（岩土工程专业论文）建设工程场地剪切波速的统计分析.pdf

摘要 摘要 剪切波速是反映介质对波传播能力的一个重要指标。土层的剪切波速 是反映土体动力特性的重要参数。土层的剪切波速值被广泛的应用在工程 实践中。我国现行的建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 11 - 2 0 0 1 ) 对场地的分类 是使用双指标法，其中的一个指标就是等效剪切波速；我国现行的工程 场地地震安全性评价( g b l 7 7 4 1 2 0 0 5 ) 中关于地震输入界面的确定和推荐 的土层地震反应分析的等效线性化波动方法也规定要利用土层的剪切波速 资料；我国其它行业抗震设计规范，如构筑物抗震设计规范 ( g b 5 0 1 9 1 9 3 ) 、电力设施抗震设计规范( g b 5 0 6 0 - 9 6 ) 和核电厂抗震 设计规范( g b 5 0 2 6 7 9 7 ) 等，在场地分类时都规定要利用土层的剪切波速 资料。因此，研究与剪切波速有关的科学技术问题是当前岩土工程抗震领 域的重要研究内容之一，有重要工程实际意义和理论价值。 在抗震研究领域，土层的剪切波速值主要用于确定地震输入界面、土 层地震反应分析和场地分类。土是一种复杂的地质体。由于成因、结构、 成分和形成历史的不同使不同的土层在不同的条件下其剪切波速表现出很 大的差别。由于受测试手段和测试条件的限制，在有些情况获得土层剪切 波速的资料往往很困难或不够理想。因此，利用现有的资料进行统计分析， 分析其分布的特征和统计意义上的规律性是一项有意义的研究工作。本文 围绕土层剪切波速资料的统计分析开展了如下工作。 l 、本文详细介绍了包括剪切波速在内的土层地震反应分析中所需要的 各种参数的确定方法和参数研究的现状。对地震动输入时程的确定、地震 输入界面的确定、工程场地土层剪切波速的确定和土层非线性关系的确定 等进行了分析和详述，指出了存在的问题。 2 、本文详细介绍了我国工程界广泛使用的土层剪切波速测试的各种仪 器的原理和使用方法。对各种仪器的适用范围、各种测试方法和资料整理 分析的方法进行了对比分析，指出了各自的优缺点。 3 、收集了松嫩平原中部地区1 2 1 个工程场地的3 5 6 钻孔的剪切波速测 试资料和标准贯入试验的测试资料。这些资料主要分布在哈尔滨及其邻近 地区。本文对收集到的资料进行了分类和整理，总结了所涉及的各类土层 的主要特征，分类统计了各类土不同深度范围内剪切波速的数值分布特征。 4 、本文利用回归分析的方法对不同土层的剪切波速与土层埋深的关系 进行了统计分析。首次给出了哈尔滨及周围地区剪切波速与埋深的统计数 学表达式和公式中各系系数的统计值。检验的结果证明这统计关系式有 可使用的价值，对工程应用有重要的指导意义。 5 、本文统计分析了土层标准贯入试验击数和剪切波速之间的关系，对 剪切波速、标贯击数和埋深之间的关系进行了统计。给出了数学表达式和 公式中各系数的统计值。这一结果对工程应用亦有重要意义。 应该指出，数理统计的结果具有一定的代表性，但是这一结果受到样 本的数量和质量的控制。本文仅根据有限的资料和一个局部的地区的资料 对剪切波速与埋深等关系进行了初步统计。这是一项初步的探索，对初略 估计这一地区的剪切波速值有一定的参考意义。相信随样本的数量和质量 的提高，这一成果的应用价值会越来越高。科学研究说到底就是探索，探 索就会有错误，本文不当之处在所难免，敬请批评指正。 关键词：土层、剪切波速、埋深、标贯击数、统计关系 a b s t r a c t a bs t r a c t s h e a rw a v ev e l o c i t yi sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o rw h i c hi n f l u e n c et h ea b i l i t y t h a tm e d i a t o r sp r o p a g a t ew a v e s 。s o i ls h e a rw a v ev e l o c i t yi sa l li m p o r t a n t p a r a m e t e rw h i c hi n f l u e n c et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fs o i l a n di t i sw i d e l y u s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s i nc k n a st h es e 括m 七d e s i g no fb u i l d i n g s s t a n d a r d s ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 | ) ，t w oi n d i c a t o r sa r eu s e dt oc l a s s i f yd i f f e r e n ts i t e s ， a n dt h ee q u i v a l e n ts h e a rw a v ev e l o c i t yi si u s to n eo ft h e m i nc h