波速测试在勘察工程中的应用

　　摘要：波速测试作为地基土动力特性测试项目之一，自80年代以来广泛用于重大工程、高层建筑等一级建筑及有特殊要求的二级建筑中。通过波速测试可获得岩土体的弹性波速，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。
　　关键字：波速测试；勘察；应用
　　波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。一般来说，波速测试可原位测定压缩波（P波）、剪切波（S波）和瑞雷面波（R波）在岩土体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩（土）体质量等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。
　　一、波速测试的原理
　　当固体介质受到外力冲击时，介质受到应力作用而产生应变，在作用于介质的应力消失后，应变和应力失去平衡，应变就在介质中以弹性波的形式由介质中的质点依次向周围传播，这种弹性波成分比较复杂，既有面波又有体波，体波又分为压缩波（P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水平分量称Sh波。在地层表面传播的面波可分为瑞雷波（Raylcigh）和拉夫波（Love），各种波在介质中传播的特征和速度各不相同。
　　弹性波速测试方法有：面波勘探法检测地层的瑞雷波速度后，推算出地层的剪切波速度；单孔法或跨孔法可测定地层的压缩波的速度Vp和剪切波的速度Vs。在岩土工程勘察中，通常只需测试地层的剪切波速度Vs，采用的测试方法以单孔检层法最为简单方便。
　　二、几种波速测试方法
　　1、面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波在自由表面附近传播时，质点在波传播方向的垂直平面内振动，振幅随深度呈指数函数急剧衰减，质点的振动轨迹以波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。
　　面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为：稳态法、瞬态法、无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。目前常使用瞬态面波法进行勘探。
　　面波与地震勘探中常用的P波和S波不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（R波长）的圆柱体向外扩散。
　　在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）计算出来，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。
　　2、单孔检层法，也称弹性波速度测井，是在一个垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。按照震源和检波器在钻孔中所处的位置，可分为：地表激发孔中接收法、孔中激发地表接收法、孔中激发孔中接收法、孔底法等四种测试方法，常用地表激发孔中接收法。
　　以岩(土)体的弹性特征为基础，通过测定不同岩(土)层的S波、P波的传播速度，计算岩(土)体的动弹性参数，据此判定岩(土)体的工程性质，为工程设计提供可靠的科学依据。实测一般采用单孔检层的地表激发孔中接收法，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生S波，利用剪切波震相差1800的特性来识别S波的初至时间。
　　实测通常由震源和记录仪器组成，叩板震源设置一般距孔口2～7m，平放一块压重物的木板，测试孔应位于木板长轴的中垂线上，使木板与地面紧密接触。木板长2.5～3.0m，宽0.3～0.4m，厚0.06～0.10m，上压约500～1000kg的重物。当分别水平敲击木板两端时，产生弹性波(此时以S波为主)。记录仪器由井中三分量检波器和工程地震仪构成，三分量检波器放置井中某一深度，接收由震源产生的弹性波信号，并通过连接电缆输送给地震仪，再由地震仪记录并存储以备后期数据处理之用。
　　三、波速测试的应用
　　1、划分场地类别
