橫波檢測現(xiàn)狀及展望

橫波檢測現(xiàn)狀及展望第一頁，共26頁。1.概述

眾所周知：A.一般液體中是不存在橫波的；B.橫波傳播速度比縱波慢，當(dāng)介質(zhì)的泊松比

橫波波速比縱波慢1.73倍；C.固體介質(zhì)的橫波傳播速度與介質(zhì)的含水量無關(guān)；D.測取地層的橫波波速VS和縱波波速VP在知道地層的密度

即可獲得地層的動彈性力學(xué)參數(shù)E、G、

；F.橫波波速與地層的力學(xué)參數(shù)標(biāo)貫值、內(nèi)摩擦角、凝聚力存在定相關(guān)關(guān)系。第二頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀A(yù).工程場地的地層分層第三頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀B.利用橫波進行地層的反射波法勘查是有其優(yōu)勢是：（1）橫波傳播速度慢，有利于直達(dá)波與地層反射波的分辨，也

有利于分層的效果；

（2）不受地層含水量影響，分層精度高于縱波。

這些優(yōu)勢是都縱波反射勘探所不及的。上海市興建地下軌道交通前，為了搞清地下地質(zhì)構(gòu)造，要求進行城市內(nèi)的地質(zhì)勘探，上海市有關(guān)單位采用了橫波反射勘探，成功的完成了市內(nèi)地下地質(zhì)構(gòu)造勘探，為地下軌道建設(shè)設(shè)計提供依據(jù)。

第四頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

地層橫波波速在抗震中作為評價“沙土液化勢”的重要依據(jù)。沙土中的顆粒，平時顆粒間互相支撐，與上部巖體的重力，達(dá)到力的平衡狀態(tài)，如上圖。但是，一旦地震發(fā)生，地震的剪切波（橫波）傳播到地層，破壞了砂層顆粒的正常排列，于是承載力下降并失去，在上部巖體的重力作用下，沙層中水的層壓力上升，出現(xiàn)“沙土液化”，砂層流動，在地面出現(xiàn)裂縫的地方，流沙外溢。

與此同時地層承載力下降，造成建筑物倒塌，出現(xiàn)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。沙土液化問題第五頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

D.橫波波速與被測介質(zhì)動彈性力學(xué)參數(shù)有密切關(guān)系

如果地層的橫、縱波波速能夠準(zhǔn)確測得，可以計算出地層的下列動彈性力學(xué)參數(shù)：

泊松比

彈性模量

剪切模量

第六頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

E.《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50191—93）的場地評定，

對場地土層的平均剪切模量的計算離不開橫波波速的

測試，計算土層的平均剪切模量G

上式中di—第i層土的厚度；

γi—第i層土重度；Vsi

—第i層土橫波波速；n—覆蓋層的分層數(shù)；g—重力加速度第七頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

F.地層卓越周期的計算

“簡明工程地質(zhì)手冊”（1998）P.331用地層橫波波速通過經(jīng)驗公式計算卓越周期，計算公式如下：式中hi—第i層土厚度；VSi—第i層土橫波波速；n—土層層數(shù)第八頁，共26頁?！穗娬?、油田、土壩等場地，特別是核電站，在

工程場地勘察時需對地下原狀土的動力學(xué)性能進

行測試與分析，這其中原狀土橫波波速測試是必

須進行的；2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀G.現(xiàn)代工程抗震科學(xué)中原狀土樣的測試第九頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

H.工程材料的橫波檢測

※絕緣陶瓷、耐火材料、工程塑料等特殊材料的動

力學(xué)特性離不開橫波測試；※木材也要通過縱波和橫波測試，來決定它的強度

和木材中的缺陷，利用橫波將會更加有利，因為

水是不能傳導(dǎo)橫波的，木材是否含水對其強度、

缺陷測試，不會造成影響及干擾；第十頁，共26頁。2.橫波測試的應(yīng)用現(xiàn)狀

H.工程材料的橫波檢測

※混凝土是建筑物使用中量大面廣的材料，開展

橫波測試，提供其動彈性力學(xué)性能，必然對建筑物

的抗震性能帶來優(yōu)勢；

就探傷而言，如裂縫測試，采用橫波就不用擔(dān)

心裂縫中是否存在水，因為橫波波速與木材的含水

量無關(guān)。

※材料科學(xué)、抗震試驗科學(xué)的試驗研究等，往往

也離不開橫波測試。第十一頁，共26頁。3.橫波的測試方法

測試方法歷來分為：原位測試和取樣測試

兩類測試方法各有利弊，曾有過爭論，前者認(rèn)為原位測試可保持地質(zhì)體的原始信息，后者認(rèn)為取樣測試更精確，孰是孰非，各有道理。結(jié)局是兩種測試方法并存，互為補充。