i n a sc u r r e n t p r o j e c ts i t e s e 括，”i cs a f e t ye v a l u a t i o n ( g b l7 7 4 1 2 0 0 5 ) s h e a rw a v ev e l o c i t y s h o u l db eu s e di ns e i s m i ci n p u ti n t e r f a c ed e t e r m i n a t i o na n de q u i v a l e n tl i n e a r f l u c t u a t i o nm e t h o d c h i n a ss e i s m i cd e s i g no fo t h e ri n d u s t r i e s s u c ha st h e s e i s m i cd e s i g no fs t r u c t u r e s ( g b 5 0 1 9 1 9 2 t h es e i s m i cd e s i g no fe 跆c t r i c a l f a c i l i t i e s ( g b 5 0 6 0 9 6 ) a n dt h es e i s m i cd e s i g n o f n u c l e a r p o w e r p l a n t s ( g b 5 0 2 6 7 9 7 ) 、a l s or e q u i r et ou s es o i ls h e a rw a v ev e l o c i t yi ns i t e s c l a s s i f i c a t i o n t h e r e f o r e t h es t u d yo fs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lq u e s t i o n sr e l a t e d t os h e a rw a v ev e l o c i t yi sa ni m p o r t a n ts t u d yw o r ki ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s e i s m i cf i e l d i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n ga n dt h e o r e t i c a lv a l u e i ne a r t h q u a k e r e s i s t a n c es t u d yf i e l d ，t h es o i ls h e a rw a v ev e l o c i t yi s m a i n l yu s e dt oc o n f i r mt h es e i s m i ci n p u ti n t e r f a c e s t h es o i ll a y e r ss e i s m i c r e s p o n s ea n a l y s i sa n dc l a s s i f ys i t e s s o i l i sac o m p l e xg e o l o g i c a lb o d y d i f f e r e n tf o r m a t i o nc a u s e s 。s t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o na n dh i s t o r ym a d es h e a r w a v ev e l o c i t yg r e a td i f f e r e n c ei nd i f f e r e n ts o i ll a y e r sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n s a st h et e s t i n gm e a n sa n dc o n d i t i o n sl i m i t a t i o n ，i ti sv e r yh a r do rn o tp r e c i s et o g e ts o i l l a y e r ss h e a rw a v ev e l o c i t i e si ns o m ec a s e s 。t h e r e f o r e i t sm e a n i n g f u l t oa n a l y z ei t sd i s t r i b u t ：i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di t ss t a t i s t i cr e g u l a r i t yw i t ht h e c u r r e n td a t a t h ef o l l o 、访n gw o r kw a sc a r r i e do u ta b o u ts o i ll a y e r ss h e a rw a v e v e l o c i t yd a t a s t a t i s t i c a la n a l y s i si nt h ep a p e r 1 。