現場剪切波速測試誤差及其對地震動影響探究

田 偉 新

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

在建筑工程中，剪切波速是評價現場巖土體介質的重要參數之一。剪切波速測試結果較直觀，可直接反映巖土體的某些特性，同時剪切波速現場測試的操作較便捷，測試反應速度較快，因此利用剪切波速測試來評價現場巖土體介質已被廣泛應用于工程施工中。

同時對于地震工程而言，剪切波并非一個孤立的量，剪切波測試的微小誤差都會反映在地震動計算結果中。進而影響到工程現場地震安全的評價工作，甚至會對工程施工環境、施工安全性產生影響。

剪切波速作為物理量的一種，其測試結果必然存在相應的誤差。這也是長期以來專家學者和工程技術人員對剪切波速測試結果的可靠性保持懷疑態度的主要原因。然而剪切波速測定存在不可避免的誤差，為此要采取反復測試、精確計算的方式將剪切波速測試誤差予以排除，使其更加接近準確值。

1 現場剪切波速測試的方法

1.1 單孔法

在測試地點鉆取垂直測試孔，剪切波振源可采用錘擊木板的方式，木板上承重應大于400 kg，木板長向中垂線應與測試孔中心相對應，孔口與木板的距離保持在1 m～3 m左右，木板應與地面直接接觸。測試時應根據現場巖土體分布情況，選擇合適的間隔距離布置測試點，測試剪切波速時傳感器應在測試孔內預定位置固定，沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相反的兩組剪切波波形。測試結束后可從所有測試點中隨機抽選幾個測試孔進行重復觀測，通過反復觀測的方式來縮小測試誤差。

1.2 跨孔法

跨孔法適合觀測現場較平坦的地區，測試孔內設置振源并在一條直線上布置兩個接收孔。需注意的是，測試孔在土層中的間距應保持在2 m～5 m左右，巖層中應保持在8 m～15 m，測試時每隔1 m～3 m確定一個觀測點。若測試深度大于15 m，則應對所有測試孔的傾斜度和傾斜方位進行測定。測試結束后可從所有測試點中隨機抽選幾個測試孔進行重復觀測，通過反復觀測的方式來縮小測試誤差。

1.3 測速誤差產生原因

導致剪切波速測試結果誤差的原因可概括為主觀因素和客觀因素。主觀因素主要是指操作人員的技術水平和設備精密程度，此類因素會反映在剪切波速測試結果中，對結果的精度和可靠性產生影響，但此類因素可通過人為干預獲得改善。

客觀因素主要包括：剪切波穿過地區的巖性、孔隙度以及空隙填充物差異的影響。地質結構是非連續的結構層，剪切波穿過不同的結構速度會發生變化，現場測試時測試孔選擇的位置差異、高程差異都會改變剪切波穿過的地層結構，使測試結果發生變化。

2 剪切波速的測試和計算

2.1 剪切波速測試原理

當S波穿過地層時，由于地層構造的非連續特征，在不同的基面會發生不同的反射和折射，并引發偏振現象。當地層構造不同時，反射和折射的情況也會存在差異。如發生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運動時，稱為SH波。當巖石顆粒在巖波傳播方向的豎直平面里運動時，這種S波稱為SV波。SH波水平偏振橫波。質點在垂直于入射平面的方向上振動的波叫水平偏振橫波。SV波垂直偏振橫波。質點在入射平面內且與傳播方向垂直振動的波叫垂直偏振橫波。根據剪切波觀測儀器接收到的波形、波速信息判斷地質構造的具體情況。

2.2 剪切波速的計算方法

2.2.1斜距校正

利用水平傳感器監測并記錄剪切波從振源到達觀測點的時間，并將收集到的時間數據通過斜距公式進行校正。公式如下：

T=KTL，

其中，T為剪切波從振源到達觀測點后通過斜距校正得到的時間數據;TL為剪切波從振源到達觀測點的測得時間;K為斜距校正系數;H為觀測點深度;H0為振源到觀測孔口的高度差，若振源高程低于孔口高程，可為負值;L為剪切波速測定時所用木板中心到觀測孔的水平距離。