　　这是测试剪切波速度最主要的用途。根据《建筑抗震设计规范》(GBJⅡ-89)的规定，甲、乙类建筑物场地必须按照实测地层波速值划分场地土的类型。通常做法是取地面下15m(交通部道路新规范为20m)且不深于场地覆盖层厚度范围内各土层剪切波速，按土层厚度加权的平均值(Vsm)，根据Vsm值将场地划分为坚硬场地土(Vs＞500m/s)、中硬场地土(500≥Vsm＞250)、中软场地土(250≥Vsm＞140)、软弱场地土(Vsm≤140m/s)等四种类型。然后结合覆盖层厚度来划分场地类别。
　　2、评价碎石类土层的密度
　　在岩土工程、市政工程勘察中，卵石、漂石地层不能取原状土作普通土工试验，野外动探数据有时不可靠(如动探头被石头顶着)，这种地层的弹性模量最好是根据波速值确定，再推算地基的承载力。
　　3、评价饱和砂土、粉土的液化性
　　饱和软弱地层(如饱和的粘质粉土、粉细砂地层)，分析判定其液化的可能性。可依据实测地层的剪切波速度，当实测地层波速Vs小于该地层液化临界波速时，有液化的可能性；当实测波速Vs大于液化临界波速时，则该地层不可能产生液化。对于地层临界剪切波波速的确定，目前还没有统一的国家标准，计算液化临界波速公式各异。这方面应用相对较少。
　　4、确定地层的沉积年代
　　一般地区的图层按成因年代分为两种类型，即：新近沉积层(俗称“新近代土”)和一般第四纪沉积层(俗称“老土”)。新近沉积层多分布于最新河流附近(包括洪水泛滥地带)，新近沉积土的产状和构造特征与一般第四纪土相同，但其形成的时间很短，土的工程性质差，其压缩性较相同密度的老土要高得多，结构性也差，湿度一般较高，承载力相对较低，岩土工程勘察中必须将新近沉积层划分出来，以杜绝工程隐患。新近沉积的粘性土的划分可用土工试验指标确定，卵石类土就只能按其波速来划分。新近沉积的卵石波速与老卵石波速相差很大，波速的变化不是渐变而是有个突变，如从200m/s多一下变成300m/s多，或从300m/s左右一下变成400m/s以上。经过勘查工作人员的大量测试对比，部分地区新近沉积卵石土的剪切波波速值一般小于300m/s，这一重要经验正广泛应用于大多数地区的岩土工程及市政工程勘察中。[!--empirenews.page--]
　　四、工程实例
　　1、北京某高校住宅楼初勘阶段，原计划布设46个钻孔，在钻探施工过程中，因钻机扰民(该工区原居民均未搬迁)，受到当地居民强烈反对，钻探施工时间受到严格限制，有的地段根本就不让施工，而此工程的勘探任务急，若按当时施工进度和施工条件，根本无法完成初勘阶段的任务和勘探要求。为了解决此难题，施工人员在居民较密集和钻孔较稀少的地方，共布置38个面波勘探点(最后实际完成钻孔16个)，根据面波和钻孔资料，顺利完成了初勘任务，其结果在详勘阶段经大量钻孔验证，吻合很好，得到甲方、设计和监理单位一致好评。
　　2、南水北调中线工程是一项跨省市、跨流域的大型工程，在初设阶段，因其规模大，线路长，渠线段按一公里布置一个钻孔，钻孔之间有时能跨越几个不同地质单元，这给地质分层、连接地质剖面带来很大麻烦，为了解决此难题，施工人员在北京城区段中布置400多个面波勘探点，利用面波资料和钻探资料进行地质分层，连接地质剖面，效果良好，满足地质勘察要求，同时也解决了在砂卵砾石层进行钻探艰难，地层不好划分或不能划分的难题。图1为南水北调中线工程北京段朱各庄暗渠钻孔旁的一个面波勘探点的解释成果图，该点揭露的资料比钻孔揭露的资料更丰富，在卵石层上面，钻孔资料与面波资料相吻合，而在砂卵石地层检测中发现，深度9.5m以下频散曲线明显地分为3层，即为9.5～14.0m，14.0～21.5m，大于21.5m三层。通过钻孔松散沉积的孢粉样品分析对比结果证明，面波分层与孢粉样品分析分层相一致。上述成果表明，采用物探新技术对地层地质年代进行探测，划分准确，在此领域，中国走在各国前面。
　　
　　
　　
　　五、结语
　　波速测试作为岩土工程勘察原位测试技术的一种，具有简便、快速、经济、准确、分辨率高、应用范围广等优点，受到工程技术人员的青睐和使用。
　　
　　
　　参考文献
　　1、刘康和魏树满《瞬态面波勘探及应用》水利水电工程设计2001
　　2、林宗元《岩土工程试验监测手册》辽宁科学技术出版社1994
　　3、中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范GB50021—2001
　　4、吴宝诗李汉江《弹性波速与土石开挖等级的相关性研究》江西省交通设计院2009
　　5、王振东《浅层地震勘探应用技术》地质出版杜1994

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