岩土工程勘察波速测试

波速测试一、检层法波速测试二、跨孔法波速测试三、表面波法波速测试四、反射波法波速测试五、波速在工程中的应用一、检层法波速测试

检层法是在钻孔内测定岩土层波速的一种方法，是目前高层建筑岩土工程勘察中最常用的方法。

1．基本原理检层法利用直达波的原理，即先根据勘察深度要求用钻机成孔，然后将钻孔检波器放至预定的测试点(也可用静力触探贯入设备将三分量波速探头压人土层中)，并同时在孔口放置振源板，测出由孔口振源产生的波传到孔中检波器所需要时间t，算出波从振源到检波器的传播距离L，即可得到波在土中传播的速度：

2．试验设备图4-55贴壁式井中三分向检波器

图4-56压入式波速探头PVT型压入式波速探头

■

PVT型探头核心为三分量检波器(一纵二横)

■自振频率10HZ，灵敏度≥0.3V/cm/s

■适用检层法试验，快速又经济，不需预钻孔，不需下护管，亦不需气囊充气，探头直接压入土中，土体接触紧密，试验获得的波形清晰准确。

■可跟静探10cm2或15cm2单、双桥探头组成一体，一次贯入，可获得静探、波速二种资料。(1)根据试验要求确定孔深及试验点，先成好孔(或压入波速探头)。

(2)按图将孔口检波器埋设好，检波器位置在板底下中间，检波器轴线和板轴线一致(当板被敲击发出振波时，通过检波器就收到了振源的信号，将它与钻孔中的检波器收到的信号作比较，即可找出时间差)。然后将木板压下，木板要求和地面紧密接触，地面要平整，撤上lcm厚粗砂，板上压400kg左右重物。当铁锤水平敲击(见图4.9.6)板端时，板就要在地面滑动，但摩擦阻力阻止板的滑动,板就使土层表面产生剪切变形，由于弹性反力的作用，板在平衡位置附近来回振动，因而在土层表面产生正负剪切变形。由于颗粒间都有联系，变形就会扩展和传递给其它土颗粒，这样就形成了剪切波；又由于板和地面水平接触，因此，这样的波是水平剪切波—SH波，它的传播方向向下，质点运动方向与之垂直。3．试验方法图4－59孔口布置见图、

