波速測(cè)試-2013.6.26

1、 一、基本概念一、基本概念 1聲波測(cè)試的定義 波速測(cè)試(Wave Velocity Test)是利用波速確定地基土的物理力學(xué)性質(zhì)或工程指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法；根據(jù)彈性波在巖土體內(nèi)的傳播速度，間接測(cè)定巖土體在小應(yīng)變條件下(10-410-6)的動(dòng)彈性模量等參數(shù)。 波在地基土中的傳播速度是地基土在動(dòng)力荷載作用下所表現(xiàn)出的工程性狀之一，也是建(構(gòu))筑物抗震設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。 2幾組概念的區(qū)分1）體波：在彈性體內(nèi)部傳播的波； 面波：在彈性體表面或不同介質(zhì)交界面上傳播的波；2）瑞利波：波的質(zhì)點(diǎn)在包含波傳播方向的鉛垂平面內(nèi)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)衰減，傳播速度略小于橫

2、波。 勒夫波：質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與波傳播方向垂直。 地震波地震波兩種體波兩種體波 根據(jù)彈性理論，縱波的傳播速度大約為橫波的根據(jù)彈性理論，縱波的傳播速度大約為橫波的1.67倍，說(shuō)明縱波的倍，說(shuō)明縱波的傳播速度快，因此也把縱波叫初波，橫波叫次波。傳播速度快，因此也把縱波叫初波，橫波叫次波。 面波：面波：只限于在地面附近傳播的波，也就是體波經(jīng)過(guò)地層界面多只限于在地面附近傳播的波，也就是體波經(jīng)過(guò)地層界面多次反射形成的次生波。周期長(zhǎng)，振幅大，比體波衰減慢，能傳播到次反射形成的次生波。周期長(zhǎng)，振幅大，比體波衰減慢，能傳播到很遠(yuǎn)的地方。很遠(yuǎn)的地方。面波包括：瑞雷波和洛夫波面波包括：瑞雷波和洛夫

3、波Love面波傳播方向傳播方向Rayleigh面波地地 震震 預(yù)預(yù) 警警3）壓縮波：當(dāng)波傳播時(shí)，如果質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，稱(chēng)為壓縮波； 剪切波：當(dāng)波傳播時(shí)，如果質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直，稱(chēng)為剪切波； 二、聲波測(cè)試的適用性及分類(lèi)二、聲波測(cè)試的適用性及分類(lèi) 由于地下水的存在對(duì)剪切波波速不產(chǎn)生明顯的影響（壓縮波影響很大）。所以，通常是測(cè)剪切波波速確定土的動(dòng)力特性。 波速測(cè)試可以采用單孔法、跨孔法和面波法。三、聲波測(cè)試的目的三、聲波測(cè)試的目的 地基土的波速測(cè)試可以應(yīng)用于以下目的：（1）劃分場(chǎng)地類(lèi)型，計(jì)算場(chǎng)地的基本周期；（2）提供地震反應(yīng)分析所需的地基土動(dòng)力參數(shù)(動(dòng)剪切模量、阻尼比、

4、動(dòng)剪切剛度等)；（3）提供動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的地基土動(dòng)力參數(shù)(抗壓、抗剪、抗扭剛度及剛度系數(shù)、阻尼等)；（4）判斷地基土液化的可能性；（5）評(píng)價(jià)地基土的類(lèi)別和檢驗(yàn)地基加固效果。 單孔法如圖91所示。單孔法是在孔口地面設(shè)置振源，在唯一的一個(gè)鉆孔中，在需要探測(cè)的深度處放置拾振器，主要檢測(cè)水平的剪切波(SH波)和壓縮波(P波)的波速。 圖91 單孔法波速測(cè)試示意圖 單孔波速測(cè)試：由震源產(chǎn)生壓縮波（又稱(chēng)單孔波速測(cè)試：由震源產(chǎn)生壓縮波（又稱(chēng)P波）和剪切波）和剪切波（又稱(chēng)波（又稱(chēng)SH波），經(jīng)過(guò)土層的傳播，由在孔中的三分波），經(jīng)過(guò)土層的傳播，由在孔中的三分量檢波器接收地震波，根據(jù)量檢波器接收地震波，根據(jù)波

