波速測試在勘察工程中的應用

1、波速測試在勘察工程中的應用    波速測試技術是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術的一個重要分支，目前已廣泛應用于水利水電工程、石油工程、鐵路工程、冶金工程、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質勘察領域，取得了良好的應用效果。一般來說，波速測試可原位測定壓縮波（P波）、剪切波（S波）和瑞雷面波（R波）在巖土體中的傳播速度，從而避免了室內測試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質問題，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結特性和軟硬程度、評價巖（土）體質量等；并可計算工程動力學參數(shù)，如動剪切模量、動彈性模量等。· 

2、0;   波速測試的原理    當固體介質受到外力沖擊時，介質受到應力作用而產生應變，在作用于介質的應力消失后，應變和應力失去平衡，應變就在介質中以彈性波的形式由介質中的質點依次向周圍傳播，這種彈性波成分比較復雜，既有面波又有體波，體波又分為壓縮波（P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水平分量稱Sh波。在地層表面?zhèn)鞑サ拿娌煞譃槿鹄撞ǎ≧ay lcigh）和拉夫波（Love），各種波在介質中傳播的特征和速度各不相同。     彈性波速測試方法有：面波勘探法檢測地層的瑞雷波速度后，

3、推算出地層的剪切波速度；單孔法或跨孔法可測定地層的壓縮波的速度Vp和剪切波的速度Vs。在巖土工程勘察中，通常只需測試地層的剪切波速度Vs，采用的測試方法以單孔檢層法最為簡單方便。二、幾種波速測試方法1、面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波在自由表面附近傳播時，質點在波傳播方向的垂直平面內振動，振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，質點的振動軌跡以波傳播的方向或反方向的橢圓軌道運動。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據激振震源的不同，又把面波勘

4、探分為：穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無源法。它們的測試原理是相同的，只是產生面波的震源不同罷了。目前常使用瞬態(tài)面波法進行勘探。    面波與地震勘探中常用的P波和S波不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質的質點運動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度為R（R波長）的圓柱體向外擴散

5、。在各向均勻半無限空間彈性介質表面上，當一個圓形基礎上下運動時，由它產生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。1.     單孔檢層法，也稱彈性波速度測井，是在一個垂直鉆孔中進行波速測試的一種方法。按照震源和檢波器在鉆孔中所處的位置，可分為：地表激發(fā)孔中接收法、孔中激發(fā)地表接收法、孔中激發(fā)孔中接收法、孔底法等四種測試方法，常用地表激發(fā)孔中接收法。以巖(土)體的彈性特征為基礎，通過測定不同巖(土)層的

6、S波、P波的傳播速度，計算巖(土)體的動彈性參數(shù)，據此判定巖(土)體的工程性質，為工程設計提供可靠的科學依據。實測一般采用單孔檢層的地表激發(fā)孔中接收法，即地面激發(fā)以產生彈性波，孔內由檢波器接收彈性波。當?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r可正反向激發(fā)，并產生S波，利用剪切波震相差1800的特性來識別S波的初至時間。實測通常由震源和記錄儀器組成，叩板震源設置一般距孔口27m，平放一塊壓重物的木板，測試孔應位于木板長軸的中垂線上，使木板與地面緊密接觸。木板長2.53.0m，寬0.30.4m，厚0.060.10m，上壓約5001000kg的重物。當分別水平敲擊木板兩端時，產生彈性波(此時以S波為主)。記錄儀器由井中三

7、分量檢波器和工程地震儀構成，三分量檢波器放置井中某一深度，接收由震源產生的彈性波信號，并通過連接電纜輸送給地震儀，再由地震儀記錄并存儲以備后期數(shù)據處理之用。    三、波速測試的應用    1、劃分場地類別這是測試剪切波速度最主要的用途。根據建筑抗震設計規(guī)范(GBJ -89)的規(guī)定，甲、乙類建筑物場地必須按照實測地層波速值劃分場地土的類型。通常做法是取地面下15m(交通部道路新規(guī)范為20m)且不深于場地覆蓋層厚度范圍內各土層剪切波速，按土層厚度加權的平均值(Vsm)，根據Vsm值將場地劃分為堅硬場地土(Vs500m/s)、中

