工程地质动测技术工程地质动测技术岩土体纵波与横波速度测试岩土体纵波与横波速度测试一、发展概括一、发展概括关于土层中的传播理论和测试方法的研究应该说是借助于地球物理勘探理论和技术的发展而发展起来的，随着理论研究的不断发展，波速测试技术的研究也在不断地发展，其应用领域也不断地拓展目前国内外通行的现场波速测试技术如下表所述：波 型其它可测定内容优 点缺 点直达波法跨孔法PS波测孔可作工程勘察技术孔使用已知波的传播路径可逆，多为SV测试深度大精度高测试需要两个以上的钻孔要做垂直校正要避免折射速度检层法下孔法PS波有的能够同时进行静力触探只需要单孔可逆，多为SV适用地震反映分析参数工作空间小测得的是某一深度内的平均速度浅层易受干扰上孔法PS波测孔可作工程勘察技术孔使用只需要单孔可逆，多为SV适用地震反映分析参数工作空间小能够避免探头不贴井壁测得的是某一深度内的平均速度干扰大，不易辨别震相波 型其它可测定内容优 点缺 点表面波法稳态法R波基础的动力特性在地面工作物理机制简单、清晰有效深度不大 需要大功率震源瞬态法R 波R波的衰减、频散特性在地面工作测试受人为影响小有效深度不大 需数字处理分析系统反射波法时距曲线PS波地层的构造在地面工作工作面广、效率高得到的是有效速度S波不易辨别不够精确，大尺度折射波法相遇时距曲线PS波地层的构造在地面工作工作面广、效率高可得到界面速度不能够求得Vs不够精确随机波法脉动法随机波场地脉动频谱在地面工作方法简单工作环境要求高需频谱分析处理系统尚处在研究阶段由上表可知，就土体波速测试方法而言比较多，但是每种测试方法均有自己的特点和局限性，盲目采用某种方法，则可能导致浪费甚至失败。
一、跨孔法一、跨孔法由于在两个钻孔之间采用垂直剪切冲击会产生水平传播的垂直偏振（SV）的剪切波，通过检测波在两孔之间的旅行时间即可计算出该深度位置处土层的弹性波传播速度该方法是1972年由美国人斯托克和伍兹首先提出的，其具体现场布置如下图所示：通过大量的对比试验，目前已经基本公认采用跨孔法原位测定的土体剪切波速度值精度最高1 1、设备与仪器、设备与仪器跨孔法所采用的震源可分为两类即爆炸震源和机械震源爆炸震源炸药爆炸震源 电火花震源机械震源 井下剪切波锤 重锤震源2 2、现场技术、现场技术钻孔的数量 开始跨孔法是采用两个孔，但是由于触发开关的延迟、波传播路径等因素的影响所造成的速度 误差无法估算，因此一般在实际工程测试中采用三个钻孔钻孔的排列现场测试钻孔布置成一条直线，且两个接收孔相邻这样做的目的是：可以有效地消除触发延迟；消除土层各向异性的影响；消除钻孔套管和填料的影响；便于进行钻孔的倾斜校正钻孔的孔径钻孔直径首先应考虑震源和接收探头装置在钻孔中能顺利上下活动，若下套管，在考虑套管的外径的前提下，钻孔的孔径应尽量小，这主要考虑如下因素：小口径钻探在钻进过程中对周围土的扰动较小；钻孔孔径太大，套管与钻孔之间的间隙必须灌浆，这些充填物质太厚会影响波的传播速度和传播路径；钻孔孔径大会增加费用钻孔间距该方法的孔间距确定非常重要，因为该方法为直达波测量，是要测定直达的压缩波初至到时和第一个剪切波初至到时。
在层状地层中，根据折射波形成和传播特点，确定最佳孔距既要防止接收到折射波，又要考虑仪器的计时精度，同时还要考虑到震源能量所能传播的距离经过大量的实践总结，该方法钻孔间距就下表为最佳：岩土名称钻孔间距（米）土层2.5-3.0岩石8.0-10.0砾石4.0-5.03 3、资料整理与分析、资料整理与分析现场对波形记录的识别在现场实验时，必须要求每个测点所得到的波形记录，能够基本上分辨出纵波和横波的震相有时为了得到非常好的记录，在同一测点上采用剪切波锤和爆炸两种震源，一般情况下，爆炸震源形成的纵波记录比较完整，而剪切波锤产生的横波比较丰富室内对波形的判断在室内主要是精确地判断纵波和横波的初至时间一般来将，纵波的初至时间比较容易读取，重要的是纵波波序之后如何准确地识别横波的初至时间，其具体的识别方法如下：首先根据不同方向激震所记录下来的波形图，找出相位相反的震相，然后用重叠法找出第一个剪切波到达的起跳点，作为剪切波震相的到时顺着纵波波序分析，由于纵波的频率也较横波高，但是幅值较横波小，因此在波形图上波振幅突然增加的位置时间读取完成之后，可分别计算发射孔到第一个接收孔之间的速度、发射孔到第二个接收孔之间的速度以及两个接收孔之间的速度参数，如果这三个速度存在差异，则表明您所读取的时间参数不正确，应该对测试的波形记录进行重新分析和判断。
