波速測試在巖土工程勘察中的應用

摘要：波速測試是以彈性理論為依據，常采用單孔法、跨孔法或面波法，主要測定各類巖土體的壓縮波、剪切波或瑞利波的波速。用來判定巖土體的物理力學性質，計算小應變條件下巖土體的動力參數，為場地工程地質評價提供依據。文章對波速測試的方法及要點、資料處理、成果應用等進行了分析，并梳理了波速與巖土體性狀的一般規律。

關鍵詞：波速測試；彈性波；巖土體；小應變；動力參數；巖土工程勘察 文獻標識碼：A

中圖分類號：P624 文章編號：1009-2374（2017）05-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.105

波速測試是以彈性理論為依據，用人工的方法在巖土介質中激發一定頻率的彈性波，這種波以各種波形在巖土體內部傳播并由相應的儀器接收。通過分析接收和記錄下來的波動信號來判定巖土體的物理力學性質，計算小應變條件下巖土體的動力參數，為場地工程地質評價提供依據。波速測試常采用單孔法、跨孔法或面波法，主要測定各類巖土體的壓縮波波速νP、剪切波波速νS或瑞利波波速νR。下面就對波速測試的幾種方法、測試要點、資料分析、成果應用等進行較全面的梳理和總結。

1 測試方法

波速測試設備主要分為激發裝置和接收裝置兩部分，激發裝置有機械式、電磁式等；接收裝置常包括檢波器、放大器和示波器。根據任務和設計要求以及工程現場的測試條件，可采用單孔法、跨孔法或面波法進行測試。

1.1 單孔法

單孔法是在一個鉆孔內進行測試，所測得的波速為地表至測點間地層的平均波速。該方法常用于土層軟硬程度變化大或層次較少的地層。

測試時可在地面激振，孔底接收，稱為下孔法；也可在孔底激振，地面接收，稱為上孔法；可沿鉆孔向上或向下測試，常采用下孔法自下而上逐點進行測試。測試鉆孔應盡量垂直，將聲波探頭或三分量檢波器放至孔內預定深度位置，并與孔壁貼緊。土層剪切波測試常用的振源激發裝置是尺寸為2000×300×50mm的木板，木板長度方向的中垂線應對準測試孔中心，與孔口距離宜為1～3m，其上放置大于400kg的重物。當用錘水平敲擊木板兩端時，木板與地面摩擦而產生水平剪切波，兩次相反方向的敲擊，可獲得極性相反的兩組剪切波形。剪切波測試應結合土層分布設置測點，測點的垂直間距可取1～3m，層位變化處應加密；當測巖體的壓縮波時，測點的垂直間距可取0.2～0.5m，且鉆孔內應有水。在每一個測點位置，應重復測試多次。

1.2 跨孔法

跨孔法是在場地上取兩個平行的鉆孔，在一個鉆孔不同深度處設置振源，在另一個鉆孔相應深度處放置檢波器，所測得的波速為兩孔之間地層的傳播速度。該方法對均勻土層特別適用，常用于多層地層的場地條件。

振源孔與檢波孔應力求平行，當測試孔深大于15m時，須對各測試孔進行傾斜度和傾斜方位的測量，測量精度應達到0.1°，以便準確計算不同深度處的鉆孔間距。測試孔的平面布置可用二孔也可用多邊形，即一孔激發，多孔接收，以便校核。常規測試每組采用3個鉆孔，并布置在一條直線上，取間隔速度值，以排除振源裝置、波的傳播路徑改變等因素的影響。鉆孔間距應根據測試精度、振源能力、土層均勻性等因素確定。在土層中孔距宜取2～5m；在巖層中孔距宜取8～15m，當土層較厚而均勻，振源能量大時，間距可適當加大。鉆孔中測點布置應考慮地層情況，根據地層分布等間隔布置，一般測點垂直間距以1～2m為宜。為降低折射波的干擾，在軟硬土層交界處，測點應布置在硬地層中；近地表測點深度應布置在孔口以下0.4倍孔距處。

1.3 面波法

面波法測試可采用穩態法或瞬態法，常規采用穩態法。其原理是在地表放置一激振器，給地面施加一頻率為f的穩態強迫振動，其能量以振動波的形式向半空間擴散，當頻率一定時，只要測出波長LR，即可算出波速。該方法不需要打孔，適用于均勻、單一的地層，但測試深度較淺，當激振頻率在20～30Hz時，測試深度為3～5m。

測試時以振源作為測線零點，在振源一邊布置2～3個檢波器，檢波器宜采用低頻。當激振器以一定頻率作穩態激振時，移動任一檢波器，至示波器中出現同相位的振動波形，此時檢波器的間距即為一個波長。在同一頻率下移動檢波器至多個波長處測試，測試應重復多次。

2 測試要點

在實際測試中由于受多種因素影響，有時波形信噪比很低，各種成分波出現的時刻并不明顯，判讀十分困難。一般情況下，出現波形異常的情況主要有以下四方面原因：

2.1 激發裝置與地面耦合不好

這時需要將地面重新平整，必要時可在木板下鋪一層細砂并增加木板上的荷載，使激發裝置與地面耦合良好，減少激發能量的損失。

2.2 檢波器與鉆孔孔壁耦合不好

可能是檢波器擴展裝置沒打開或是鉆孔在檢波器位置有垮塌，孔徑較大，檢波器不能貼緊孔壁，不能很好地接收信號。這時要將檢波器提出孔口，重新換個方位再放入孔內，并且在打開擴展裝置后，輕提連接線，檢查檢波器與孔壁的貼合程度。

