横波检测现状及展望

横波检测现状及展望第一页，共26页。1.概述

众所周知：A.一般液体中是不存在横波的；B.横波传播速度比纵波慢，当介质的泊松比

横波波速比纵波慢1.73倍；C.固体介质的横波传播速度与介质的含水量无关；D.测取地层的横波波速VS和纵波波速VP在知道地层的密度

即可获得地层的动弹性力学参数E、G、

；F.横波波速与地层的力学参数标贯值、内摩擦角、凝聚力存在定相关关系。第二页，共26页。2.横波测试的应用现状A.工程场地的地层分层第三页，共26页。2.横波测试的应用现状B.利用横波进行地层的反射波法勘查是有其优势是：（1）横波传播速度慢，有利于直达波与地层反射波的分辨，也

有利于分层的效果；

（2）不受地层含水量影响，分层精度高于纵波。

这些优势是都纵波反射勘探所不及的。上海市兴建地下轨道交通前，为了搞清地下地质构造，要求进行城市内的地质勘探，上海市有关单位采用了横波反射勘探，成功的完成了市内地下地质构造勘探，为地下轨道建设设计提供依据。

第四页，共26页。2.横波测试的应用现状

地层横波波速在抗震中作为评价“沙土液化势”的重要依据。沙土中的颗粒，平时颗粒间互相支撑，与上部岩体的重力，达到力的平衡状态，如上图。但是，一旦地震发生，地震的剪切波（横波）传播到地层，破坏了砂层颗粒的正常排列，于是承载力下降并失去，在上部岩体的重力作用下，沙层中水的层压力上升，出现“沙土液化”，砂层流动，在地面出现裂缝的地方，流沙外溢。

与此同时地层承载力下降，造成建筑物倒塌，出现严重地质灾害。沙土液化问题第五页，共26页。2.横波测试的应用现状

D.横波波速与被测介质动弹性力学参数有密切关系

如果地层的横、纵波波速能够准确测得，可以计算出地层的下列动弹性力学参数：

泊松比

弹性模量

剪切模量

第六页，共26页。2.横波测试的应用现状

E.《构筑物抗震设计规范》（GB50191—93）的场地评定，

对场地土层的平均剪切模量的计算离不开横波波速的

测试，计算土层的平均剪切模量G

上式中di—第i层土的厚度；

γi—第i层土重度；Vsi

—第i层土横波波速；n—覆盖层的分层数；g—重力加速度第七页，共26页。2.横波测试的应用现状

F.地层卓越周期的计算

“简明工程地质手册”（1998）P.331用地层横波波速通过经验公式计算卓越周期，计算公式如下：式中hi—第i层土厚度；VSi—第i层土横波波速；n—土层层数第八页，共26页。※核电站、油田、土坝等场地，特别是核电站，在

工程场地勘察时需对地下原状土的动力学性能进

行测试与分析，这其中原状土横波波速测试是必

须进行的；2.横波测试的应用现状G.现代工程抗震科学中原状土样的测试第九页，共26页。2.横波测试的应用现状

H.工程材料的横波检测

※绝缘陶瓷、耐火材料、工程塑料等特殊材料的动

力学特性离不开横波测试；※木材也要通过纵波和横波测试，来决定它的强度

和木材中的缺陷，利用横波将会更加有利，因为

水是不能传导横波的，木材是否含水对其强度、

缺陷测试，不会造成影响及干扰；第十页，共26页。2.横波测试的应用现状

H.工程材料的横波检测

※混凝土是建筑物使用中量大面广的材料，开展

横波测试，提供其动弹性力学性能，必然对建筑物

的抗震性能带来优势；

就探伤而言，如裂缝测试，采用横波就不用担

心裂缝中是否存在水，因为横波波速与木材的含水

量无关。

※材料科学、抗震试验科学的试验研究等，往往

也离不开横波测试。第十一页，共26页。3.横波的测试方法

测试方法历来分为：原位测试和取样测试

两类测试方法各有利弊，曾有过争论，前者认为原位测试可保持地质体的原始信息，后者认为取样测试更精确，孰是孰非，各有道理。结局是两种测试方法并存，互为补充。

客观而论，深部的原位测试的实现，有时存在困难，只有取芯代替。

横波测试也存在此种情况。第十二页，共26页。3.横波的测试方法

A.横波原位测—1▼单孔测试的振源和接收器

▼单孔现场测试示意第十三页，共26页。3.横波的测试方法

A.横波原位测试—2▼跨孔测试的振源和接收器

跨孔法现场测试示意▼振源—剪切波锤▼接收检波器第十四页，共26页。由两次相反方向击振得到的接收波形，才能确定横波的到达时间第十五页，共26页。3.横波的测试方法

B.取样测试按《建筑工程地质勘探与取样技术规程》JGJ87-2012从钻芯中获取试块，进行试块的纵波和横波波速测试，纵波测试比较简单，横波测试要使用横波换能器，换能器与试块的耦合方法应满足剪切波的传播。取样方法第十六页，共26页。3.横波的测试方法

B.取样测试试块测试方法如右图，图中3是横波发射与接收换能器。

“合格的横波换能器”，横波前面会有不太强的纵波P，后面到达的才是横波S。

为准确确定横波到达时间，应将其中的一个横波换能器在第一次测试后旋转1800后再测一次，此时横波的初动相位相应反相。

将两次测到横波波形对比，可准确确定横波的传播时间tS。▼试块的横波测试方法—1第十七页，共26页。3.横波的测试方法

B.取样测试试块的横波测试方法—2

鉴于前述的测试方法较为繁琐，又研制了扭转型的纯横波换能器，如左下图。其测试方法如下图，只需将被测试块夹在发射与接收横波换能器中间，换能器辐射面与试块间加耦合铝箔，并加一定垂直压力即可。测50mm长有机玻璃横波波形第十八页，共26页。3.横波的测试方法

B.取样测试试块的横波测试方法—2

鉴于上述换能器测试方法繁琐，又研制扭转型纯横波换能器，如下图。扭转型横波换能器，测试时不再要求换能器前先对准测试，再反向转1800后再测。被测有机玻璃的直径50mm长50mm的横波测试波形

ts=34.8usVS=1436m/s（标准值1470m/s）第十九页，共26页。4.如何发展横波测试技术从上述现场横波测试技术的讨论中，不难看出，完成现场横波测试的难处是：⑴振源笨重操作繁琐；⑵接收检波器的耦合不方便；⑶为了在有纵波干扰的情况下，确认横波的

初至，要改变击振方向测试两次，对比两

次击振的横波相位差1800即可确定横波的

到达时间，测试方法繁琐。（见下图）第二十页，共26页。由两次相反方向击振得到的接收波形，才能确定横波的到达时间第二十一页，共26页。A.关于一发双收长源距声波测井

当一发双收换能器源距加长到1.8-2.5m，可将波列中的P波波组与S波波组分开，就可以将横波S与纵波P，在时间域上分离，从而提取横波声时，见下图。4.如何发展横波测试技术注：“长源距声波测井”是我领导的研究室于1989年与南京大学声学研究室合作项目▼提取横波的前提第二十二页，共26页。根据岩体纵横波速度比值的经验关系有横波大致的到达时间是▼横波波速的提取与计算4.如何发展横波测试技术（注：式中△L是源距）第二十三页，共26页。

可按上式算出的时间，在时域开时间窗，在这个时间窗内就是横波可能到达的时间，再看R1和R2的时域波形中有多少个过零点，由这些相对应的过零点间的时差