n l es o i l l a y e r s s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i sn e e dv a r i o u sp a r a m e t e r s ， i n c l u d i n gt h es h e a rw a v ev e l o c i t y t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei d e n t i f ym e t h o d s a n dr e s e a r c hs t a t u so ft h e s ep a r a m e t e r s t h ed e t e r m i n a t i o n so ft h eg r o u n d m o t i o n t h es e i s m i ci n p u ti n t e r f a c e t h es o i ll a y e r ss h e a rw a v ev e l o c i t ya n ds o i l n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pa r ea n a l y z e da n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa r ep o i n t e do u t i nt h i sp a p e r 2 。t h ep a p e ri n t r o d u c et h ep r i n c i p l e sa n du s i n gm e t h o d so fm a n ys o i l 1 a y e r ss h e a rw a v ev e l o c i t yt e s t i n ge q u i p m e n t s t h ed i f f e r e n ta p p l i c a b i l i t y , t e s t i n ga n dd a t aa n a l y s i sm e t h o d sa r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d t 1 1 ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h e ma r ep o i n t e do u ti nt h i sp a p e 3 3 5 6d r i l lh o l e s s h e a rw a v ev e l o c i t ya n ds t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s td a t a w e r ec o l l e c t e d t h e s ed r i l lh o l e s1 0 c a t e di nl21e n g i n e e r i n gs i t e si nt h em i d d l e o fs o n g n e np l a i n , w h i c ha r o u n dh a r b i na n di t sa d j a c e n ta r e a s i nt h i sp 印e r t h ec o l l e c t e dd a t aw e r ec l a s s i f i e da n dc o l l a t e d t h em a i nf e a t u r e so fv a r i o u s s o i ll a y e r sw e r es u m m e du pa n dt h es h e a rw a v ev e l o c i t y s n u m e r i c a l d i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n ts o i l sa td i f f e r e n td e p t h sw e r ec l a s s i f i c a t i o nc o u n t e d i i i 4 1 1 1 i sp a p e ru s e st h em e t h o do fr e g r e s s i o na n a l y s i st oc l a s s i f i c a t i o n s t a t i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n ts o i ll a y e r s s h e a rw a v ev e l o c i t i e sa n d d e p t h s n l es t a t i s t i cm a t h e m a t i c a lr e p r e s e n t a t i o no fh a r b i na n ds u r r o u n d i n g a r e a s s h e a rw a v