抗震參數(shù)測(cè)試

1、波速測(cè)試及抗震規(guī)范培訓(xùn) 工程勘察公司2009年2月6日前言單孔法波速測(cè)試土層等效剪切波速的測(cè)定方法及誤差分析陳小峰 李玉良 （河北中核巖土工程有限責(zé)任公司）l0引言引言l在地層穩(wěn)定的平原地區(qū)，小范圍內(nèi)土層等效剪切波速應(yīng)是一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值，這個(gè)數(shù)值是客觀的，不應(yīng)因測(cè)試人員、測(cè)試儀器、測(cè)試時(shí)間的不同，有大的變化。但實(shí)踐中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，即同一場(chǎng)地、不同的勘察單位提供的土層等效剪切波速差別很大。例如某一建筑場(chǎng)地，兩家勘察單位提供的土層等效剪切波速分別為280m/s和190m/s，差異近50%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出測(cè)試、計(jì)算誤差可以解釋的程度，本文結(jié)合筆者的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例，系統(tǒng)介紹了剪切波速測(cè)試的原理和測(cè)

2、試方法，并對(duì)重點(diǎn)問(wèn)提進(jìn)行了討論，以期尋找產(chǎn)生誤差的原因，更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。 1 等效剪切波速的計(jì)算方法及應(yīng)用等效剪切波速的計(jì)算方法及應(yīng)用l依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001），剪切波速是劃分場(chǎng)地地基土類(lèi)型，確定覆蓋層厚度，判定建筑場(chǎng)地類(lèi)別的依據(jù)。土層等效剪切波速按下式計(jì)算： lVse=d0/tl式中 Vse土層等效剪切波速（m/s）；ld0計(jì)算深度（m），取覆蓋層厚度和20m二者的較小值； lt剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；ldi計(jì)算深度內(nèi)第i土層的厚度（m）；lvsi計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；ln計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。l根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)

3、地覆蓋層厚度，按表1.1劃分建筑的場(chǎng)地類(lèi)別。 1( /)nisiitd vl當(dāng)覆蓋層厚度較大時(shí)（例如大于50m），建筑場(chǎng)地分類(lèi)取決于20m內(nèi)計(jì)算的土層等效剪切波速的大小，等效剪切波速250m/s是一個(gè)重要的界線，大于250m/s時(shí)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為類(lèi)，而等效剪切波速小于250m/s時(shí)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別就成為類(lèi)。建筑場(chǎng)地類(lèi)別不同則建筑場(chǎng)地結(jié)構(gòu)設(shè)防投資差異明顯，正確判定場(chǎng)地類(lèi)別既關(guān)系到建筑物在遭遇地震時(shí)的安全使用，減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失，又關(guān)系到建筑物的建設(shè)成本。因此，在某些覆蓋層較厚的地區(qū)，等效剪切波速是否大于250m/s，是原位測(cè)試技術(shù)人員、巖土工程勘察技術(shù)人員、施工圖審查人員以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一

4、個(gè)焦點(diǎn)。 2 波速測(cè)試方法波速測(cè)試方法l通常等效剪切波速的測(cè)試采用單孔檢層法，一般的測(cè)試步驟為：l1） 平整場(chǎng)地，在距孔口13m處，固定激震板，使激震板中垂線通過(guò)鉆孔；l2） 安裝、調(diào)試儀器；l3） 將三分量檢波器放入預(yù)定深度，并貼緊孔壁；l4） 用鐵錘左右敲擊激震板，由儀器接收檢波器信號(hào)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷，如信號(hào)正常，剪切波反向良好，重復(fù)激振波形一致性良好，則分別記錄正反向敲擊的波形信號(hào)，該點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)束；l5） 將三分量檢測(cè)器放到下一測(cè)試點(diǎn)深度，重復(fù)上述步驟，直到全部測(cè)試點(diǎn)完成；l6） 如有必要，重復(fù)測(cè)試一定比例的試驗(yàn)點(diǎn)。3 獲得理想波形資料的關(guān)鍵獲得理想波形資料的關(guān)鍵l單孔法波速測(cè)試方法并不復(fù)

