該時間是從B點傳到A點的時間，而實際測定地層的時間是B點傳到O點的時間，因此應對ts值利用式（1）進行時間校正，確定剪切波速及動剪切模量。

式中 H為測點深度；X為震源點偏離井孔距離；ts為剪切波原始斜距初至時間；△h為相臨兩觀測點的垂距；△t′s為相臨兩觀測點的剪切波垂向初至時間差；ρ為土體的密度（g/cm3），經巖土試驗獲得土約為1.76g/cm3，中砂約為2.50g/cm3；Gd為土體的動剪切模量（MPa）。

2 測試結果

利用單孔波速測試軟件，結合地質資料，對現場采集的剪切波波形數據進行分析處理，確定各層的平均剪切波波速，圖2為CSYZ46鉆孔的測試成果圖，該段輸水管道的剪切波測試成果如表1～表2。

表1 地層平均剪切波速

表2 地層加權平均剪切波速

圖2 CSYZ46孔剪切波測試成果

3 測試結果的分析

利用土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度確定建筑場地的類別。土層的等效剪切波速的計算公式為：

式中 vse為土層等效剪切波速（m/s）；d0為計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；t為剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間；di為計算深度范圍內第i土層的厚度（m）；vsi為計算深度范圍內第i土層的剪切波速（m/s）；n為計算深度范圍內土層的分層數。

根據各土層的厚度和剪切波速，按式（4）及式（5）進行計算，所得各個鉆孔的等效剪切波速結果如表3。

表3 測區等效剪切波速

從表3中可以看到，5個鉆孔等效剪切波速vse值都大于250m/s、小于500m/s，且覆蓋層厚度大于5m，依據參考文獻［1］判定元氏—趙縣輸水管道段建筑場地類別為Ⅱ類。

利用土層的平均剪切波速判定砂土液化情況判定公式為：

式中 vst為上限剪切波速（m/s）；KH為地面最大水平地震加速度系數，趙縣測區為7度區，取KH=0.10；Z為土層深度（m）。

其中，深度折減系數rd的計算式為：

rd=1.1－0.02Z （Z=10～20m）

利用式（6）計算出待判別土層內各觀測點的上限剪切波速，然后將需判別土層的實測剪切波速vs與同深度的上限剪切波速vst相比較，并做如下判別：

vs≤vst地震液化

vs>vst地震不液化

趙縣段屬于地震基本烈度Ⅶ度區，需進行土的液化判定。CSYZ46、CSYZ53號孔地震液化判定結果如表4。

表4 砂土液化判定成果

元氏縣段位于地震基本烈度Ⅵ度區，CSYZ7、CSYZ15、CSYZ30號鉆孔不需要地震液化判定。

4 結語

在輸水管道工程勘察中，利用了剪切波測試技術成功地完成了建筑場地類別及砂土液化的判定，為設計部門提供了可靠的第一手資料，對建筑物的安全運行起到了至關重要的保障作用。

［1］王德詠，羅先啟.基于表面波法的剪切波速測試與場地土液化判別［J］.世界地震工程，2010（1）.

［2］GB50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］GB50487—2008，水利水電工程地質勘察規范［S］.

［4］姚姚，詹正彬，錢紹湖.地震勘探新技術與新方法［M］.武漢：中國地質大學出版社，1991.

［5］石家莊市水利水電勘測設計研究院.石家莊市南水北調配套初步設計第一設計單元工程地質勘察報告［R］.2013.