ev e l o c i t i e s ，d e p t h sa n ds t a t i s t i e sv a l u e so fv a r i o u sp a r a m e t e r s i nt h ef o r m u l a t i o na r eg i y e no u tf o rt h ef i r s tt i m e t h ec h e c k e dr e s u l t sp r o v e m a tt h es t a t i s t i c r e l a t i o n s h i ph a sp r a c t i c a l v a l u ea n di m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c et oe n g i n e e r i n g 5 n l ep a p e ra n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i ll a y e rb e l o wc o u n to f s p ta n ds h e a rw a v ev e l o c i t y t h er e l a t i o n s h i po ft h es h e a rw a v ev e l o c i t y , b e l o wc o u n to fs p ta n dt h e d e p t h a r ef i g u r e d n l em a t h e m a t i c a l r e p r e s e n t a t i o na n ds t a t i s t i c sv a l u e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r si nt h ef o r m u l a t i o n a r eg i v e no u t , w h i c hh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a tt h er e s u l t so f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sh a v ea c e r t a i nr e p r e s e n t a t i o n ，b u ti ti sr e s t r i c t e db yt h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo f s a m p l e s i nt h i sp a p e r , o n l yl i m i t e dd a t a a n da p a r t i a l i n f o r m a t i o na r e w e l i m i n a r yc o u n t e d t h i si sap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o na n dh a ss o m er e f e r e n c e v a l b et oe s t i m a t et h es h e a rw a v ev e l o c i t yo ft h i sa r e a w i t ht h ei m p r o v e m e n t o fs a m p l e s q u a n t i t ya n dq u a l i t y , t h i sr e s u l tw i l lh a v em o r ea n dm o r ep r a c t i c a l v a l b e a f t e ra l l ，s c i e n t i f i cr e s e a r c hi si u s te x p l o r a t i o n , s 0t h em i s t a k ei s u n a v o i d a b l e t oh o p et h a to l l ec o u l dc o r r e c ti ft h e r ef l x es o m ep r o b l e m si nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：s o i ll a y e r , s h e a rw a v ev e l o c i t y , d e p t h ，b e l o wc o u n to fs p t ， s t a t i s t i cr e l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主国地震 屋工程左堂硒塞压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多坠鳖! 型签字日期：呈竺! ：! 