5、雜，但實(shí)際測(cè)試中，如果一些細(xì)節(jié)問(wèn)題疏忽了，并不一定能測(cè)得理想的波形，給準(zhǔn)確分析計(jì)算等效剪切波速帶來(lái)困難。在測(cè)試中，以下幾個(gè)方面應(yīng)格外注意：l1）合理設(shè)定儀器采樣間隔l合理設(shè)定儀器采樣間隔，是獲取理想波形的前提，如果采樣間隔設(shè)置太小，對(duì)于頻率較低的波形，視覺(jué)上會(huì)感覺(jué)太“散”，不象是常規(guī)意義的波形，且對(duì)于較深的測(cè)點(diǎn)，可能采不到剪切波；而如果采樣間隔設(shè)置過(guò)大，則波形可能會(huì)顯得太“緊”，同時(shí)影響波速計(jì)算時(shí)的精度。那么如何合理設(shè)置采樣間隔呢？波速測(cè)試儀器的采樣長(zhǎng)度通常有512點(diǎn)、1024點(diǎn)、2048點(diǎn)等幾種，常用的為1024點(diǎn)。在采樣長(zhǎng)度確定為1024點(diǎn)后，要根據(jù)地層大致的平均波速及測(cè)試深度，來(lái)合理確定

6、采樣間隔。第四系土層單孔法波速測(cè)試時(shí)，剪切波的主頻一般在4080Hz之間，周期大約在12.525.0ms之間，假設(shè)測(cè)試深度為50m，50m地層的剪切波平均速度大于250m/s，由t=50(m)/250(m/s)=0.2s，可以知道剪切波從震源到孔底的傳播時(shí)間不超過(guò)0.2s，0.2s/1024195s，則采樣間隔可以選取200250s，采樣時(shí)間長(zhǎng)度為0.205s0.256s，相當(dāng)于1020個(gè)剪切波的周期，這樣的采樣間隔，既可以完整地接收到剪切波，又不至于波形太“緊”或太“散”，波速計(jì)算也有相對(duì)較高的精度。l2） 激振板的放置l激振板的作用是通過(guò)錘擊，產(chǎn)生有效的、足夠能量的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)土層傳遞至三分

7、量檢波器，使儀器接收到高信噪比的剪切波。激振板的尺寸和材質(zhì)相對(duì)并不重要，關(guān)鍵是要能激發(fā)出能量較大的剪切波。使用木板作激震板時(shí)，要注意將孔口清平，激震板放在距孔口13m的地表，鉆孔通過(guò)激振板的中垂線，上壓鉆機(jī)或汽車(chē)前輪，用鐵錘敲擊其兩端產(chǎn)生剪切波。木板較長(zhǎng)，在市區(qū)測(cè)試時(shí)不易攜帶，且使用過(guò)程中，板頭容易被敲壞，影響測(cè)試工作的效果和效率。筆者將長(zhǎng)1.2m左右、腹板高度22cm的工字鋼兩端焊上釘齒做為激震板，測(cè)試時(shí)只需將釘齒砸入孔口附近的地表土中，板端墊上25cm厚的木板，人站在激振板上左右敲擊即可，墊木板的作用是使激發(fā)出來(lái)的波頻率相對(duì)較低，波形較穩(wěn)定，有效能量相對(duì)較高。這樣的激振板不必占用鉆機(jī)或其他

8、車(chē)輛，鉆孔完成后鉆機(jī)即可轉(zhuǎn)移；堅(jiān)固耐用，尺寸小，攜帶方便，可裝進(jìn)出租車(chē)的后備箱中。在放置激振板時(shí)，最好將表層松散的雜填土鏟掉，直接放置于均勻密實(shí)的老土上，因?yàn)殡s填土較松散，均勻性差，激發(fā)出來(lái)的波形不規(guī)則，顯得較“亂”，且雜填土與原狀土存在波阻抗界面，波傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的反射，能量有相對(duì)較多的損失。錘擊時(shí)最好固定由一個(gè)人完成，因?yàn)槊總€(gè)人的錘擊方法和能量會(huì)有一定的差異，激發(fā)出來(lái)的波形可能會(huì)有差異，觸發(fā)延遲時(shí)間也可能有差異。 l3） 觸發(fā)器的選用l觸發(fā)器以及外觸發(fā)方法有很多種，速度計(jì)、加速度計(jì)、壓電類(lèi)傳感器都可以用做觸發(fā)器，也可采用短路觸發(fā)或斷路觸發(fā)的方式。單孔法波速測(cè)試常用的有兩種外觸發(fā)方法，第一