客觀而論，深部的原位測試的實現(xiàn)，有時存在困難，只有取芯代替。

橫波測試也存在此種情況。第十二頁，共26頁。3.橫波的測試方法

A.橫波原位測—1▼單孔測試的振源和接收器

▼單孔現(xiàn)場測試示意第十三頁，共26頁。3.橫波的測試方法

A.橫波原位測試—2▼跨孔測試的振源和接收器

跨孔法現(xiàn)場測試示意▼振源—剪切波錘▼接收檢波器第十四頁，共26頁。由兩次相反方向擊振得到的接收波形，才能確定橫波的到達(dá)時間第十五頁，共26頁。3.橫波的測試方法

B.取樣測試按《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》JGJ87-2012從鉆芯中獲取試塊，進行試塊的縱波和橫波波速測試，縱波測試比較簡單，橫波測試要使用橫波換能器，換能器與試塊的耦合方法應(yīng)滿足剪切波的傳播。取樣方法第十六頁，共26頁。3.橫波的測試方法

B.取樣測試試塊測試方法如右圖，圖中3是橫波發(fā)射與接收換能器。

“合格的橫波換能器”，橫波前面會有不太強的縱波P，后面到達(dá)的才是橫波S。

為準(zhǔn)確確定橫波到達(dá)時間，應(yīng)將其中的一個橫波換能器在第一次測試后旋轉(zhuǎn)1800后再測一次，此時橫波的初動相位相應(yīng)反相。

將兩次測到橫波波形對比，可準(zhǔn)確確定橫波的傳播時間tS。▼試塊的橫波測試方法—1第十七頁，共26頁。3.橫波的測試方法

B.取樣測試試塊的橫波測試方法—2

鑒于前述的測試方法較為繁瑣，又研制了扭轉(zhuǎn)型的純橫波換能器，如左下圖。其測試方法如下圖，只需將被測試塊夾在發(fā)射與接收橫波換能器中間，換能器輻射面與試塊間加耦合鋁箔，并加一定垂直壓力即可。測50mm長有機玻璃橫波波形第十八頁，共26頁。3.橫波的測試方法

B.取樣測試試塊的橫波測試方法—2

鑒于上述換能器測試方法繁瑣，又研制扭轉(zhuǎn)型純橫波換能器，如下圖。扭轉(zhuǎn)型橫波換能器，測試時不再要求換能器前先對準(zhǔn)測試，再反向轉(zhuǎn)1800后再測。被測有機玻璃的直徑50mm長50mm的橫波測試波形

ts=34.8usVS=1436m/s（標(biāo)準(zhǔn)值1470m/s）第十九頁，共26頁。4.如何發(fā)展橫波測試技術(shù)從上述現(xiàn)場橫波測試技術(shù)的討論中，不難看出，完成現(xiàn)場橫波測試的難處是：⑴振源笨重操作繁瑣；⑵接收檢波器的耦合不方便；⑶為了在有縱波干擾的情況下，確認(rèn)橫波的

初至，要改變擊振方向測試兩次，對比兩

次擊振的橫波相位差1800即可確定橫波的

到達(dá)時間，測試方法繁瑣。（見下圖）第二十頁，共26頁。由兩次相反方向擊振得到的接收波形，才能確定橫波的到達(dá)時間第二十一頁，共26頁。A.關(guān)于一發(fā)雙收長源距聲波測井

當(dāng)一發(fā)雙收換能器源距加長到1.8-2.5m，可將波列中的P波波組與S波波組分開，就可以將橫波S與縱波P，在時間域上分離，從而提取橫波聲時，見下圖。4.如何發(fā)展橫波測試技術(shù)注：“長源距聲波測井”是我領(lǐng)導(dǎo)的研究室于1989年與南京大學(xué)聲學(xué)研究室合作項目▼提取橫波的前提第二十二頁，共26頁。根據(jù)巖體縱橫波速度比值的經(jīng)驗關(guān)系有橫波大致的到達(dá)時間是▼橫波波速的提取與計算4.如何發(fā)展橫波測試技術(shù)（注：式中△L是源距）第二十三頁，共26頁。

可按上式算出的時間，在時域開時間窗，在這個時間窗內(nèi)就是橫波可能到達(dá)的時間，再看R1和R2的時域波形中有多少個過零點，由這些相對應(yīng)的過零點間的時差