二、速度检层法二、速度检层法速度检层法又叫速度测试井，可分为上孔法和下孔法下孔法是地面激发、震，井中接收；上孔法是井中激震，地面接收工程上最常用的是下孔法，其示意图如下：速度检层法最大的优点是只需要一个钻孔即可但是该方法最主要的确定是测试深度受到一定的限制，其主要原因如下：地震波在传播过程中随着传播距离的增加其能量迅速衰减，因此在深度较大的井中很难接收到地表所产生的信号；由于波的传播距离增加，受到各种土层界面的影响而使得该产生较大的误差同时在浅层容易受到干扰而影响测试精度1 1、设备与仪器、设备与仪器扣板震源速度检层法最常用的震源是扣板震源，它是块2.50.30.2米的硬质木板（称为叩板），板的底面和地表面紧密接触，在木板上压上一个重约500公斤的重物，然后用铁锤水平敲击木板两端，使木板与地面产生剪切力，产生向下传播的SH便振的剪切波2 2、现场技术、现场技术一般将扣板震源放置在离钻孔孔口2-3米的位置，板的横向指向钻孔方向，板的端与孔口构成等腰三角形对于有套管的钻孔，应该将套管与孔壁之间的间隙充填而对于没有套管且容易塌孔的钻孔，应该采用泥浆护壁后进行测试对于严重塌孔的地层，由于探头与井壁土体之间耦合不好，严重影响测试资料，无法正确读取时间参数。
在测试过程中应该注意探头的贴壁耦合问题选择合适的井口与震源距离，一般情况下，测试深度较深时，该距离可适当增加，一般选择2-3米为宜3 3、资料整理与分析、资料整理与分析震相分析一张记录中由于纵波的传播速度大于横波,因此记录中首先到达的是纵波,而后才是横波.因此纵波总出现在记录的最前面,我们称之为初至,而横波在出现后面的波的续至区内从记录的表面特征来分析，纵波的频率也较横波高，但是幅值较横波小横波具有反相性即横波的相位随震源的激发方向的不同而不同假设震源的激发方向是从左到右，得到的横波的相位是正向，则将震源的激发方向改为从右到左激发，则形成的横波将是负相位纵波则不具备该特征在实际工作中为了能够利用横波反相这一特征，在数据采集时一般均采用三分量井下检波器并采用定向激振震源，分别从两个相反的方向激发横波，根据采集记录的相位特性来确定横波的时间，如图所示波速计算弹性波速测定波旅行时间t，然后由钻孔中测点深度h与激振板距孔的距离s，来确定波的行程，通过波的行程距离和时间之比即可确定波的速度其计算如下图所示意在计算中把自然沉积的不同地层认为是均匀体，波速认为是常数，所以把各层土体厚度作为h，检波器在孔中的深度分别为h1,h2,h3hi，这里不考虑SH波在各个界面所发生的折射。
近似地认为是常数，所以认为SH波来自激发板中心，以直线方式向检波器传播，SH波在各层土体中实际旅行的路程用L1,L2 Li表示三、岩土体波速测试在工程中的应用三、岩土体波速测试在工程中的应用岩土体的弹性波速度测试是工程测试方法中的重要内容，近年来，已广泛应用于国内外重点工程，如核电站、大型水电站在工程设计中，为评价工程的基础的承载力，稳定性、液化以及地震设防等问题提供优基本参数1 1、在工程勘察中的应用、在工程勘察中的应用土体的动力学指标根据弹性理论，地震波是以与介质弹性系数和密度有关的一定速度传播着，地震波在介质中传播的速度与介质的弹性参数存在如下关系：式中：Vp纵波速度；Vs横波速度；土体质量密度；v泊松比；E动弹性模量；G动剪切模量由公式看出，只要测定出岩土的纵、横波速度、密度就可确定岩土的弹性参数土工指标的关系研究表明，岩土体的力学指标中的标贯值、抗压强度的与剪切波速度有着良好的相关关系：粘性土：Vs=120.0N0.273无侧限抗压强度：Vs=138.3qu0.1472 2、基岩质量、基岩质量基岩施工 在基岩开挖过程中，为了评价基岩的软硬程度、断层的位置和产状以及破碎带发育情况，可利用岩土体的速度参数进行评价。