5、傳播的距離波傳播的距離和和走時(shí)走時(shí)計(jì)算計(jì)算出場(chǎng)地土的波速，進(jìn)而評(píng)價(jià)場(chǎng)地土的工程性質(zhì)。因?yàn)槌鰣?chǎng)地土的波速，進(jìn)而評(píng)價(jià)場(chǎng)地土的工程性質(zhì)。因?yàn)榧羟胁ㄋ倬哂?，能夠比較顯著的反應(yīng)介質(zhì)彈性性質(zhì)的剪切波速具有，能夠比較顯著的反應(yīng)介質(zhì)彈性性質(zhì)的特點(diǎn)，因此，剪切波速測(cè)井被廣泛應(yīng)用到工程勘察和特點(diǎn)，因此，剪切波速測(cè)井被廣泛應(yīng)用到工程勘察和建設(shè)的各個(gè)方面建設(shè)的各個(gè)方面。 1、單孔波速測(cè)井的各種要素：、單孔波速測(cè)井的各種要素：測(cè)井設(shè)備主要有四大部分： 1）鉆孔：用機(jī)械設(shè)備打出測(cè)試鉆孔，在一些特殊地區(qū)使用套管護(hù)壁（套管必需與孔壁緊密接觸）。 2）震源部分：采用大錘敲擊震源板的兩端，震源板上壓有500公斤以上重物，并與地面

6、緊密接觸，在震源板兩端進(jìn)行正反向激震，激發(fā)sH波信號(hào)時(shí)，通過(guò)地層傳到測(cè)井傳感器。 3）井中三分量拾震器的探頭（傳感器、井下擺），把探頭下至預(yù)定測(cè)試的土層位置，利用氣囊或壓板使探頭緊貼井壁，地震信號(hào)可通過(guò)拾震器的機(jī)電轉(zhuǎn)換，把振動(dòng)變成電訊號(hào)，經(jīng)過(guò)電纜傳送到地面的測(cè)井儀。 4）工程測(cè)井儀：能夠把電訊號(hào)記錄并保存的數(shù)字測(cè)井設(shè)備。1、鉆孔、鉆孔震源木板震源木板震源板的長(zhǎng)軸方向中心到測(cè)井井孔中心的距離4、波速測(cè)井儀、波速測(cè)井儀3、三分量探頭、三分量探頭2、振源部分、振源部分1、鉆孔、鉆孔（二）下孔法資料整理解釋1.根據(jù)直達(dá)波傳播時(shí)間和深度計(jì)算地層速度2.根據(jù)層速度計(jì)算彈性模量?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及波速計(jì)算簡(jiǎn)圖如3.

7、8.1所示圖圖3.8-1 3.8-1 波速計(jì)算簡(jiǎn)圖波速計(jì)算簡(jiǎn)圖1.對(duì)PS測(cè)井記錄讀取彈性波旅行時(shí)間tg, 2.將tg換算成垂直時(shí)間t,并繪制zt垂直時(shí)距曲線，如圖3.8.2;3.設(shè)ti和ti-1為實(shí)測(cè)的初至?xí)r間,zi-1和zi為相應(yīng)地點(diǎn)的垂直深度,則zi-1與zi之間地層的波速(層速度) vi為22gzttzd11iiiiiiizzzvttt4.將 累加,即求t就是波從井口傳播到zn深度處所用的時(shí)間zn表示深度, 從井口到zn深度處波的平均速度1iiiizztv1niitt1nniizz11nininiizzvtt5.以垂直時(shí)間為橫坐標(biāo),以深度為縱坐標(biāo)繪制垂直時(shí)距曲線,用垂直時(shí)距曲線的線性段和

