淺談波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用

李新劍，廖愛平，楊偉民，周　政（中國能建湖南電力設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

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淺談波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用

李新劍，廖愛平，楊偉民，周政（中國能建湖南電力設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

本文分別分析了面波法和單孔檢測法的工作原理，同時分析了波速檢測技術的測試方法，并從確定場地類型、場地土類型以及底層的沉積年代等方面分析了波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用，以期能夠為巖土工程的建設與發展提供一定的理論依據和方法。

巖土工程勘察；波速檢測技術；工作原理；應用

引言

波速檢測技術是指通過波速來判定巖土體的力學性質或工程指標的原位測試方法。根據巖土體內彈性波的傳播速度來測定低應變條件下（10-4～10-6）的巖土體動彈性模量等相關參數。波速檢測技術不但是地震勘探技術之一，而且還是便捷、準確的原位測試技術，同時也是地球物理勘探技術的主要分支。從現階段來看，波速測試技術在石油工程、水利水電工程、鐵路工程、冶金工程以及工業與民用建筑等各種巖土工程地質勘察過程中被廣泛運用，同時也收獲得了非常良好的效果。通常情況下，波速測試能夠準確的測定壓縮波（P波）以及剪切波（S波）等在巖土體內的傳播速度，從而有效的避免了室內測試時所形成的誤差。波速測試技術不但能夠能有效地解決場地土類型的確定、建筑場地類別的確定、地層厚度、軟硬程度以及評價巖土質量等多種地質問題，而且還能夠用于計算動剪切模量、動彈性模量等工程動力學參數。

1　波速測試方法和原理

1.1面波法及其原理

作為近些年來發展起來的測試方法，面波法是一種淺層地震勘探方法。面波包括了瑞利波和拉夫波。其中，瑞利波具有能量強、振幅大、頻率低、易識別以及易測量等特點。所以，面波法一般情況下是指瑞利波法。同時，面波法根據激振震源的差異可以分穩態法、瞬態法以及無源法3種方法。這3種方法的測試原理基本相同，區別在于震源有所不同。現階段，巖土工程勘探常用的方法為瞬態面波法。

面波不同與地震勘探過程中的P波和S波。研究表明：如果面波處于層狀介質，拉夫波由P波與水平方向的S波之間的干涉而產生，而瑞利波是由P波與垂直方向的S波干涉而產生，且P波能量多集中于層狀介質的表面附近，同時，其能量衰減與r-1/2呈線形關系。因此，瑞利波比體波衰減周期較長。在P波的傳播過程中，層狀介質的質點運動軌跡的主要特點表現為：①呈現橢圓極化的現象；②橢圓的長軸垂直于地面；③逆時針方向旋轉；④以波前面約1個高度為λR的圓柱體向外擴散。

面波勘探是根據測網的布置來逐點觀測測點。根據地質任務和勘探深度的要求，每一個測點測得1條頻散曲線，然后通過頻散曲線的速度來分層和計算有關參數，從而確保巖土工程勘察目標的順利實現。

1.2單孔檢層法及其原理（如圖1）

單孔檢測法是指在垂直鉆孔中測試波速（圖1），是波速檢測技術的常用方法。根據震源和鉆孔中檢波器的位置，單孔檢測法包括地表激發孔中接收法、孔中激發孔中接收法、孔中激發地表接收法和孔底法4種測試方法，其中地表激發孔中接收法是目前波速測試過程中最為常用的方法。所謂地表激發孔中接收法，主要是指從地面激發產生的彈性波由鉆孔中的檢波器接收。由于彈性波的傳播途徑類似于天然地層中巖土由下向上的傳播，多采用此方法來分析地層。如果地面震源進行正反向激發，那么會形成S波；如果在孔口附近垂直激發，那么相應的會形成P波。S波與P波的特征不同，主要表現在三個方面：①S波比P波的傳播速度較慢；②越往鉆孔的深處，S波振幅越大，頻率越低，P波與之相反，振幅小，頻率高；③如果水平激發，S波相位向反方向發生改變，而P波的相位不會發生改變。根據上述特征，可以非常容易的區分S波與P波。