在正常情况下，质量较好的岩石的纵横波之比是1.7左右比值增大说明岩石的性质发生变化，一旦增加到某个范围，就意味着岩石已经变为破碎带松动圈判定利用岩石中的速度参数可以进行围岩分类和松动圈范围的确定在一些部门已经将其列为规范在使用3 3、地基参数、地基参数地基承载力基本值土体的剪切波速度与地基承载离之间具有如下表的关系：注意：由于影响土层速度的因素比较多，因此上述表格中所列出的参数具有一定的地区性质，在实际使用过程中应该予以重视4 4、黄土湿陷和震陷、黄土湿陷和震陷黄土湿陷的与横波速度参数之间的关系为：Vs=132+7.2H其中：H为深度 该公式计算的Vs可作为黄土湿陷门槛速度5 5、砂土液化判别、砂土液化判别土层的剪切波速度(m/s)土层的承载力KPa60-8035-45100-13075-90140-18095-120目前判别砂土液化主要有两种方法即实验室法和现场标贯法，目前也有利用剪切波速度参数进行评价，其评价公式为：Vs=SQRT(atrdZ/(rt(G/Gmax)其中：at-为地表峰值加速度临界值 Z-深度 rt-密度 G-剪切模量6 6、建筑物抗震设计、建筑物抗震设计场地卓越周期利用土层的剪切波速度参数，可计算出场地的卓越周期参数，用于建筑物抗震设计。
其计算方法比较所，下面就H-V计算方法中的几个常用的计算公式介绍如下：求和法Ts=ni=14Hi/Vsi平均法横波加权平均法Ts=4H/Vs*其中：Vs*为速度关于厚度的加权平均值剪切摸量和密度的加权平均法Ts=4H/SQRT(G*/*)其中：G*为剪切模量的加权值且G*=(ni=1Gi Hi)/H *为密度的加权值且*=(ni=1 i Hi)/H G：为剪切模量G=VsVs ：为土层的密度等效法在0.63H处选取的等效速度VsaqTs=4H/Vsaq该计算方法在日本应用的非常广泛修正公式法 该公式主要用来对软弱夹层的修正，其计算公式为：Ts=2（H/Vs+（H+b)/Vs）其中：Vs-土层的剪切波速度 Vs软弱夹层的剪切波速度 n-夹层到地面的距离 b-夹层的厚度场地土和场地类别评价根据建筑抗震设计规范GB50011-2001，对剪切波速度的测试工作和评价方法有如下的规定：建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速度和场地覆盖层的厚度为准土层剪切波的测试应该符合如下的规定、在场地进行初勘阶段，对大面积的同一地质单元，测量钻孔剪切波速度的钻孔数量，应该为控制性钻孔数量的1/31/5，山间河谷地段可适量减少，但不宜少于3个；、在场地详勘阶段，对单幢建筑，测孔数量应该不少于2个，数据变化较大时，可适当增加；对小区中处于同一地貌单元的密集高层建筑，测孔数量可适当减少，但每幢高层不得少于1个；、对于丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过20米的丙类建筑物，当无实测剪切波资料时，可根据岩土体名称和性状，按照下表进行土类型的划分。