波速層的劃分，應結合地質情況，按時距曲線上具有不同斜率的折線段確定。

2.2.2剪切波速計算

1)單孔測速法。

在每一個波速層剪切波的波速可參考以下公式進行計算：

其中，V為該波速層剪切波波速;H為波速層厚度(可根據觀測結果波形間距離進行判斷);T為剪切波穿過波速層的時間差。

2)跨孔法。

振源到達每個觀測點的距離，按照測斜數據進行計算。公式如下：

ΔS=S2-S1。

其中，VS為剪切波波速;TS1為第一個觀測孔測得剪切波到達時間;TS2為第二個觀測孔測得剪切波到達時間;S1為振源到第一個觀測孔的水平距離;S2為振源到第二個觀測孔的水平距離;ΔS為兩個觀測點之間的水平距離差。

3 剪切波測試誤差對地震動的影響

首先，剪切波測試誤差對特定地震波作用下的加速反應譜有明顯影響，根據實驗結果和理論分析，此類影響主要受到地震波特性的限制。堅硬土和軟巖質土對高頻成分極為敏感，對低頻成分的敏感度較低。在中硬土和中軟土場地中，波速隨深度增加而衰減，對低頻成分極為敏感，但對高頻成分敏感度較低。而若下墊面為軟弱土，對低頻成分的敏感度達到最大值。由于振源輸入的震動信號頻率成分不同，測得的卓越周期與地震波周期相近，這提示場地內會發生共振效應。

從整體上來說，剪切波速測試誤差對地震動的影響主要表現在5個方面：

1)剪切波速測試誤差可反映在加速度反應譜中。

2)波速取極小值時，反應譜偏差峰值最高。

3)地震動和模量、阻尼比確定時，反應譜偏差受波速測定誤差影響較大。

4)當地震波周期與現場卓越周期相近時，測速時容易引起場地內共振，會增幅剪切波速測試誤差的反應譜變化。

5)特定下墊面場地會對特定頻率的波形成明顯反應，并反映在反應譜中。

其次，幾乎在所有巖土層中，剪切波速測試誤差的增加均伴隨著PGA影響的概率的提高。若均值在0.5倍標準差以內的波速測試誤差看做無影響的話，約62%的波速測試誤差會對PGA產生影響。隨著波速測試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測試誤差對PGA的影響概率逐漸提升。但波速測試誤差均值達到2.0時，剪切波速測試誤差對PGA產生影響的概率達到最高。同時，不同巖土體結構剪切波速測試誤差對PGA產生影響的概率無較大差別(均值特定的前提下，均值通過統計學分析，Vs(mean)30次測試結果的算數平均值為均值)。

此外，隨著剪切波速測試誤差的增加，對反應譜烈度的影響概率逐漸增加。根據相關試驗報告和統計結果，若均值在0.5倍標準差以內的波速測試誤差看做無影響的話，約62%的波速測試誤差會對SI產生影響。隨著波速測試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測試誤差對SI的影響概率逐漸提升。但波速測試誤差均值達到2.0時，剪切波速測試誤差對SI產生影響的概率達到最高。剪切波速測試誤差對反應譜烈度的影響與對PGA相似。

從整體上來說，剪切波速測試誤差對PGA和反應譜烈度的影響具有以下特點：

1)剪切波速測試誤差對PGA和SI(SI是什么意思，是不是應該是Sa)均有影響，且隨誤差增大而增大。

2)剪切波速測試誤差對PGA的影響更容易受到場地巖土體結構特性的影響。堅硬土(淺硬場地)高頻波成分導致的PGA偏差更大，底層降低、波速降低，對低頻成分的敏感性逐漸增加。

3)反應譜峰值烈度與輸入的地震動關系較小，主要受剪切波速測試誤差影響。

4)標準差在1倍以內時剪切波速測試誤差對PGA影響超過10%的概率為38%，對PGA影響超過20%的概率為13.3%，標準差達到2倍時，對PGA影響超過20%的概率可達到39.9%。

5)標準差在1倍以內時剪切波速測試誤差對SI影響超過10%的概率為20.7%，對SI影響超過20%的概率為13.3%，標準差達到2倍時，對SI影響超過20%的概率可達到43.4%。