兰：兰口 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫亘丝震昼王猩左堂婴塞逝有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权史垦丝震旦王猩力堂受塞逝可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 狄忠剞一导师签名： 签字日期：皇! ! ! ! ! ! ：兰翌签字日期：圭竺2 ：! 兰：! ! 第一章绪论 第一章绪论帚一旱三百y 匕 1 1 问题的提出 工程场地剪切波速是描述土体动力特性的一个重要参数。在工程中，它 的大小反映了场地传播地震波能力的大小。剪切波速还有多种用途，例如： 确定建筑场地类别、土层覆盖层厚度，判别砂土或粉土地基的地震液化， 计算土体的动剪切模量等。目前，波速测试主要有两类方法：钻孔法和面 波法。各类方法都有自己的优缺点，其适用条件也不同。钻孔法主要受到 土的类型、钻孔深度、地面干扰波的影响。当土层为淤泥和淤泥质土、松 散的砂、新近沉积的粘性土和粉土时，经常出现塌孔的现象，使钻孔法测 试不能正常进行；当钻孔深度过深时，一般超过5 0 米深的钻孔，由于地面 激发的剪切波的能量衰减而引起深层的剪切波很微弱，使接收的剪切波受 到其它波的干扰可能比较大；当测试接近地表的土层时，由于存在一些地 表干扰波的影响，也使靠近地表的土层剪切波速不够精确。面波法测试土 层剪切波速时不利用钻孔，但在测试中也同样受到地表干扰波的影响。另 外面波法测得的是地表的瑞利波的波速，要通过统计公式计算得到剪切波 速。在工程应用中，一般粗略的认为土体中剪切波速度和瑞利波速度大体 相同。但目前工程测试人员普遍认为其得到的剪切波速结果偏小。对于上 述的这些情况解决方法是对测试结果进行修正或推测。目前主要依据测试 人员的经验，参照附近土层的剪切波速资料进行修正、推测。因此，如何 建立统一修正、推测方法是当前亟待解决的问题。 1 2 场地地震反应分析参数的确定 场地地震反应分析参数包括土层剪切波速、覆盖土层的类别、各土层 埋深、密度、各类土体的非线性参数。一般情况，通过工程地质勘察和室 内试验确定各参数。 1 2 1 输入地震动的确定鼽嘲阍 在进行场地地震反应分析时，输入地震动是首要的数据。目前的输入 地震动主要有两个来源：一是强震记录，二是人工合成。近年来随着强震观 测技术的进步和观测点的增多，现在已经有了很多强震记录，但对某一特 定工程场地可能仍没有地震动记录或地震动记录不是我们需要的强度水 平。在场地地震安全评价中，对没有强震记录的场地，主要采用人工合成 的办法，通常以地震危险性分析得到的自由基岩面处的水平加速度反应谱 和峰值等参数为目标函数，通过三角级数构成一个平稳的高斯过程，然后 乘以时间域非平稳强度包络函数得到非平稳的基岩地震动加速度时间过 程。由此可见基岩反应谱、峰值加速度、强度包络函数对人造地震动有很 大的影响。除考虑这三个参数对地震动的影响外，还必须考虑随机相位的 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 v v 影响，为此在地震安全评价和地震小区划中，采用相互独立的三条地震波 作为地震动输入。对有强震记录的工程场地，宜充分利用强震记录作为基 岩地震动合成迭代拟合初始时程，以充分利用实际强震记录中所带有的地 震相位特性信息。必须指出的是危险性分析得到的自由基岩的地震动输入 参数，因此用这些参数合成的地震动为自由基岩上的地震动加速度时程。 对于弹性均匀介质半无限空间，地震动在自由表面处的值为入射波值的二 倍。基于这一理论结果对土体进行近似的处理为：地震动输入界面处的输 入地震动幅值是自由基岩输入地震动幅值的一半。 关于输入地震动的随机相位敏感性问题，国内很多学者进行了研究。 朱国祥，蒋维强，林建生，陈俊峰等人通过大量的不同随机相位地震动进行 场地地震反应分析，得到的结论表明：不同相位的输入地震动对地表的加 速度峰值和反应谱特征周期影响较大；同一随机相位，不同超越概率水平 计算出的地震动加速度峰值的变化趋势一般情况下是一致的，即采用统一 随机相位，低概率计算出的a 值大时，高概率计算出的氏值亦大。因此， 今后场地地震反应分析时，应对那些造成加速度峰值或特征周期异常的输 入地震动用其他随机相位的地震动进行替换，选取三个加速度峰值和特征 周期相近的三个相互独立的地震动进行场地地震反应分析。 1 2 2 地震输入界面的确定球绯睐淋髑嘲 在进行场地地震反应分析时，要建立一个场地力学模型。因此，就必 须确定土层边界，即确定在进行场地地震反应分析时引起界面上部土体地 震反应的地震输入界面。理论上说，地震输入界面具有两个基本特性：一 是地震输入界面下为线性介质或近似线性介质；二是地震输入界面上下土 层之间的波阻抗比值较大，且其下不存在较小的波速值的土层。在实际工 程中可参照规范的方法确定地震的输入界面。 关于地震输入界面的确定问题，袁一凡、韦晓、陈国兴、陈继华做了 详细的研究，他们的研究结果表明：( 1 ) 在实际中取不同深度的晃面作为 假想基岩面对地震动峰值和反应谱有影响，随着地震动输入位置深度的增 加，反应谱长周期成分增大，特征周期增大，谱形变宽，场地地表加速度反 应谱逐渐地接近实际的反应谱：( 2 ) 由于地表土与上部结构的共振效应， 对于长周期和重要结构，采用真实基岩或不小于7 0 0 m s 的土层为地震动输 入界面；对于短周期和一般建筑结构，选择剪切波速为不小于5 0 0 m s 的土 层为地震动输入界面。 