土的类型岩土名称和性状土层剪切波速度范围坚硬土或岩石稳定岩石，密实的碎石土Vs500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak200的粘性土和粉土，坚硬的黄土500Vs250中软土稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak 130的填土250Vs140软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，fak130的填土，流塑黄土Vs140其中：fak为载荷试验等方法得到的地基承载力特征值建筑场地覆盖层厚度的确定，应该符合下面的要求、一般情况下，应按照地面至剪切波速度大于500m/s的土层顶面的距离确定；、当地面5米以下存在剪切波速度大于相邻上层土剪切波速度2.5倍的土层，且其下卧岩土层的剪切波速度均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定；、剪切波速度大于500m/s的孤石、透镜体，应该视同周围土层；、土层中的火山岩硬夹层，应该视为刚体，其厚度应该从覆盖土层中扣除；土层的等效果剪切波速度，应该按照下面的公式计算Vse=d0/tt=ni=1di/Vsi其中：Vse-土层的等效剪切波速度 d0-计算深度，取覆盖层厚度和20米二者之间的较小值 t-剪切波在地面至计算深度之间的传播时间 di-计算深度范围内第i层土的厚度 Vsi-计算深度范围内第i层土的剪切波速度 n-计算深度范围内土层的分层数建筑场地类别，应该根据土层等效剪切波速度和场地覆盖层厚度按照下表进行分类。
当有可靠的剪切波速度和覆盖层厚度且其数值处于该表格所列场地类别的界限附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的设计特征周期各类建筑场地的覆盖层厚度各类建筑场地的覆盖层厚度等效剪切波速度(m/s)场地类别Vse5000500Vse25055250Vse140335050Vse1403315158080作业一：请按照下面所测的剪切波初至时间参数计算土层的剪切波速度参数，并根据计算结果评价该场地的场地类别和场地土类型注：根据区域资料可知，该地区覆盖层埋藏深度为40米深度深度(m)(m)层号层号S S波初至波初至(ms)(ms)S S波速度波速度(m/s)(m/s)1 11 10.01770.0177126.332126.3322 22 20.02080.0208147.229147.2293 33 30.02390.0239193.118193.1184 44 40.02710.0271229.728229.7285 55 50.03020.0302263.087263.0876 66 60.03340.0334274.271274.2717 77 70.03650.0365293.289293.2898 88 80.03970.0397292.481292.4819 99 90.04310.0431280.977280.977101010100.04660.0466276.137276.137111111110.05010.0501285.842285.842121212120.05350.0535279.441279.441131313130.05690.0569288.494288.494141414140.06040.0604281.326281.326151515150.06380.0638290.074290.074161616160.06730.0673282.489282.489171717170.07070.0707291.083291.083181818180.07420.0742283.252283.252191919190.07680.0768374.303374.303202020200.07980.0798336.737336.737212121210.08270.0827340.136340.136222222220.08530.0853381.358381.358232323230.08780.0878396.789396.789242424240.09040.0904381.998381.998。