9、種是將速度計(jì)(地震檢波器)插在激振板中部或其附近的地表土中，錘擊振動(dòng)傳至觸發(fā)器后觸發(fā)儀器；第二種是將壓電類(lèi)觸發(fā)器（壓電晶體傳感器）固定在錘頭上，錘擊激振板的同時(shí)觸發(fā)儀器。無(wú)論哪一種觸發(fā)器及觸發(fā)方法，觸發(fā)時(shí)間相對(duì)于激發(fā)時(shí)間總是有延遲的，延遲時(shí)間的多少視觸發(fā)器性能及觸發(fā)方法而不同，同一個(gè)觸發(fā)器不同次觸發(fā)，延遲時(shí)間也不會(huì)完全相同，因此測(cè)試之前，需要對(duì)觸發(fā)器的延遲時(shí)間及其穩(wěn)定性有一個(gè)大致的了解，做到心中有數(shù)。筆者曾在石家莊市的波速測(cè)試中，對(duì)不同的觸發(fā)方法做過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)本節(jié)中提到的將速度計(jì)插入激振板中部地表土中的激發(fā)方法，其觸發(fā)延遲時(shí)間約2.5ms左右，而將壓電類(lèi)觸發(fā)器固定在錘頭的觸發(fā)方法，其觸發(fā)延遲時(shí)

10、間僅為0.3ms左右，且延遲時(shí)間的穩(wěn)定性要好于前者。對(duì)觸發(fā)延遲時(shí)間有了解后，就可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的觸發(fā)方法，資料分析計(jì)算的時(shí)候，也可以對(duì)測(cè)試誤差有一個(gè)大致的估算。 l4) 三分量檢波器需貼壁良好l波動(dòng)是由激振板位置穿過(guò)地層到達(dá)檢波器位置，再通過(guò)貼壁裝置傳遞到三分量檢波器的，因此保證貼壁良好對(duì)于能否測(cè)到理想的波形是很重要的。常用的貼壁裝置有氣囊式和機(jī)械式兩種，也有的檢波器廠家稱自己的檢波器可以自然貼壁。在泥漿護(hù)壁的鉆孔中，如果孔中泥漿較粘稠，在波速測(cè)試時(shí)檢波器無(wú)需貼壁即可接收到剪切波，而在干孔或清水鉆孔中，檢波器的貼壁就顯得很重要。在三分量檢波器貼緊孔壁后，還要注意將連接檢波器的鋼絲繩、電

11、纜線放松一些，以免波動(dòng)沿鋼絲繩傳遞至檢波器，對(duì)測(cè)試造成干擾。氣囊式貼壁裝置還要確保管路不漏氣，否則也可能產(chǎn)生干擾波。l5) 水平錘擊，增強(qiáng)剪切波能量。l錘擊時(shí)應(yīng)使用20磅以上的鐵錘做震源，錘頭與激振板接觸時(shí)，力的作用方向盡量水平，以增強(qiáng)剪切波的能量。4資料處理及誤差分析資料處理及誤差分析l4.1 資料處理l野外測(cè)試完成后，利用剪切波分析程序?qū)⒚總€(gè)測(cè)試點(diǎn)左右敲擊的信號(hào)進(jìn)行重疊放置，并按測(cè)點(diǎn)深度順序排列成波列圖，做為分析計(jì)算等效剪切波速的基礎(chǔ)圖件。將不同深度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)波形組成波列圖，可直觀明了地判斷測(cè)試效果的好壞，方便直觀地確定剪切波初至。對(duì)于個(gè)別效果不理想的測(cè)試點(diǎn)，確定剪切波初至?xí)r可參考波列中前

