波速測(cè)試問(wèn)題課件

第一節(jié)

概

述1一、基本概念二、聲波測(cè)試的適用性三、聲波測(cè)試分類四、聲波測(cè)試的目的一、基本概念21．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(10-4～10-6)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。第一

節(jié)概述2．幾組概念的區(qū)分3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；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。在天然地震中，瑞利波是危害性最大的一種地震波，在人工地震勘探中，瑞利波被視為一種干擾波。所以，在地震減災(zāi)和常規(guī)地震勘探中，都設(shè)法減小它的危害

和影響。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，稱為壓縮波；4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，稱為剪切波；二、聲波測(cè)試的適用性及分類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5地基土的波速測(cè)試可以應(yīng)用于以下目的：劃分場(chǎng)地類型，計(jì)算場(chǎng)地的基本周期；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、動(dòng)剪切剛度等)；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)；判斷地基土液化的可能性；評(píng)價(jià)地基土的類別和檢驗(yàn)地基加固效果。第二節(jié) 單孔法6一、概述二、基本原理三、儀器設(shè)備組成四、試驗(yàn)方法五、資料整理單孔法可分為單孔孔下法和單孔孔上法，如圖9—1所示。單孔孔下法是在孔口地面設(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。單孔孔上法則是將振源放置在孔內(nèi)一定深度處，將拾振器放置在地面。第二節(jié)單孔法一、概述圖9－1

單孔法波速測(cè)試示意圖7最近在靜力觸探試驗(yàn)中，有人利用安裝在觸探探頭內(nèi)的拾振器觀測(cè)由地面錘擊引起的剪切波的速度。同時(shí)得到錐頭阻力、摩擦比和剪切波速度等資料。這種試驗(yàn)稱為振動(dòng)觸探試驗(yàn)(Seismic

Cone

Penetration

Test，簡(jiǎn)稱SCPT)，裝置如圖9－2所示。圖7－1

典型的旁壓曲線8二、基本原理1．基本假定地下介質(zhì)采用水平層狀地層模型；剪切波速在水平方向?yàn)榫鶆蚍植迹诖怪狈较螂S深度變化。2．公式推導(dǎo)設(shè)測(cè)點(diǎn)深度為hi，激震點(diǎn)距孔口距離為dx，則：（1）正演公式

對(duì)于第1個(gè)測(cè)點(diǎn)：剪切波達(dá)到測(cè)點(diǎn)1的走時(shí)：9對(duì)于第2個(gè)測(cè)點(diǎn)：同理，剪切波到達(dá)測(cè)點(diǎn)3的走時(shí)：根據(jù)以上推導(dǎo)，可得剪切波到達(dá)任意測(cè)點(diǎn)的走時(shí)：10（2）反演公式根據(jù)正演公式變形得到：11三、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：震源：指的是彈性波激發(fā)裝置。彈性波接收裝置：包括檢波器、放大器及記錄顯示器。圖9－4震源示意圖121．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。

孔口與木板的距離宜為1～3m，其上放置400kg的重物(圖9－4)。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。132．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9－5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。143．放大器和記錄儀目前國(guó)內(nèi)波速測(cè)試所采用的記錄器主要有SC－1型、

SC－16型、SC－18型紫外線感光記錄示波器，工作頻率范圍為0～270Hz。走紙速度可根據(jù)波形情況加以調(diào)節(jié)。15四、試驗(yàn)方法161．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。離開孔口1～1.5m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1～3m，層位變化處加密。具體布置遵循以下原則：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)。若土層小于1m，可忽略；若大于4m，須增加測(cè)點(diǎn)，通常可以每間隔1～2m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。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。173．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)磁力將其吸附在孔壁。18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)見表9－1。表9－1

充填式檢波器的技術(shù)指標(biāo)第三節(jié)試驗(yàn)方法

與技術(shù)要求19（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：20hi＝h1＋(i-1)dh(i=1，2，3)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。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。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。五、資料整理211．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：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)。波形特征。壓縮波傳遞的能量小，因此波峰小；剪切波傳遞的能量大，因此峰值大。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。22壓縮波記錄的長(zhǎng)度取決于測(cè)點(diǎn)深度。測(cè)點(diǎn)越深，離開振源越遠(yuǎn)，壓縮波的記錄長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。圖9－6

b)中波形是在離孔口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。23圖9－6

波形圖242．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。25（2）根據(jù)波的傳播時(shí)間，利用公式確定各土層波速。（3）根據(jù)各層Vsj、ρj或γj計(jì)算剪切模量Gj（j為土層序號(hào)）：g為重力加速度，g＝0.00981km/s226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）確定場(chǎng)地覆蓋層厚度dov（Vsj>=500m/s）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）計(jì)算場(chǎng)地的卓越周期T（覆蓋層厚度dov內(nèi)）27（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)dov≤80m,

當(dāng)dov>80m3）場(chǎng)地指數(shù)，當(dāng)

≤500Mpa或dov>5m，當(dāng)

>500Mpa或dov≤5m28（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Vsj>Vscr，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9－2

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)。29第三節(jié) 跨孔法30一、基本概念二、儀器設(shè)備構(gòu)成三、試驗(yàn)方法四、資料整理一、基本概念跨孔法，就是利用相隔一定間距的兩個(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?？缈追ǖ脑砣匀皇侵边_(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?。?/p>

三節(jié)跨孔法跨孔法聲波測(cè)試示意圖31二、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。32井下剪切波錘是一種常用的機(jī)械性振源，可用于各類土層。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。33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。34三、試驗(yàn)方法35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2～5m，在巖層中宜取8～15m。測(cè)試時(shí)，根據(jù)工程情況和地質(zhì)分層，每隔1～2m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)試深度大于15m時(shí)，測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)不大于

1m。2．孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)垂直間距宜取1～2m，近地表測(cè)點(diǎn)宜布置在0.4倍孔距深度處，震源和檢波器應(yīng)置于同一地層的相同標(biāo)高處。不應(yīng)將測(cè)點(diǎn)布置在軟硬土層的交界面處。因?yàn)樵谲浲翆又校羟胁ㄍㄟ^(guò)硬土層界面折射后，可能比直達(dá)剪

切波要先到達(dá)檢波器，造成測(cè)到的是折射剪切波的波速，而不是軟土層剪切波速。363．測(cè)試步驟將激發(fā)器與接收器同時(shí)分別放入兩個(gè)孔內(nèi)至預(yù)定的測(cè)點(diǎn)標(biāo)高，并予以固定。調(diào)整儀器至正常狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)錘擊激發(fā)器，接受信號(hào)儲(chǔ)存，算出剪切波在土中的傳播時(shí)間。當(dāng)采用一次成孔測(cè)試時(shí)，測(cè)試工作結(jié)束后，應(yīng)選擇

部分測(cè)點(diǎn)作重復(fù)觀測(cè)，其數(shù)量不應(yīng)少于測(cè)點(diǎn)總數(shù)的10％。也可采用振源孔和接收孔互換的方法進(jìn)行檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)及時(shí)對(duì)記錄波形進(jìn)行鑒別判斷，確定是否可用；如不合格，在現(xiàn)場(chǎng)可立即重做。37四、資料整理38參照波形鑒別方法，在波形記錄上識(shí)別壓縮波和剪 切波的初至?xí)r間。對(duì)于跨孔法，確定壓縮波的時(shí)間應(yīng)當(dāng)采用