8、拐點(diǎn)可對(duì)地基分層，計(jì)算層速度.6.繪制綜合速度圖，包括平均速度與垂直時(shí)間的關(guān)系等圖圖3.8.2 3.8.2 下孔法試驗(yàn)實(shí)測(cè)時(shí)距圖下孔法試驗(yàn)實(shí)測(cè)時(shí)距圖三、儀器設(shè)備組成三、儀器設(shè)備組成單孔法測(cè)試所需儀器設(shè)備一般包括以下兩部分：(1)震源：指的是彈性波激發(fā)裝置。(2)彈性波接收裝置：包括檢波器、放大器及記錄顯示器。 圖94 震源示意圖1震源 人工激發(fā)是一種最簡(jiǎn)單的方法，用得也最普遍。常用的振源激發(fā)裝置是尺寸為2500mm 300mm 50mm 的木板，木板的長(zhǎng)度方向中垂線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試孔中心?？卓谂c木板的距離宜為13m，其上放置400kg的重物(圖94)。當(dāng)用錘水平敲擊木板端部時(shí)，木板與地面摩擦而產(chǎn)生水

9、平剪切波。將檢波器用擴(kuò)展裝置固定在孔內(nèi)的不同深度處以接收剪切波。測(cè)試應(yīng)自下而上進(jìn)行。在每一個(gè)試驗(yàn)深度上，應(yīng)重復(fù)試驗(yàn)多次。 應(yīng)該說(shuō)，激震板越長(zhǎng)，剪切波的頻率越低；壓重越重，剪切波能量越大。2彈性波接收 波速法測(cè)試時(shí)，無(wú)論選擇什么樣的振源，一般都會(huì)產(chǎn)生復(fù)合波，這就要求接收器既能記錄到豎直振動(dòng)分量，同時(shí)又能記錄到兩個(gè)水平方向的振動(dòng)分量，以便更好地識(shí)別到剪切波到達(dá)的時(shí)刻。所以，一般采用三分量檢波器。 三分量檢波器是由3個(gè)傳感器按相互垂直的方向固定并密封在一個(gè)無(wú)磁性的圓筒內(nèi)制成的，如圖95所示。這種檢波器自振頻率較高，對(duì)方向性不敏感，即使埋置傾斜，也能有效的進(jìn)行波動(dòng)測(cè)試。 3放大器和記錄儀 目前國(guó)內(nèi)波速

10、測(cè)試所采用的記錄器主要有SC1型、SC16型、SC18型紫外線感光記錄示波器，工作頻率范圍為0270H z。走紙速度可根據(jù)波形情況加以調(diào)節(jié)。四、試驗(yàn)方法四、試驗(yàn)方法1現(xiàn)場(chǎng)布置 在指定測(cè)試點(diǎn)打鉆孔，垂直度要求與一般的勘探孔一樣。離開(kāi)孔口11.5m布置激震裝置。如孔內(nèi)檢波器沒(méi)有在孔壁上固定的裝置，則需要鉆機(jī)協(xié)助；否則除非鉆孔可能塌孔，在聲波測(cè)試前可把鉆機(jī)移走。 2孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置原則 一般應(yīng)結(jié)合土層的實(shí)際情況布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)在垂直方向上的間距宜取13m，層位變化處加密。具體布置遵循以下原則：（1）每一土層都應(yīng)有測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)宜設(shè)在接近每一土層的頂部或底部處，尤其對(duì)于薄土層，更不能將測(cè)點(diǎn)設(shè)在土層的中點(diǎn)。（

11、2）若土層小于1m，可忽略；若大于4m，須增加測(cè)點(diǎn)，通?？梢悦块g隔12m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。（3）測(cè)點(diǎn)設(shè)置必須考慮土性特點(diǎn)。若土層相對(duì)均勻，可考慮等間隔布置；否則，只能根據(jù)土層條件按不等間隔布置。3測(cè)試步驟（1）放置檢波器。向孔內(nèi)放置三分量檢波器，在預(yù)定深度固定于孔壁上，并緊貼孔壁。 檢波器貼壁的效果將直接影響到信號(hào)接收效果。按照檢波器貼壁方法的不同，可以將檢波器分為充填式、彈跳式和磁吸式等3種。充填壁式是通過(guò)檢波器上安裝的氣囊充氣膨脹后將檢波器固定在鉆孔中，缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)如果不注意充氣壓力的大小，氣囊很容易脹壞，另外也容易被一些堅(jiān)硬的物體刺破。彈跳式是通過(guò)機(jī)械彈力將檢波器貼在孔壁；而磁吸式則是通過(guò)磁