12、、后測(cè)點(diǎn)的初至位置來(lái)插值確定。l在波列圖中，按照正反向敲擊產(chǎn)生的剪切波反向的原則，初步確定各測(cè)試點(diǎn)剪切波初至。每一次激振后產(chǎn)生的波動(dòng)中，均包含壓縮波、剪切波、面波等，每一種波的傳播特點(diǎn)各不相同，壓縮波相對(duì)剪切波傳播速度快，能量衰減快，離孔口一定深度后，壓縮波與剪切波逐漸分離，剪切波振幅遠(yuǎn)大于壓縮波振幅，將兩個(gè)相反方向敲擊的波形重疊放置后，剪切波相位相反。如圖4.1所示，理想的測(cè)試波形，很容易根據(jù)剪切波的傳播特點(diǎn)，確定其初至?xí)r間。 圖4.1 剪切波波形圖l剪切波初至?xí)r間確定后，就可以計(jì)算各測(cè)點(diǎn)剪切波速值。對(duì)于波速異常的測(cè)點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整初至?xí)r間，使整個(gè)波列初至連貫，相鄰測(cè)點(diǎn)波速變化合理。剪切波的初至

13、時(shí)間最終確定后，按照地基土分層界線深度，計(jì)算各土層剪切波速及等效剪切波速值。l當(dāng)擊振板距離孔口很近時(shí)，覆蓋層厚度大于20m的土層的等效剪切波速vse應(yīng)近似于20m地層的平均剪切波速值（即20m除以20m深度測(cè)點(diǎn)剪切波的初至?xí)r間后的數(shù)值），相對(duì)于層速度，等效剪切波速的值更好確定，也很客觀，20m深度測(cè)點(diǎn)剪切波初至?xí)r間前后移動(dòng)幾個(gè)采樣間隔對(duì)最終數(shù)值影響不大。4.2 等效剪切波速的誤差分析l等效剪切波速最終確定前，還應(yīng)對(duì)其誤差進(jìn)行分析，做到心中有數(shù)，必要時(shí)要進(jìn)行校正。可能給等效剪切波速帶來(lái)誤差的主要有以下幾個(gè)方面：l1） 儀器誤差l可用作波速測(cè)試的儀器類(lèi)型很多，如淺層地震儀、工程檢測(cè)儀、基樁動(dòng)測(cè)儀等

14、。儀器每年都應(yīng)到省級(jí)以上計(jì)量部門(mén)進(jìn)行標(biāo)定，檢驗(yàn)其各種指標(biāo)是否符合相關(guān)要求。如果儀器在檢定周期內(nèi)，且各項(xiàng)指標(biāo)檢定合格，則儀器的計(jì)時(shí)誤差應(yīng)可以忽略。l2） 測(cè)試誤差，主要包括測(cè)點(diǎn)深度的測(cè)量誤差和由于觸發(fā)延遲時(shí)間造成的誤差。l測(cè)點(diǎn)深度通常用測(cè)繩或標(biāo)刻在電纜線上的深度標(biāo)識(shí)來(lái)測(cè)量，測(cè)繩有可能隨使用次數(shù)的增加而產(chǎn)生較大的誤差，電纜線上的深度標(biāo)識(shí)也可能不準(zhǔn)，因此每次測(cè)試前最好用鋼尺對(duì)測(cè)繩或深度標(biāo)識(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，如測(cè)繩誤差較大應(yīng)及時(shí)更換，以避免由于深度測(cè)量的誤差而造成等效剪切波速值產(chǎn)生大的誤差。l當(dāng)觸發(fā)方式采用外觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)器觸發(fā)時(shí)間較錘擊激發(fā)時(shí)間有一定的延遲，如測(cè)試過(guò)程始終由一人負(fù)責(zé)錘擊，每一次的錘擊力度大體相

15、當(dāng)，則觸發(fā)延遲時(shí)間應(yīng)大體一致，對(duì)于波速測(cè)試來(lái)說(shuō)是一個(gè)系統(tǒng)誤差。分層計(jì)算波速時(shí)，延遲時(shí)間對(duì)求第一層的波速值有影響，其它各層的波速是用時(shí)間差計(jì)算的，延遲時(shí)間相互抵消，對(duì)層速度的計(jì)算影響不大。由于等效剪切波速是20m土層的平均剪切波速，因此延遲時(shí)間對(duì)其是有影響的，如果知道了延遲時(shí)間的大致范圍，則可以對(duì)由其引起的等效剪切波速的誤差有一個(gè)估算，必要時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行校正。例如使用速度計(jì)插在激振板中部地表土中充當(dāng)觸發(fā)器，由剪切波的波列圖確定了20m測(cè)點(diǎn)剪切波初至?xí)r間為70ms，觸發(fā)延遲時(shí)間為2.5ms，則等效剪切波速計(jì)算值大致為：lVse計(jì)算=20/0.07=286（m/s）l而校正值大致為：lVse校正=2