图4－60激振板内的波传播示意

图4－61检层法波速测试试验方法(3)将钻孔检波器慢慢放入钻孔中．下到预定深度．在孔口用气筒充气，使气囊突出，使检波器在孔中某点固定下来;(4)调试好所有测试仪器，检查是否都能正常工作;(5)敲击木板并同时起动自动记录仪器记下振动波形。敲板时用力均匀，尽量水平敲击，板的两端各敲数次，每端至少记3个波形。一个测点6个波形、以便于分析。测点布置一般根据两种情况确定，一种是事先了解地层，可以按地层区分，在层顶和层底布置测点；另一种是不了解地层资料，可以2—3m一个测点或更大一些。以上所述方法又叫下孔法(down-hole)，即孔口激振，孔中接收。另外也可用上孔法(up-hole)即孔下激振，孔口接收；例如，可以利用标贯试验作为孔底振源，同时进行孔口记录波形，如图所示。压入式波速探头压入式波速探头振源-激振板压入波速速探头敲击板端端4.资料整理理(1)波形分析析与鉴别波形鉴别别的目的的是要确确定剪切切波到达达的正确确位置。。由于外外界干扰扰以及敲敲击时在在激振板板内产生生的压缩缩波的地地下折射射，实际际得到的的波形记记录往往往是剪切切波和压压缩波复复合在一一起的记记录这就就给剪切切波的鉴鉴别带来来了很大大困难。。但是我我们可以以根据剪剪切波和和压缩波波的不同同特点把把它们区区分出来来。区分分的方法法常有以以下两种种：1)按速度度不同同区分分压压缩缩波速速度快快，剪剪切波波速度度慢；；压缩缩波总总是先先到达达，剪剪切波波后到到达。。2)根据波波型特特征区区分压压缩波波传递递的能能量少少，因因此波波峰小小；剪剪切波波传递递的能能量大大，波波峰高高。而而且两两种波波的频频率不不一致致．当当剪切切波到到达时时，波波形曲曲线上上会有有个突突变，，以后后过渡渡到剪剪切波波波形形。如如图4-62所示示。。图4——63浅层层波波形形记记录录图4－62波形记录图4－62波形记录图图4—63浅层波形记录录由图4-62可知，压缩波波互相靠得较较紧、频率较较高，剪切波波频率较低。。压缩波的记录录长度取决于于测点深度，，测点越深，，离开振源越越远．压缩波波的记录长度度就越长。图图4-63中的波形是在在离孔口1.05m深处记录所得得，箭头指示示处即为压缩缩波，其记录录长度要短得得多。如在孔孔口记录，波波形图中就不不出现压缩波波。当测点深深度超过20m或更深时，由由于压缩波能能量相对衰减减较快，一般般仪器有时测测不到压缩波波波形，记录录下来的波形形图只是剪切切波，这样就就更易鉴别了了。图4－64叠加有干扰波波的波形记录录图4—65相位相反的波波形记录图4－64、65上面都都是讲讲的正正常波波形鉴鉴别。。但在在测试试过程程中，，由于于各种种原因因往往往得到到畸变变的波波形，，严重重的甚甚至无无法鉴鉴别；；造成成波形形畸变变的原原因主主要有有外界界干扰扰、地地层岩岩性破破碎、、仪器器工作作不正正常等等等原原因。。在干干扰不不严重重时，，可用用分解解的方方法鉴鉴别。。如图图4-64中，，波波未未到到达达时时，，记记录录上上已已有有干干扰扰波波存存在在,当压压缩缩波波和和剪剪切切波波先先后后到到达达时时，，就就叠叠加加在在干干扰扰波波上上．．这这样样就就成成了了合合成成波波形形，，形形态态与与原原来来干干扰扰波波不不一一样样。。用用铅铅笔笔将将干干扰扰波波波波形形勾勾画画出出来来，，就就可可以以找找到到叠叠加加在在上上面面的的压压缩缩波波和和剪剪切切波波。。对于于这这种种畸畸变变的的波波形形还还可可用用相相位位对对比比方方法法鉴鉴别别。。由由于于试试验验时时敲敲击击激激振振板板的的一一端端后后．．还还敲敲击击另另一一端端，，其其方方向向相相反反，，测测到到的的波波形形其其相相位位刚刚好好相相反反，，如如图图4-65；所所示示，，比比较较这这两两个个波波形形记记录录，，将将记记录录纸纸上上击击振振时时间间信信号号对对齐齐，，找找到到相相位位差差180度的的两两个个最最大大的的峰峰及及谷谷即即为为剪剪切切波波到到达达位位置置。。如如干干扰扰很很严严重重,有效效波波都都被被掩掩盖盖了了,那就就无无法法鉴鉴别别。。(2)波速速VS的计计算算1)浅层层(小于5M)时平均波波速的计计算图4－66浅层时波波的行程程3)测点间土土层波速速的计算算图4－68波速试验验综合成成果图图4－68(3)图件资料料一般波速速试验主主要的成成果图件件资料格格式可见见图4-68。二、跨孔孔法波速速测试1．基本本原理跨孔法又又叫跨孔孔射波法法。