12、力將其吸附在孔壁。 我國(guó)目前批量生產(chǎn)的充填式檢波器有3種，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表91。表91 充填式檢波器的技術(shù)指標(biāo)（2）布置測(cè)點(diǎn)。根據(jù)最小測(cè)試深度h1，測(cè)點(diǎn)間隔dh和測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)n，可確定各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為： hih1(i-1)dh (i=1，2，3)（3）激發(fā)。一般采用地面激震，距孔口為dx處埋設(shè)一厚木板，用大錘分別錘擊木板的兩端，產(chǎn)生正、反向的剪切波。（4）接收。采用三分量檢波器，在鉆孔的不同深度hi處分別記錄正反向剪切波的波形，檢查記錄波形的完整性及可判讀性。（5）如發(fā)現(xiàn)接收儀記錄的波形不完整，或無(wú)法判讀，則須重做，直至正常為止。 1波形鑒別 僅講剪切波達(dá)到時(shí)間的判斷方法。 在測(cè)試巖土體剪切波速時(shí)，波

13、形鑒別的目的是要確定剪切波到達(dá)的正確位置。由于外界干擾以及敲擊時(shí)在激板內(nèi)產(chǎn)生的壓縮波向地下折射，實(shí)際得到的波形記錄往往是剪切波和壓縮波復(fù)合在一起的記錄，這就給剪切波的鑒別帶來(lái)了很大困難。 但是，我們可以根據(jù)剪切波和壓縮波的不同特點(diǎn)把它們區(qū)分出來(lái)。區(qū)分的標(biāo)志是：（1）波速不同。壓縮波速度快，剪切波速度慢。因此，壓縮波先到達(dá)，剪切波后到達(dá)。（2）波形特征。壓縮波傳遞的能量小，因此波峰??；剪切波傳遞的能量大，因此峰值大。（3）頻率不一致。當(dāng)剪切波到達(dá)時(shí)，波形曲線上會(huì)有個(gè)突變，以后過(guò)渡到剪切波波形。 壓縮波記錄的長(zhǎng)度取決于測(cè)點(diǎn)深度。測(cè)點(diǎn)越深，離開(kāi)振源越遠(yuǎn)，壓縮波的記錄長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。圖96 b)中波形是在

14、離孔口5m深處記錄所得，其壓縮波記錄長(zhǎng)度要短得多。如在孔口記錄，波形中就不會(huì)出現(xiàn)壓縮波。當(dāng)測(cè)點(diǎn)深度大于20m或更深時(shí)，由于壓縮波能量小，衰減較快，一般放大器有時(shí)候測(cè)不到壓縮波波形，記錄下來(lái)的波形圖只有剪切波，這樣就更容易鑒別了。圖 96 波形圖2資料整理與應(yīng)用（1）參照以上波形鑒別方法，在波形記錄上識(shí)別壓縮波和剪切波的初至?xí)r間。 對(duì)于單孔法，確定壓縮波的時(shí)間應(yīng)當(dāng)采用垂直向傳感器記錄的時(shí)間，確定剪切波的時(shí)間應(yīng)當(dāng)采用水平向傳感器記錄的時(shí)間；對(duì)于跨孔法，確定壓縮波的時(shí)間應(yīng)當(dāng)采用水平向傳感器記錄的時(shí)間，確定剪切波的時(shí)間應(yīng)當(dāng)采用垂直向傳感器記錄的時(shí)間。 （2）根據(jù)波的傳播時(shí)間，利用公式確定各土層波速。（

15、3）根據(jù)各層Vsj、j或j計(jì)算剪切模量Gj（j為土層序號(hào)）：g為重力加速度，g0.00981km/s21i1jsj1 - jjii1iisiVhhcosthhV2sjj2sjjjgVVG/ （4）計(jì)算場(chǎng)地土層平均剪切模量（20m內(nèi)，但不超過(guò)土層覆蓋層厚dov）（5）確定場(chǎng)地覆蓋層厚度dov（Vsj=500m/s）（6）計(jì)算場(chǎng)地土層平均剪切波速Vsm（15m內(nèi)，但不超過(guò)覆蓋層厚度dov）（7）計(jì)算場(chǎng)地的卓越周期T（覆蓋層厚度dov內(nèi)）jjjhGhGjsjjsmhVhVsjjVh4T（8）計(jì)算場(chǎng)地指數(shù)1）剛度指數(shù) ，當(dāng) 30Mpa , 當(dāng) 30Mpa2 ）厚度指數(shù) ，當(dāng)dov80m , 當(dāng)dov8

