巖土工程勘察剪切波速測試技術(shù)分析

高穎

（貴州建工巖土基礎(chǔ)工程有限公司 貴州貴陽 550000）

1 引言

如今，隨著科技的快速發(fā)展，越來越多的新興技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到了巖土工程勘察之中，其中，土層剪切波速測試技術(shù)主要就是為了通過對場地土層的剪切波速進(jìn)行測定，從而對場地土的類型進(jìn)行確定，對場地的類別進(jìn)行劃分，并交給設(shè)計(jì)部門供其使用。

2 剪切波速測試

2.1 簡介

剪切波也叫做橫波，質(zhì)點(diǎn)的振動平面與波傳播的方向地垂直，也可將剪切波簡稱為S波。在S波中，其沿垂直方向振動的分量一般被叫做SV型波，記為SV波；其沿水平方向振動的分量一般被叫做SH型波，記為SH波。所謂波的傳播速度，就是擾動在介質(zhì)中傳播的速度，SV波和SH波在各向同性、均質(zhì)的彈性介質(zhì)中的傳播速度是相等的，所以剪切波的傳播速度計(jì)算公式為：

其中，G是彈性介質(zhì)的剪切彈性模量，ρ是彈性介質(zhì)的密度，因此，剪切波的傳播速度能夠反映彈性介質(zhì)的動力特性，即剛度。

剪切波波速測試技術(shù)的主要目的是測試各類巖土體中的剪切波波速，其主要依據(jù)是工程任務(wù)，主要測試方法有：面波法、單孔法以及跨孔法。其主要原理是：用鐵球在水平方向撞擊木板，令木板和地面間產(chǎn)生運(yùn)動，從而產(chǎn)生豐富的剪切波，那么就能夠在鉆孔內(nèi)的不同高度處對通過土層向下傳播的剪切波進(jìn)行分別接收，這種豎向傳播的路徑與天然地層中由基巖豎直向上的傳播路徑比較接近，所以用于分析地層反應(yīng)比較合適。

2.2 測試方法

目前，剪切波速測試技術(shù)的方法主要有鉆孔檢層法和折射波法，其中鉆孔檢層法分為跨孔法和單孔法。由于在使用折射波法時，需要很多檢測儀器，較為不便，所以目前采用的方法多為鉆孔檢層法。由于跨孔檢層法的檢測設(shè)備比較笨重，而且利用跨孔檢層法需要鉆多個孔，檢測效率也不高，所以目前工程中普遍采用單孔檢層法進(jìn)行檢測。單孔檢層法的主要原理是沿著鉆孔深度，在其中某一點(diǎn)處設(shè)置一個檢波器，然后在孔口附近的地面進(jìn)行激振，從而得到鉆孔各分層的剪切波速，此外，檢波器的位置和激振的位置可以互換。由于單孔檢層法使用更加簡便，而且能夠精確給出各個分層波速的數(shù)值，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

3 單孔法剪切波速測試

3.1 準(zhǔn)備工作

在開始進(jìn)行測試前，必須保證準(zhǔn)備工作符合以下要求：

①應(yīng)當(dāng)保證測試孔垂直；②當(dāng)將錘擊上壓重物的木板來作為剪切波振源時，木板長向的中垂線應(yīng)該與測試孔的中心對準(zhǔn)，測試孔的孔口和木板的間距最好在1～3m的范圍內(nèi)；③木板上的重物應(yīng)當(dāng)重于400kg，木板應(yīng)當(dāng)于地面緊密貼合；④當(dāng)選用錘擊金屬板作為壓縮波振源時，金屬板與孔口的間距最好在1～3m之間。

在測試工作開展過程中，應(yīng)當(dāng)符合以下要求：

①在測試時，應(yīng)當(dāng)從實(shí)際工程情況與地質(zhì)分層情況出發(fā)，每隔1～3m設(shè)置一個測點(diǎn)，最好從下至上按照預(yù)定的深度進(jìn)行測試；②在剪切波測試的過程中，傳感器應(yīng)當(dāng)固定在測試孔內(nèi)的預(yù)定深度處，測試人員沿著木板縱軸方向打擊木板兩端，就能夠記錄到兩組極性相反的剪切波波形；③在進(jìn)行壓縮波測試時，可以錘擊金屬板，在激振能量不足的情況下，可以通過爆炸或者落錘的方式產(chǎn)生壓縮波；④在測試工作完成后，應(yīng)當(dāng)選出部分測點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測，選取的點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)當(dāng)多于測點(diǎn)總數(shù)的10%。