2.3 測試孔深較大

當測試深度太深時，激發能量衰減較大，檢波器接收的信號太弱，需加大激發能量，也可對信號進行疊加。疊加的原理是在測試對象和測試環境不變時，由于有效信號具有可靠的重復性，而噪聲信號則是一種隨機信號，多次重復采集記錄的疊加，將使有效信號得到加強，而隨機信號將會相互抵消，從而提高信噪比。

2.4 儀器性狀不良

首先檢查各接口處是否連接穩固，其次看儀器各指示燈顯示是否正常，儀器本身的故障需多次測試驗證。

3 資料分析

根據測試資料對波的傳播時間和距離等進行分析處理，包括如下內容：

3.1 確定波的傳播時間Δt

傳播時間的確定關鍵是識別波的初至時間，了解各種波的特征差異，有助于準確識別。由于壓縮波波速大于剪切波波速，所以壓縮波先到達，之后才是剪切波；而剪切波能量為壓縮波的3～4倍，峰值明顯，但頻率比較低，因此壓縮波波峰小而密，剪切波波峰相對大而疏。此外還需從數據的變化趨勢，波形的特征等方面反復觀察試讀，在一定經驗指導下去讀取合理的結果。

3.2 計算波的傳播距離Δs或波長LR

單孔法可由測點深度與振源及孔口的距離計算出波的傳播距離；跨孔法波的傳播距離為測孔間距，當孔深較大時，應根據鉆孔的傾斜度和傾斜方位，對傳播距離進行修正。將面波法的測試記錄整理成波數與波長長度圖，通過對同一頻率的各點取直線或取平均值，可算出每一頻率的波長。

3.3 波速計算

根據波的傳播時間和距離、頻率和波長計算出波速，即νP、νS=Δs/Δt；νR=f·LR。瑞利波波速反映了深度為一個波長地層的平均值，其值比剪切波波速略小，可按νS=νR/95×100換算。

4 成果應用

4.1 巖體完整程度分類

測得巖體的壓縮波速度后，取有代表性的巖塊測試其壓縮波速度，巖體壓縮波速度與巖塊壓縮波速度之比的平方即為完整性指數。根據完整性指數，按《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001 2009年版）中表3.3.2-2的標準，可對巖體完整程度進行分類。當完整性指數大于0.75時，巖體為完整；0.55～0.75為較完整；0.35～0.55為較破碎；0.15～0.35為破碎；小于0.15為極破碎。

4.2 土的類型劃分

根據巖土剪切波速，按《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）中表4.1.3的標準，可對土的類型進行劃分，并估算地基承載力。當剪切波速大于800m/s時，定為巖石；大于500m/s小于等于800m/s為堅硬土或軟質巖石；大于250m/s小于等于500m/s為中硬土；大于150m/s小于等于250m/s為中軟土；小于等于150m/s為軟弱土。

4.3 劃分建筑的場地類別

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）中4.1.5條的規定，土層的等效剪切波速νSe=d0/t，其中d0為計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值，建筑場地覆蓋層厚度按規范中4.1.4條的標準確定；t為剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間。根據巖石剪切波速或土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度，按規范中表4.1.6的標準，將建筑的場地類別劃分為Ⅰ0和Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類。

4.4 計算動力參數

根據壓縮波波速和剪切波波速，可計算小應變條件下（10-4～10-6）巖土體的動力參數，其計算如下：

式中：

νP、νS——壓縮波波速、剪切波波速（m/s）

Gd——土的動剪切模量（kPa）

Ed——土的動彈性模量（kPa）

μd——土的動泊松比

ρ——土的質量密度（kg/m3）

5 波速與巖土體性狀的一般規律

波的傳播速度與巖土體的種類、結構面、風化程度、應力狀態等因素相關，其一般具有如下規律：（1）巖土體彈性模量降低時，其波速也相應下降，這與波速理論公式相符；（2）巖土體越致密，其波速越高。波速雖與密度成反比，但密度增高，彈性模量將大幅度增高，因而波速也越高；（3）結構面的存在使得波速降低，并使波在巖土體中傳播時存在各向異性。垂直于結構面方向波速低，平行于結構面方向波速高；（4）巖體風化程度越高，則波速越低。密度高、單軸抗壓強度大的巖體波速高；（5）壓應力方向上的波速高；（6）孔隙率越大，波速越低。

6 結語

由于波速測試簡便、可靠，目前已在巖土工程勘察領域廣泛應用。其結果可用于判定巖土體的物理力學性質、查找軟弱層及破碎帶、估算地基承載力、對巖體完整程度分類、劃分土的類型和建筑場地類別、計算巖土體的動力參數等，為場地工程地質評價和設計提供依據。因彈性波的傳播特性可用波速、振幅、頻率和波形來描述，所以在波速應用時，應注意研究其振幅、頻率和波形特性，綜合分析，正確評價。

參考文獻

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作者簡介：李唐（1980-），男，重慶人，供職于重慶一三六地質隊，研究方向：巖土測試。

（責任編輯：秦遜玉）