16、0m3）場(chǎng)地指數(shù) ，當(dāng) 500Mpa或dov5m ，當(dāng) 500Mpa或dov5m31030-G6.6Ge1)(0GGG32ov105-d0.8de)(0ddG3070.G1G31030-G6.6Ge1)(0G（9）液化判別（如果15m內(nèi)的土層有飽和粉土或砂土）用剪切波波速臨界值判別：砂土：粉土：判別準(zhǔn)則：若VsjVscr，則可不考慮液化；否則，土層可能液化。ds為砂土層或粉土層中剪切波測(cè)試點(diǎn)深度(m)；k為計(jì)算系數(shù)，按下表取值。表92 計(jì)算系數(shù)k（10）波速測(cè)試最終成果最終成果以表格和曲線的形式表達(dá)出來(lái)。2ssscr01d0dkV.2ssscr0133d0dkV. 跨孔法，就是利用相隔一定間距

17、的兩個(gè)平行鉆孔，一個(gè)孔設(shè)置激震器，作為震源，另一個(gè)孔放置檢波器，接收信號(hào)。主要檢測(cè)豎向剪切波(Sv波)和壓縮波(P波) 波速。 跨孔法的原理仍然是直達(dá)波原理。但是其震源產(chǎn)生的剪切波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向是垂直的，波的傳播方向?yàn)樗较颉?跨孔法聲波測(cè)試示意圖 二、儀器設(shè)備構(gòu)成 跨孔法波速測(cè)試采用的振源有兩種：爆炸振源和機(jī)械震源。機(jī)械振源一種是井下剪切錘，另一種是用穿心錘敲擊取土器。后一種振源裝置攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能進(jìn)行堅(jiān)硬密實(shí)地層的跨孔法波速測(cè)試。 井下剪切波錘是一種常用的機(jī)械性振源，可用于各類(lèi)土層。這種裝置由一個(gè)固定的圓筒體和滑動(dòng)重錘組成。測(cè)試時(shí)，把該裝置放到鉆孔某一深度處，通過(guò)地面的液壓裝置

18、將4個(gè)活塞推出使筒體緊貼井壁，然后向上拉連接在錘頂部的鋼絲繩，使活動(dòng)重錘向上沖擊固定筒體，就會(huì)在簡(jiǎn)體和孔壁間產(chǎn)生剪切振動(dòng)，松開(kāi)鋼絲繩，滑動(dòng)重錘自由下落沖擊固定筒體。同樣也會(huì)產(chǎn)生剪切振動(dòng)。由于振源作用力方向的改變，實(shí)際受到的Sv波初至相位差180，這對(duì)鑒別Sv波的初至是有益的。完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試后，可以通過(guò)地面的液壓裝置將4個(gè)活塞縮回、再放到另一個(gè)深度，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。 用穿心錘敲擊取土器，也可激發(fā)剪切波，這種振源裝置攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能進(jìn)行堅(jiān)硬密實(shí)地層的跨孔法波速測(cè)試，并且需要一邊鉆進(jìn)一邊測(cè)試，不能一次成孔。 三、試驗(yàn)方法三、試驗(yàn)方法 跨孔法的試驗(yàn)方法與單孔法主要區(qū)別在于將振源置于另一個(gè)鉆孔代替地面激振。 1測(cè)孔布置 試驗(yàn)方法是在試驗(yàn)場(chǎng)地上打3個(gè)成一直線排列的鉆孔, 1個(gè)振源孔，2個(gè)接收孔。鉆孔應(yīng)垂直，當(dāng)孔深大于15m時(shí)，應(yīng)對(duì)鉆孔的傾斜度和傾斜方位進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)精度應(yīng)達(dá)到0.1，以便對(duì)激振孔與檢波孔的水平距離進(jìn)行修正。 測(cè)試孔的間距在土層中宜取25m，在巖層中宜取815m