16、0/（0.07+0.0025）=276（m/s）l校正值大約比計(jì)算值低3.6%。如果采用錘頭固定觸發(fā)器的方式，延遲時(shí)間約為0.3ms，則等效剪切波速的校正值較計(jì)算值低約1.2（m/s），基本可以忽略不計(jì)。 l3） 初至?xí)r間判讀誤差l在理想的測(cè)試波形中，壓縮波相對(duì)于剪切波振幅小得多，正反向敲擊剪切波反向明顯，對(duì)于剪切波初至?xí)r間的判讀誤差應(yīng)該不大，將各測(cè)點(diǎn)剪切波按測(cè)點(diǎn)深度排列后，由于相鄰深度測(cè)點(diǎn)初至?xí)r間是連續(xù)的，相鄰測(cè)點(diǎn)速度沒(méi)有突變，初至?xí)r間的判讀精度應(yīng)該更高，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于理想的測(cè)試波形，由于初至?xí)r間的判讀引起的等效剪切波速誤差小于10m/s。如圖4.2所示，對(duì)于20m深度測(cè)點(diǎn)的波形圖，如果

17、初至?xí)r間確定為第一幅的位置，平均波速為294.5m/s，定在第二幅圖的位置，平均波速為285.1m/s，二者相比，初至?xí)r間相差2.3ms，大約相當(dāng)于1/61/8個(gè)周期，波速相差9.4m/s，由圖可知，兩個(gè)位置已經(jīng)有很明顯的差別，第一幅圖的位置顯然更為合適，一般不會(huì)把初至?xí)r間定到第二幅圖或偏差更大的位置，因此只要測(cè)到理想波形，由于初至?xí)r間判讀引起的等效剪切波速誤差應(yīng)該不大。圖4.2 剪切波初至的確定l綜上所述，如果儀器本身誤差可控，測(cè)試前對(duì)深度標(biāo)尺進(jìn)行了校核，測(cè)試所得波形理想，那么由其他因素（包括觸發(fā)器延遲時(shí)間、剪切波初至?xí)r間的判讀等）引起等效剪切波速的誤差應(yīng)在5%以內(nèi)。在該誤差范圍內(nèi)，不同技術(shù)

18、人員對(duì)同一場(chǎng)地實(shí)測(cè)得到的地層等效剪切波速值應(yīng)該相差不多，不會(huì)存在大的爭(zhēng)議。如果不能測(cè)到好的波形資料，剪切波的初至?xí)r間難以確定，技術(shù)人員憑自己的主觀經(jīng)驗(yàn)去做判斷，等效剪切波速的數(shù)值就會(huì)千差萬(wàn)別，同一塊場(chǎng)地出現(xiàn)兩種建筑場(chǎng)地類(lèi)別的判斷就不足為奇了。5 實(shí)例實(shí)例l圖5.1為作者在石家莊市內(nèi)某工程實(shí)測(cè)剪切波波列，波列中壓縮波能量較弱，正反向敲擊剪切波反向明顯，初至?xí)r間連續(xù)，測(cè)點(diǎn)波速有隨深度自上而下逐漸遞增的趨勢(shì)，其測(cè)試成果見(jiàn)表5.1。根據(jù)筆者的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，石家莊市區(qū)內(nèi)（包括東開(kāi)發(fā)區(qū)）土層等效剪切波速多在260m/s290m/s之間，vse低于250m/s的建筑場(chǎng)地較少。圖5.1 石家莊市某地剪切波實(shí)測(cè)波列6 結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)l波速測(cè)試做為一種原位測(cè)試方法，其測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)該是客觀的。如果儀器在檢定周期內(nèi)，三分量檢波器深度標(biāo)識(shí)經(jīng)過(guò)校核，對(duì)觸發(fā)延遲時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試或估算，充分考慮可能給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差的因素，并盡量加以消除，在測(cè)得較為理想的波形后，按照剪切波的傳播特點(diǎn)識(shí)別波的初至，才能保證測(cè)試成果客觀真實(shí)，同一建筑場(chǎng)地的