它利利用两个个或两个个以上钻钻孔,一个作为为发射孔孔，其它它为接收收孔。从从发射孔孔内振源源发出的的波经过过两孔间间的土层层传播到到接收孔孔(见图4.9.15)，被孔中中检波器器接收，，然后计计算出波波行走的的时间，，就可求求得波速速：V=L/t因为跨孔孔法两孔孔间可有有一定距距离．所所以它特特别适用用于已有有基础下下动力参参数的补补查。图4－69跨孔法波波速试验验示意图图图4－69(1)跨孔波速试试验的振源源型式跨跨孔波速速试验方法法的基本持持征，主要要是接收直直达的剪切切波。以往往在地震勘勘探中所讲讲的直达波波，主要是是指以爆炸炸震源向各各方面传播播的体波。。正如大家家所知，任任何震源都都会产生复复合波，剪剪切波是压压缩波的续续至波，往往往受到其其他波的干干扰和掩盖盖，因此，，辨别出第第一个剪切切波到达时时间往往比比较困难，，故要求振振源能产生生丰富的剪剪切波分量量，压制压压缩波的分分量。如果果采用适当当的激振和和接收方法法，第一个个剪切波的的到达还是是能分辨出出来的。就就振源而言言，一般指指两种：爆爆炸震源(包括炸药爆爆炸、高压压电火花、、气枪等)，机械振源源(包括重锤、、标准贯入入试验装置置、井下剪剪切波锤)。2．仪器设设备图4－70振波射线图图图4－70振波射线图图图4-70所示，，一重重物竖竖向落落下，，冲击击钻杆杆(或直直接接冲冲击击孔孔底底)，通通过过钻钻杆杆将将振振动动传传递递到到孔孔底底O点,产生生P波和和S波波波动动、、这这些些波波于于作作用用力力本本身身的的不不完完全全对对称称性性,致使使波波没没有有球球形形对对称称性性。。图图中中的的两两个个虚虚线线圆圆表表示示P波射射线线方方向向，，就就是是说说P波分分量量向向上上或或向向下下较较强强，，在在振振动动点点附附近近R波分分量量特特别别强强。。图图中中两两个个实实线线圆圆表表示示SV波射射线线图图。。说明明SV波分分量量沿沿水水平平方方向向最最强强。。跨跨孔孔法法波波速速测测试试就就是是在在离离激激振振点点沿沿水水平平万万向向一一定定距距离离的的另另外外两两个个钻钻孔孔的的同同样样深深度度处处。。例例如如：：M、N点安安置置三三分分量量检检波波器器,就可可以以接接收收到到能能量量丰丰富富的的SV波。。这种种振振源源装装置置携携带带方方便便，，操操作作容容易易，，几几乎乎把把所所有有的的能能量量集集中中在在一一个个轴轴上上，，并并把把大大部部分分能能量量转转换换成成剪剪切切能能量量，，故故能能产产生生丰丰富富的的S波分量。主要要缺点是可利利用能量有限限，但如果与与信号增强型型地震仪或者者放大倍数较较高的放大器器配套使用时时能量是足够够的。图4－71井下剪切波锤锤结构简图1一扩张液管；；2一收缩液管；；3一上部活动质质量块；4一活动滑杆；；5一井下锤固定定部分；6一井下锤扩张张板；7一下部活动质质量块图4－71井下剪切波锤锤结构简图在岩石及较硬硬土中进行跨跨孔法波速测测试时,—般都采用如图图4-71所示的井下剪剪切波锤。这这种装置由一一个固定的圆圆筒体和一个个滑动的重锤锤组成。当把把装置放到孔孔内某一深度度处，通过地地面的液压装装置将四个活活塞推出使筒筒体紧贴井壁壁，然后向上上拉连接在锤锤顶部的钢丝丝绳．使活动动重锤向上冲冲击固定筒体体，这样筒体体与孔壁产生生剪切振动；；松开钢丝绳绳，滑动重锤锤自由下落向向下冲击固定定圆筒体．同同样产生剪切切振动。由于于振源作用力力方向的改变变、故接收到到的S波初至相位差差180度，这对辨别别S波的初至是有有好处的。一一个点测好后后,同样通过地面面液压装置将将四个活塞缩缩回，再放到到另一个深度度点，继续进进行试验。图4－72记录曲线图图4－72岩石中中的跨跨孔法法波速速试验验，有有时也也用爆爆炸震震源，，但地地面简简单的的爆炸炸几乎乎不会会产生生真的的剪切切波，，这时时波的的组合合是复复杂的的，比比较难难于解解释。。有时时可采采用定定向爆爆破源源，如如把炸炸药放放在小小槽一一侧的的金属属板上上,有时也有好好的效果。。过多的炸炸药量将会会引起在所所有方向产产生波的弹弹性变形，，故一般采采用小炸药药爆炸。在在锤子重量量不能满足足的远距离离测量范围围内，以及及波至时间间长得足以以使波能从从波的序列列上分开时时，可用爆爆炸震源。。此外,国外还介绍绍了几种旋旋转振源和和连续振动动器，但这这种设备不不太方便。。国内还没没有单位使使用。