3.2 操作原理

單孔法剪切波速測試的振源種類較多，有爆破、空氣壓縮槍、以及火箭筒等，在進(jìn)行剪切波速測試時，最常用的振是敲擊板激振源。原理如下：將一塊彈性比較好、大小合適（長約2m、寬約0.4～0.5m，厚約0.1m）的木板的受錘擊的兩側(cè)包上鐵板后放到平整的地面上，在木板上壓上重物，令木板和地面緊密貼合，然后敲擊木板兩側(cè)，木板就會給地面一個水平?jīng)_擊力，從而激起土層的剪切振動。這樣激發(fā)的振動主要是SH波。在敲擊沖量一定時，板激振源激發(fā)的SH波的振幅會隨著木板上的重物質(zhì)量增大而變大，超過某個值后影響程度會減少；木板和地面的接觸條件對激振的效果影響較大，當(dāng)木板底部釘有釘齒、地面上有波水或者水泥漿時，木板和地面接融得會更加緊密，激振效果會更好；長木板的效果要比短木板好。

4 案例分析

4.1 工程概況

某煙草公司的打葉復(fù)烤項(xiàng)目的征地面積為328畝（即220669m2），總建筑面積為154650m2，擬建廠房的組成主要有主廠房、選葉車間、鍋爐房、2個成品庫、4個原料庫、生活服務(wù)中心、綜合辦公樓、地下消防水池等。

4.2 巖土工程勘察主要問題

本次工程的勘察對象是巖體與土體，工作內(nèi)容有：查明巖溶的覆蓋層厚度變化及分布規(guī)律、巖溶的發(fā)育特征，對場地巖土工程進(jìn)行分區(qū)，對巖體質(zhì)量單元進(jìn)行劃分；劃分巖體的基本質(zhì)量等級；劃分巖、土界線；對巖、土、水的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測試，并評價地基的穩(wěn)定性與承載力；評價場地和地基的地震效應(yīng)、邊坡的穩(wěn)定性、巖溶對場地與地基的影響；針對地基的基礎(chǔ)方案和邊坡支護(hù)方案提出建議，選出穩(wěn)定的地基持力層。

4.3 剪切波波速測試方法

采用的勘察方法有：工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探、鉆孔超聲波速測試等，為了對場地土的類型和場地的類別進(jìn)行判別，在部分鉆孔中利用CE-9201巖土工程質(zhì)量檢測儀進(jìn)行剪切波速測試，其工作量匯總見表1。

表1 剪切波測試工作量匯總表

4.4 剪切波波速測試成果

為了得到巖土的質(zhì)量特征、地層的動彈性參數(shù)、場地覆蓋層厚度等，對擬建場區(qū)的6個鉆孔進(jìn)行了剪切波測試，結(jié)果如表2所示。

4.5 測試結(jié)果評價

依據(jù)表3，根據(jù)土房等效剪切波速與場地覆蓋層厚度對建筑的場地類別進(jìn)行劃分，在本工程中，場地覆蓋層主要由雜填土、耕植土、紅黏土以及素填土構(gòu)成，厚度約為0～28.20m，平均厚度約為8.9m，根據(jù)現(xiàn)場檢測成果與計(jì)算結(jié)果，本次工程中的場地測試鉆孔土層的部分剪切波的平均值均為178.28m/s，等效剪切波波速均為179.24m/s，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CB50011-2010）中的表4.1.3和表3可以判斷：建筑場地土的類型應(yīng)當(dāng)劃分為中軟土場地，建筑場地類別應(yīng)當(dāng)劃分為Ⅱ類。

表3 建筑場地類別劃分表

表2 剪切波測試成果表

5 結(jié)束語

綜上所述，在巖土工程建設(shè)開展之前，必須充分了解場地的地層結(jié)構(gòu)、來了解場地的類別，才能更好的開展工程，所以進(jìn)行剪切波速測試非常必要。在眾多剪切波速測試方法中，單孔法因其工作原理簡便、工作效率較高、測試方法容易，得到了更加廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，在利用單孔法進(jìn)行測試時，應(yīng)當(dāng)對振源、測試儀器進(jìn)行合理地選擇，才能使波形的讀取、分辨更順利、測試結(jié)果更準(zhǔn)確。