波速测试在岩土工程勘察中的应用

摘要：波速测试是以弹性理论为依据，常采用单孔法、跨孔法或面波法，主要测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速。用来判定岩土体的物理力学性质，计算小应变条件下岩土体的动力参数，为场地工程地质评价提供依据。文章对波速测试的方法及要点、资料处理、成果应用等进行了分析，并梳理了波速与岩土体性状的一般规律。

关键词：波速测试；弹性波；岩土体；小应变；动力参数；岩土工程勘察 文献标识码：A

中图分类号：P624 文章编号：1009-2374（2017）05-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.105

波速测试是以弹性理论为依据，用人工的方法在岩土介质中激发一定频率的弹性波，这种波以各种波形在岩土体内部传播并由相应的仪器接收。通过分析接收和记录下来的波动信号来判定岩土体的物理力学性质，计算小应变条件下岩土体的动力参数，为场地工程地质评价提供依据。波速测试常采用单孔法、跨孔法或面波法，主要测定各类岩土体的压缩波波速νP、剪切波波速νS或瑞利波波速νR。下面就对波速测试的几种方法、测试要点、资料分析、成果应用等进行较全面的梳理和总结。

1 测试方法

波速测试设备主要分为激发装置和接收装置两部分，激发装置有机械式、电磁式等；接收装置常包括检波器、放大器和示波器。根据任务和设计要求以及工程现场的测试条件，可采用单孔法、跨孔法或面波法进行测试。

1.1 单孔法

单孔法是在一个钻孔内进行测试，所测得的波速为地表至测点间地层的平均波速。该方法常用于土层软硬程度变化大或层次较少的地层。

测试时可在地面激振，孔底接收，称为下孔法；也可在孔底激振，地面接收，称为上孔法；可沿钻孔向上或向下测试，常采用下孔法自下而上逐点进行测试。测试钻孔应尽量垂直，将声波探头或三分量检波器放至孔内预定深度位置，并与孔壁贴紧。土层剪切波测试常用的振源激发装置是尺寸为2000×300×50mm的木板，木板长度方向的中垂线应对准测试孔中心，与孔口距离宜为1～3m，其上放置大于400kg的重物。当用锤水平敲击木板两端时，木板与地面摩擦而产生水平剪切波，两次相反方向的敲击，可获得极性相反的两组剪切波形。剪切波测试应结合土层分布设置测点，测点的垂直间距可取1～3m，层位变化处应加密；当测岩体的压缩波时，测点的垂直间距可取0.2～0.5m，且钻孔内应有水。在每一个测点位置，应重复测试多次。

1.2 跨孔法

跨孔法是在场地上取两个平行的钻孔，在一个钻孔不同深度处设置振源，在另一个钻孔相应深度处放置检波器，所测得的波速为两孔之间地层的传播速度。该方法对均匀土层特别适用，常用于多层地层的场地条件。

振源孔与检波孔应力求平行，当测试孔深大于15m时，须对各测试孔进行倾斜度和倾斜方位的测量，测量精度应达到0.1°，以便准确计算不同深度处的钻孔间距。测试孔的平面布置可用二孔也可用多边形，即一孔激发，多孔接收，以便校核。常规测试每组采用3个钻孔，并布置在一条直线上，取间隔速度值，以排除振源装置、波的传播路径改变等因素的影响。钻孔间距应根据测试精度、振源能力、土层均匀性等因素确定。在土层中孔距宜取2～5m；在岩层中孔距宜取8～15m，当土层较厚而均匀，振源能量大时，间距可适当加大。钻孔中测点布置应考虑地层情况，根据地层分布等间隔布置，一般测点垂直间距以1～2m为宜。为降低折射波的干扰，在软硬土层交界处，测点应布置在硬地层中；近地表测点深度应布置在孔口以下0.4倍孔距处。

1.3 面波法

面波法测试可采用稳态法或瞬态法，常规采用稳态法。其原理是在地表放置一激振器，给地面施加一频率为f的稳态强迫振动，其能量以振动波的形式向半空间扩散，当频率一定时，只要测出波长LR，即可算出波速。该方法不需要打孔，适用于均匀、单一的地层，但测试深度较浅，当激振频率在20～30Hz时，测试深度为3～5m。

测试时以振源作为测线零点，在振源一边布置2～3个检波器，检波器宜采用低频。当激振器以一定频率作稳态激振时，移动任一检波器，至示波器中出现同相位的振动波形，此时检波器的间距即为一个波长。在同一频率下移动检波器至多个波长处测试，测试应重复多次。

2 测试要点

在实际测试中由于受多种因素影响，有时波形信噪比很低，各种成分波出现的时刻并不明显，判读十分困难。一般情况下，出现波形异常的情况主要有以下四方面原因：

2.1 激发装置与地面耦合不好

这时需要将地面重新平整，必要时可在木板下铺一层细砂并增加木板上的荷载，使激发装置与地面耦合良好，减少激发能量的损失。

2.2 检波器与钻孔孔壁耦合不好

可能是检波器扩展装置没打开或是钻孔在检波器位置有垮塌，孔径较大，检波器不能贴紧孔壁，不能很好地接收信号。这时要将检波器提出孔口，重新换个方位再放入孔内，并且在打开扩展装置后，轻提连接线，检查检波器与孔壁的贴合程度。