我国水利水水电科学研研究院抗震震研究所，，曾在某地地第四系进进行跨孔波波速测试时时，作过两两种振源效效果的对比比，结果认认为爆炸振振源的P波干扰较大大，难以辨辨出S波的初至，，故建议采采取机械振振源。(2)接收器、放放大器和记记录仪两种振源，，无论是哪哪一种振源源都会产生生复合波。。进行跨孔孔波速试验验时，要求求既能看到到竖向分量量的记录，，又能看到到两个水平平分量的记记录，便广广更好地判判断，所以以一股都采采用三分量量检波器检检测波的到到达。这种种三分量检检波器是由由三个申个个检波器按按相互垂直直(即X、Y、Z)的方向,固定并密封封在无磁性性的圆形筒筒内。将三三分量检波波器放到孔孔内时，一一个垂直检检波器平行行于钻孔轴轴线,另外两个检检波器垂直直于钻孔轴轴线,在试验点用用气囊装置置将三分量量检波器的的外壳对着着孔壁压紧紧。我国目前前使用的的检波器器的自振振频率为为27Hz颇率，响响应可达达几百Hz，而一般般机械振振源产生生的S波频率约约70一130Hz。由于检检波器本本身的自自振频率率高，方方向性不不太敏感感，所以以，三分分量检波波器在井井下一般般不定向向，即在在任何方方向都能能接收到到S波和P波。记录录设备主主要采用用多道工工程地震震仪．特特别是信信号增强强型工程程地震仪仪，能把把微振动动信号存存储在数数字存储储器内，，存储器器的存储储信息在在示波器器上显示示．当锤锤击重复复时．续续至的信信号在数数字存储储器内相相加,随机背景景噪音信信号趋于于抵消，，有用的的信号不不断增强强，这样样可用较较小的振振源能量量测试较较远的距距离。同同时，该该类仪器器备有极极性反向向开关，，便于在在现场直直接分辨辨P波和S波。另外还有有一些国国产测桩桩仪器也也都具有有波速测测试的功功能。使使用国产产仪器经经济，订订购和修修理都比比较方便便。(4)测试方法法(目前主要要分两类类)1)一次成孔孔测试法法该法的主主要特点点是，将将跨孔地地震波速速测试所所需要的的钻孔按按照预定定的设计计深度一一次成孔孔。然后后将内径径为80一85的塑料套套管下到到距孔底底还剩2m左右的深深度，接接着向套套管与孔孔壁之间间的环形形空隙灌灌浆，一一直灌到到孔口。。待灌浆浆凝固(一般要一一个星期期)使套管壁壁与周围围土层紧紧密接触触和良好好藕合才才能进行行测试。。测试时时首先把把边缘一一个孔作作为振源源孔，把把井下剪剪切波锤锤放到试试验深度度，然后后撑开液液压装置置，将井井下锤紧紧紧固定定在这个个位置。。同时在在另外几几个钻孔孔中同一一标高处处放入三三分量检检波器，，立即进进行充气气，将三三分量检检波器固固定在这这个位置置。然后后向上拉拉连接在在井下剪剪切波锤锤的钢丝丝绳，重重锤撞击击圆筒体体，产生生振动，，放在几几个孔中中的三分分量检波波器就可可检测到到S波。在这种现场测测试方法中，，有时一次钻钻好放置接收收器的几个钻钻孔，并下好好套管；作为为振源的孔，，可一边钻进进一边测试。。这种方法主主要是利用标标准贯入试验验装置作振源源时采用。②分段钻进、分分段试验方法法该方法主要用用于深度不太太大的第四纪纪土层中的跨跨孔波速测试试。采用这种种方法主要是是为了减少下下套管和灌浆浆等复杂技术术。同时也可可排除测试中中合等问题。。一般采用三三台钻机同时时钻进，为了了降低由于应应力解除和挤挤压造成的孔孔壁扰动，常常采用泥浆钻钻进。当钻孔孔钻到预定深深度后(测点距一般为为l一2m)，将钻具提出出，把开瓣式式取土器送到到预定深度，，先打入土内内30cm，再把三分量量检波器放入入另外两个钻钻孔的同一标标高处，并与与土体紧密接接触。但要求求钻具提出后后，孔底的残残余土不能大大于10cm厚，然后用重重锤敲击，使使取土器外壳壳与土体作近近似摩擦剪切切运动，产生生剪切分量，，三分量检波波器会检测到到清晰的剪切切波初至。当当认为记录满满意后，将重重锤反复敲出出，则可收到到初至相位差差180的剪切波。(5)钻孔垂直度的的测量设计跨孔波速速试验的钻孔孔时，钻孔的的深度大于15m，必须对钻孔孔进行倾斜度度测量，特别别是放置接收收器的钻孔。。测斜仪不仅要要能测量出每每个钻孔的倾倾斜度，而且且要能测出钻钻孔倾斜的方方位，还要具具有能测顶角角的功能，其其测斜范围为为0一30度，精度为土土0.1度；同时，仪仪器还应具有有能测量0一359度方位的能力力，并具有土土1度的灵敏度；；特别是要求求当钻孔的顶顶角倾斜度低低于1度时，测斜仪仪也要能测出出钻孔的倾斜斜方位；其精精度应达到土土3度。