2　測試方法

在現場測試時，首先應平整場地，準備好激振板（長×寬× 高=2.5×0.3×0.1），然后將其置于距井口1.5m處，同時要確保激振板的中垂線與井口中心相吻合。為了使激振板能夠與地面緊密接觸，應當在激振板放置一定重量的物體，從而有效的保證測量結果的精確性和合理性。準備工作結束后，通過敲擊激振板兩端來激發S波，敲擊數次以獲得3次清晰的S波。獲得S波之后，垂直敲擊鐵板以激發P波。根據巖士分層厚度來確定測試點距，通常將其設置為1m。檢波器置于孔中應當確保一定的深度，接收震源產生的彈性波信號，并將信號經由電纜傳輸至地震儀，然后由地震儀自動記錄和儲存數據，最后分析與處理數據。

圖1　單孔檢測法示意圖

在現場測試的過程中，應當注意以下四方面的問題：①應當結合實際情況對地質進行分層，測量點布置的密度要合理，一般情況下，1～3m便可布置1個測量點；同時，測量應當嚴格遵循自由下而下的原則。②在進行S波測試過程中，敲擊木板兩端時應當沿著木板的縱軸方向，以確保產生極性相反的3 組S波。③在進行P波測試過程中，如果擊打金屬板的方式產生的激振能量較弱，應當采用爆炸或落錘的方式來激發P波。④所有的測試應當進行數次，重復測量部分測點，從而確保測量結果的準確和合理。

3　波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用

3.1確定場地類別

就劃分場地類別而言，雖然各種抗震規范和各個研究者提出的評定指標和分類方法有所差異，但是，綜合來看，劃分場地類別的方法主要包括單指標法和雙指標法2種方法。《建筑抗震設計規范》（GB5011-2000）采用雙指標法。

根據《建筑抗震設計規范》（GB5011-2010），土層等效剪切波速的計算方法應當采用如下公式：

式中：νse、d0、t、di、vsi、n分別表示土層有效剪切波速（m/s）、理論深度（m）、地面至d0之間的剪切波傳播時間、d0范圍中第i層土的厚度（m）、d0范圍中第i層土的剪切波速（m/s）以及土層的分層數量。

根據巖（土）的等效剪切波速和場地覆蓋層厚度，建筑場地類別可以劃分為4大類，其中Ⅰ類又可劃分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個亞類。若巖（土）剪切波速或等效剪切波速和覆蓋層厚度的數值較為可靠，且相應的數值又出現在分界線附近，那么可以使用插值這一種方法來判定地震作用計算所需要的特征周期。建筑場地類別及剪切波速見表1。

表1　建筑場地類別及剪切波速

3.2劃分場地土類型

根據《建筑抗震設計規范》（GB5011-2010），場地土的類型和剪切波速范圍見表2。

表2　土的類型及剪切波速范圍

3.3判別飽和砂土及粉土的液化性

工程地基的液化問題是建筑工程結構抗震設計的重要研究課題。可以根據實測地層的剪切波速度來分析判定飽和軟弱地層液化的可能性。如果實際測得的波速（Vs）小于該地層液化波速的臨界值，那就表明該地層不會發生液化。但是，有關地層臨界剪切波速確定的方法，目前尚未有統一的標準，同時計算底層液化臨界波速的公式非常多。波速檢測技術僅是分析和判定飽和砂土、粉土液化性的輔助方法之一。

3.4確定地層的沉積年代

資料表明，剪切波速與巖土質量、地層的沉積年代之間具有非常密切的聯系。一般情況下，沉積時間越是久遠，相應的剪切波速就越大；反之，剪切波速越小。通常條件下，可以根據表3來劃分和判定地層的沉積年代。

表3　地層沉積年代及剪切波速范圍

4　結語

在巖土工程勘察過程中，波速檢測技術具有極為廣闊的應用前景和重要的應用價值。文章從面波法和單孔檢測法的方法和原理分析了波速檢測技術，其中單孔檢測法在巖土工程勘測過程中最為常用。同時，還分析了測試方法以及波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用。隨著巖土工程建設的快速發展和規模的不斷擴大，充分了解場地結構具有重要的現實意義，而波速檢測技術則為其發展起到了非常重要的推動作用。

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［5］鄧國生.現場波速試驗在巖土工程勘察中的應用［J］.西部探礦工程，2004（9）：33～35.

李新劍（1965-），男，高級工程師，研究生，主要從事巖土工程勘測工作。

TU195

A

2095-2066（2016）17-0083-02

2016-4-11