2.3 测试孔深较大

当测试深度太深时，激发能量衰减较大，检波器接收的信号太弱，需加大激发能量，也可对信号进行叠加。叠加的原理是在测试对象和测试环境不变时，由于有效信号具有可靠的重复性，而噪声信号则是一种随机信号，多次重复采集记录的叠加，将使有效信号得到加强，而随机信号将会相互抵消，从而提高信噪比。

2.4 仪器性状不良

首先检查各接口处是否连接稳固，其次看仪器各指示灯显示是否正常，仪器本身的故障需多次测试验证。

3 资料分析

根据测试资料对波的传播时间和距离等进行分析处理，包括如下内容：

3.1 确定波的传播时间Δt

传播时间的确定关键是识别波的初至时间，了解各种波的特征差异，有助于准确识别。由于压缩波波速大于剪切波波速，所以压缩波先到达，之后才是剪切波；而剪切波能量为压缩波的3～4倍，峰值明显，但频率比较低，因此压缩波波峰小而密，剪切波波峰相对大而疏。此外还需从数据的变化趋势，波形的特征等方面反复观察试读，在一定經验指导下去读取合理的结果。

3.2 计算波的传播距离Δs或波长LR

单孔法可由测点深度与振源及孔口的距离计算出波的传播距离；跨孔法波的传播距离为测孔间距，当孔深较大时，应根据钻孔的倾斜度和倾斜方位，对传播距离进行修正。将面波法的测试记录整理成波数与波长长度图，通过对同一频率的各点取直线或取平均值，可算出每一频率的波长。

3.3 波速计算

根据波的传播时间和距离、频率和波长计算出波速，即νP、νS=Δs/Δt；νR=f·LR。瑞利波波速反映了深度为一个波长地层的平均值，其值比剪切波波速略小，可按νS=νR/95×100换算。

4 成果应用

4.1 岩体完整程度分类

测得岩体的压缩波速度后，取有代表性的岩块测试其压缩波速度，岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方即为完整性指数。根据完整性指数，按《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001 2009年版）中表3.3.2-2的标准，可对岩体完整程度进行分类。当完整性指数大于0.75时，岩体为完整；0.55～0.75为较完整；0.35～0.55为较破碎；0.15～0.35为破碎；小于0.15为极破碎。

4.2 土的类型划分

根据岩土剪切波速，按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）中表4.1.3的标准，可对土的类型进行划分，并估算地基承载力。当剪切波速大于800m/s时，定为岩石；大于500m/s小于等于800m/s为坚硬土或软质岩石；大于250m/s小于等于500m/s为中硬土；大于150m/s小于等于250m/s为中软土；小于等于150m/s为软弱土。

4.3 划分建筑的场地类别

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）中4.1.5条的规定，土层的等效剪切波速νSe=d0/t，其中d0为计算深度（m），取覆盖层厚度和20m两者的较小值，建筑场地覆盖层厚度按规范中4.1.4条的标准确定；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间。根据岩石剪切波速或土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度，按规范中表4.1.6的标准，将建筑的场地类别划分为Ⅰ0和Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类。

4.4 计算动力参数

根据压缩波波速和剪切波波速，可计算小应变条件下（10-4～10-6）岩土体的动力参数，其计算如下：

式中：

νP、νS——压缩波波速、剪切波波速（m/s）

Gd——土的动剪切模量（kPa）

Ed——土的动弹性模量（kPa）

μd——土的动泊松比

ρ——土的质量密度（kg/m3）

5 波速与岩土体性状的一般规律

波的传播速度与岩土体的种类、结构面、风化程度、应力状态等因素相关，其一般具有如下规律：（1）岩土体弹性模量降低时，其波速也相應下降，这与波速理论公式相符；（2）岩土体越致密，其波速越高。波速虽与密度成反比，但密度增高，弹性模量将大幅度增高，因而波速也越高；（3）结构面的存在使得波速降低，并使波在岩土体中传播时存在各向异性。垂直于结构面方向波速低，平行于结构面方向波速高；（4）岩体风化程度越高，则波速越低。密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高；（5）压应力方向上的波速高；（6）孔隙率越大，波速越低。

6 结语

由于波速测试简便、可靠，目前已在岩土工程勘察领域广泛应用。其结果可用于判定岩土体的物理力学性质、查找软弱层及破碎带、估算地基承载力、对岩体完整程度分类、划分土的类型和建筑场地类别、计算岩土体的动力参数等，为场地工程地质评价和设计提供依据。因弹性波的传播特性可用波速、振幅、频率和波形来描述，所以在波速应用时，应注意研究其振幅、频率和波形特性，综合分析，正确评价。

参考文献

[1] 张忠苗.工程地质学[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（GB50021-2001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：李唐（1980-），男，重庆人，供职于重庆一三六地质队，研究方向：岩土测试。

（责任编辑：秦逊玉）

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