用这样的的仪器获得的的数据，对于于一个120m深的钻孔，孔孔间的实际距距离的计算精精度大约可达达到土25cm。另外，测斜点点应与测试点点相同，然后后根据该点的的测斜数据，，用作图或计计算的方法，，计算出该深深度处钻孔间间的水平距离离。用这个水水平距离除以以剪切波的到到达时间，可可得到该深度度处土层的真真剪切波速度度值。(6)振源起始信号号振源振动的起起始信号可用用两种办法来来获得。一是是可将一只检检波器固定在在冲击杆上，，当锤击冲击击杆，则起始始信号由此检检波器接收并并将其传送到到示波器上；；二是可采用用电容电路，，并将它联接接到铁锤和冲冲击杆上，当当铁锤击到冲冲击杆上，则则一方面往孔孔下送振动，，另一方面就就送出计时起起点信号。4.资料整理三、表面波法法波速测试表面波法又称称稳态振动法法、瑞利波法法。按照振动动和波动理论论，如果在地地表面有一个个振源,其振动是一一个频率稳稳定的正弦弦振动,这时振动能能量大部分分以瑞利波波的形式向向四周传播播，在面波波传播方向向上安放拾拾振器，就就可接收到到瑞利波的的垂直分量量。由于振振源产生的的是正弦振振动，因此此，地表面面在振动中中任一时刻刻的位移可可用图的正弦曲线线来表示。。任何两个个相邻的峰峰或谷的距距离等于瑞瑞利波的波波长LR、如果改变变振源的振振动频率、、波长LR也将随之发发生变化。。1．基本原原理图4－73面波测试基本原理示示意表面波法波波速测试表面波法波波速测试表面波法波波速测试表面波法波波速测试表面波法波波速测试表面波法波波速测试表面波法波波速测试图4－75波数-距离图四、反射波波法南京地铁NDP1大桥南路高高架桥五、波速在工程程中的应用用1.岩土地基动动力参数计计算2.场地土类型型和场地类类别(1)．地震区建建筑场地的的选择地震区选择择建筑场地地时，应按按下面的条条件划分对对建筑抗震震有利、不不利和危险险的地段。。1)有利地段。。坚硬或开阔阔平坦、密密实均匀的的中硬土等等。2)不利地段。。软弱土，液液化土，条条状突出的的山嘴，高高耸孤立的的山丘，非非岩质的陡陡坡，河岸岸和边坡边边缘，平面面分布上成成因、岩性性、状态明明显不均匀匀的土层(如故河道、、松散断层层破碎带、、暗藏的塘塘、浜、沟沟谷及半填填半挖地基基)等。3)危险地段。地震时可能能产生滑坡坡、崩塌、、地陷、地地裂、泥石石流等及发发震断裂带带上可能发发生地表位位错的部位位。其它地段可可视为可进进行建设的的一般地段段。(2)．场地地土类型划划分场地土类型型：当为单单一土层时时、土的类类型即为场场地土类型型；当为多多层土时，，场地土类类型可根据据地面下20m且不不深深于于场场地地复复盖盖层层厚厚度度范范围围内内各各土土层层类类型型和和厚厚度度综综合合评评定定。。见见表表6－20。(1)复盖盖层层厚厚度度建筑筑场场地地覆覆盖盖层层厚厚度度的的确确定定，，应应符符合合下下列列要要求求：：1）一般般情情况况下下，，应应按按地面面至至剪切切波波速速大大于于500m／s的土土层层顶顶面面的的距距离离确确定定。。2）当当地地面面5m以下下存存在在剪剪切切波波速速大大于于相相邻邻上上层层土土剪剪切切波波速速2.5倍的土土层层，，且且其其下下卧卧岩岩土土的的剪剪切切波波速速均不不小小于于400m／s时，可可按按地地面面至至该该土土层层顶顶面面的的距距离离确确定定。。3）剪剪切切波波速速大大于于500m／s的孤石石、、透透镜镜体体，应应视视同同周周围围土土场场地地复复盖盖层层厚厚度度。。应应按按地地面面至至剪剪切切波波速速大大于于500m/s的土土层层或或坚坚硬硬土土顶顶面面的的距距离离确确定定。。4）土土层层中中的的火火山山岩岩硬夹夹层层，应应视视为为刚刚体体，，其其厚厚度度应应从从覆覆盖盖土土层层中中扣扣除除。。(3)．建建筑筑场场地地类类别别划划分分土层层的的等等效效剪剪切切波波速速，，应应按按下下列列公公式式计计算算：：土层层剪剪切切波波速速的的测测量量要要求求：：1）在在场场地地初初步步勘勘察察阶阶段段，，对对大大面面积积的的同同一一工工程程地地质质单单元元，，测测量量土土层层剪剪切切波波速速的的钻钻孔孔数数量量，，应应为为控控制制性性钻钻孔孔数数量量的的1／3一l／5，山间河河谷地区区可适量量减少，，但不宜宜少于3个。2）在场场地详细细勘察阶阶段，对对单幢建建筑，测测量土层层剪切波波速的钻钻孔数量量不宜少于于2个，数据变变化较大大时，可可适量增增加；对对小区中中处于同同一地质质单元的的密集高高层建筑筑群，测测量土层层剪切波波速的钻