8、硬場地 土(500Vsm250)、中軟場地土(250Vsm140)、軟弱場地土(Vsm 140m/s)等四種類型。然后結合覆蓋層厚度來劃分場地類別。    2、評價碎石類土層的密度在巖土工程、市政工程勘察中，卵石、漂石地層不能取原狀土作普通土工試驗，野外動探數(shù)據有時不可靠(如動探頭被石頭頂著)，這種地層的彈性模量最好是根據波速值確定，再推算地基的承載力。    3、評價飽和砂土、粉土的液化性    飽和軟弱地層(如飽和的粘質粉土、粉細砂地層)，分析判定其液化的可能性?？梢罁崪y地層的剪切波速度，當實測地層

9、波速Vs小于該地層液化臨界波速時，有液化的可能性；當實測波速Vs大于液化臨界波速時，則該地層不可能產生液化。對于地層臨界剪切波波速的確定，目前還沒有統(tǒng)一的國家標準，計算液化臨界波速公式各異。這方面應用相對較少。    4、確定地層的沉積年代一般地區(qū)的圖層按成因年代分為兩種類型，即：新近沉積層(俗稱“新近代土”)和一般第四紀沉積層(俗稱“老土”)。新近沉積層多分布于最新河流附近(包括洪水泛濫地帶)，新近沉積土的產狀和構造特征與一般第四紀土相同，但其形成的時間很短，土的工程性質差，其壓縮性較相同密度的老土要高得多，結構性也差，濕度一般較高，承載力相對較低，巖土工程勘察

10、中必須將新近沉積層劃分出來，以杜絕工程隱患。新近沉積的粘性土的劃分可用土工試驗指標確定，卵石類土就只能按其波速來劃分。新近沉積的卵石波速與老卵石波速相差很大，波速的變化不是漸變而是有個突變，如從200m/s多一下變成300m/s多，或從300m/s左右一下變成400m/s以上。經過勘查工作人員的大量測試對比，部分地區(qū)新近沉積卵石土的剪切波波速值一般小于300m/s，這一重要經驗正廣泛應用于大多數(shù)地區(qū)的巖土工程及市政工程勘察中。·     工程實例1、北京某高校住宅樓初勘階段，原計劃布設46個鉆孔，在鉆探施工過程中，因鉆機擾民(該工區(qū)原居民均未搬

11、遷)，受到當?shù)鼐用駨娏曳磳?，鉆探施工時間受到嚴格限制，有的地段根本就不讓施工，而此工程的勘探任務急，若按當時施工進度和施工條件，根本無法完成初勘階段的任務和勘探要求。為了解決此難題，施工人員在居民較密集和鉆孔較稀少的地方，共布置38個面波勘探點(最后實際完成鉆孔16個)，根據面波和鉆孔資料，順利完成了初勘任務，其結果在詳勘階段經大量鉆孔驗證，吻合很好，得到甲方、設計和監(jiān)理單位一致好評。2、南水北調中線工程是一項跨省市、跨流域的大型工程，在初設階段，因其規(guī)模大，線路長，渠線段按一公里布置一個鉆孔，鉆孔之間有時能跨越幾個不同地質單元，這給地質分層、連接地質剖面帶來很大麻煩，為了解決此難題，施工人員

12、在北京城區(qū)段中布置400多個面波勘探點，利用面波資料和鉆探資料進行地質分層，連接地質剖面，效果良好，滿足地質勘察要求，同時也解決了在砂卵礫石層進行鉆探艱難，地層不好劃分或不能劃分的難題。圖1為南水北調中線工程北京段朱各莊暗渠鉆孔旁的一個面波勘探點的解釋成果圖，該點揭露的資料比鉆孔揭露的資料更豐富，在卵石層上面，鉆孔資料與面波資料相吻合，而在砂卵石地層檢測中發(fā)現(xiàn)，深度9.5m以下頻散曲線明顯地分為3層，即為9.514.0m，14.021.5m，大于21.5m三層。通過鉆孔松散沉積的孢粉樣品分析對比結果證明，面波分層與孢粉樣品分析分層相一致。上述成果表明，采用物探新技術對地層地質年代進行探測，劃分準確，在此領域，中國走在各國前面。         五、結語    波速測試作為巖土工程勘察原位測試技術的一種，具有簡便、快速、經濟、準確、分辨率高、應用范圍廣等優(yōu)點，受到工程技術人員的青睞和使用。  參考文獻1、 劉康和 魏樹滿瞬態(tài)面波勘探及應用  水利水電工程設計   2001    2、林宗元巖土工程試驗監(jiān)測手冊遼寧科學技術出版社