单孔检层法波速测试技术在工程勘察中的应用

单孔检层法波速测试技术在工程勘察中的应用

杨青

（新疆水利水电设计院地质研究所，新疆乌鲁木齐830000）

摘要：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，目前已广泛应用于各类工程中。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。介绍了单孔法波速测试方法的工作原理、现场施测技术以及数据处理和资料分析过程，说明了波速测试技术在岩土工程勘察设计中的应用和效果。

关键词：波速测试技术；单孔检层法；岩土工程勘察

1基本原理

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，下面以单孔检层法为例说明。

2单孔检层法

单孔检层法，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。

2.1工作原理

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。

实测一般采用单孔地表激发孔中接收法，即地面激发弹性波，孔内由检波器接收。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180°的特性来识别S波的初至时间。

2.2技术要求

单孔法波速测试的技术要求应符合下列规定：

（1）测试孔应垂直；

（2）将三分量检波器固定在孔内预定深度处，并紧贴孔壁；

（3）可采用地面激振或孔内激振；

（4）应结合土层布置测点，测点的垂直间距宜取1～3m。层位变化处加密，并宜自下而上逐点测试。

2.3测试方法

实测通常由震源和记录仪器组成，将检波器放至孔底后，自底部向上依地层界面测试，一般用气筒充气固定检波器，使其紧贴孔壁，地面上用木锤或铁锤水平敲击木板两端，敲击所产生的剪切波经地层传播到达测试点，孔中水平检波器接收Sh波信号，经电缆送入地震仪进行放大、储存和记录。木板震源设置一般距孔口2～4m，上压约500～1000kg的重物。

波在地下的传播并非直线而是折线，如果按照折线考虑，计算方法很复杂，当板孔距x较小时，可简化按下式计算：

t'=t■

式中，t′为纵测线旅行时（s）；t为非纵测线旅行时（s）；h为测点孔深（m）；x为震源板距孔口的距离（m）。由校正后的纵测线旅行时即可求得各测试地层的弹性波速度。

现场测试过程中应注意以下特征：

（1）P波传播速度较S波速度快，P波为初至波。

（2）正反敲击木板两端时，所产生的剪切波波形相位相差180°，这一特征十分有利于剪切波的分辨。

（3）检波器下孔一定深度后，P波波幅变小，频率变高，而S波幅度相对较大，频率相对较低。

3成果应用

波速资料目前主要用于下列方面

3.1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》（GB50011-2001）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（Vsm＞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。

3.2计算地基土的动参数

根据实测获得的弹性波速（剪切波速Vs和压缩波速Vp）即可计算岩（土）体的动弹性力学参数。计算公式如下：

?滋=■

Ed=2ρV2S（1+?滋）

Gd=2ρV2S

Ed=2ρV2S■

式中，ρ为介质密度（g/cm3）；Vp为压缩波速度（m/s）；Vs为剪切波速度（m/s）；μ为泊松比；Ed为动弹性模量（GPa）；Gd为动剪切模量（GPa）。

3.3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。

4结论

单孔检层法的优点是直接对地层测试、结果相对精确且不需要太大场地，缺点是需要钻孔等，一般情况下当勘测场地有研究其他问题的钻孔时，可适时选用勘探钻孔进行单孔剪切波测试。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。