1 2 3 场地土层剪切波速的确定恻蜘哪m 川m 刚咖洲 剪切波速在场地地震反应分析中的作用是确定土体中的最大剪切模 量，然后结合剪切模量比与剪应变关系曲线确定土体在不同剪应变下的剪 切模量，因此剪切波速直接影响到土体非线性参数的确定。为了确保计算 土层内各点的剪应变幅值大体相等，反映较厚土层中不同深度位置土层的 第一章绪论 非线性程度的差别，根据理论分析及计算经验，在土层埋深前2 0 米剪切波 速测点间距宜取卜2 米，在土层埋深超过2 0 米剪切波速测点间距宜取2 - 4 米，并在土类发生变化的埋深处加密测点。 剪切波速测试方法主要有钻孔法和面波法两大类。各类方法都有其不 确定性因素。钻孔法不确定性因素主要表现：一、同一测点由于测试人员 的技术及分析水平等不同，可能会有不同的测试结果。二、在测试过程中 会有一些干扰因素和干扰波的存在。三、测试仪器的拾振装置是否与土体 紧密接触。面波法的不确定性因素是所接收的地震波是反射波、直达波、 折射波等干扰波与面波的混合波，有可能造成一定的误差。 剪切波速对场地地震反应分析的敏感性问题的研究很多。l it i a n 等人 用m o n t ec a r l o 法计算了场地地震反应，得到的结论之一是：在一般场地 中，土层剪切波速对场地地震反应有很大的影响，是造成地震反应谱离散 的主要原因。黄玉龙，郭迅等人以香港回填软土为研究对象，高玉峰，刘 汉龙等选择了砂土作为研究对象，兰景岩以砂性土和粘性土为研究对象， 分析了剪切波速对场地地震反应的影响。他们的研究结果都表明：剪切波 速对地表的地震加速度峰值、地震动分数持时、反应谱平台值、反应谱长 周期部分的谱值影响很大。林建生，陈俊峰等人对输入界面处的剪切波值进 行分析表明：由于场地土层地震反应分析中不考虑基岩输入面的厚度的影 响，因此实际计算中基岩输入面的波速值可有很大的随意性，但这种随意 性对地表峰值带来不可忽略的变化。 1 2 4 土体非线性的确定啕啉阻味酥阻陬瞰酥阻嘲 土体即使在很小的应变下也会表现出非线性变化，因此在场地地震反 应分析中，确定土体的非线性关系是一个非常重要的课题。目前确定土体 非线性的方法是进行共振柱试验或动三轴试验，共振柱试验主要适合模拟 小应变时土体的非线性变化，而动三轴试验适合模拟大应变时土体的非线 性变化，工程上常用共振柱试验。无论采用哪种试验对现场土体非线性的 模拟都有自身的不足，都存在不可避免的不确定性。主要表现为：( 1 ) 试 验样本的选取过程中都会有扰动，特别是粉土和砂土，很难在试验室内还 原其本身的特性；( 2 ) 试验误差，主要由试验仪器的精度造成的。为了弥 补在工程中对一些土层不能取到样本或样本不能反应真实情况的问题，规 范给出了各种类型土体非线性关系值为工程应用中参考。 土体非线性关系的问题很早就受到国内外学者的关注。袁一凡通过研 究认为土体非线性关系( 剪切模量和阻尼比与剪应变的变化的关系曲线) 对地震动反应谱有重要的影响；t i k e m o t o 等人在考虑土体非线性关系不确 定性的条件下，对水平土层进行场地地震反应分析，他认为土的非线性关 系本质上具有随机性和测量的不确定性，并计算指出，土体非线性关系的 不确定性对场地地震反应分析有不可忽视的影响：王绍博、丁海平( 2 0 0 1 ) 、 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 i li i 孙静( 2 0 0 4 ) 分别使用不同的非线性关系，分析了土体非线性关系对场地 地震反应的影响表明：土的非线性关系的变化，对于小震的场地地震反应 分析的影响较小，但对于中震和大震的场地地震反应分析结果差别很明显， 特别是大震作用；兰景岩( 2 0 0 6 ) 在土的动力学参数对场地设计反应谱的 影响的硕士论文中进行了更深入的研究，总结出了各种土类非线性关系 变化与设计反应谱的特征周期、反应谱平台值、地面加速度峰值的变化关 系。 1 3 研究思路 本文选取黑龙江地区作为研究范围，主要研究黑龙江地区场地土层剪 波速的特征。建立黑龙江省地区剪切波速的推测方法。为今后黑龙江地区 的工程抗震工作的提供有利可靠的剪切波速值。 为达到上述目的，本文主要研究工作流程见图1 - 1 。 l 收集钻孔资料i ，1 一 o l 资料分类、汇总、剔除i o i 选取与剪切波速相关的土体参数i o l 选取统计分析所采用的函数类型l o 广1 i 进行统计分析i i一 。 广1 1 分析结果验证i i一 。 广_ 1 i 结论i i一 图1 - 1 研究工作流程图 1 4 本文内容安排 本文主要目的是对黑龙江地区工程场地剪切波速值进行统计分析，试 图找出其变化规律。因此对本文内容作如下安排。 第一章为绪论。简述场地地震反应分析各参数的确定方法及对场地地 震反应的影响。 第二章为场地剪切波速的测试方法。介绍几种工程场地剪切波速度测 第章绪论 试方法，分别对其原理、测试方法做概括性的介绍。 第三章为剪切波速统计资料的收集和选取。详细说明研究资料的选取 原则，数据的基本情况。 第四章为剪切波速的统计分析。本文的核心部分。对上一章的选取资 料进行统计分析，得出黑龙江地区工程场地剪切波速的推测方法。 第五章为总结。总结全文，指出研究成果对未来工程的意义和存在的 不足。 中困地震局1 = 程力学研究所硕十论文 第二章场地剪切波速的测试方法 2 1 引言 当固体介质受到外力时，在介质中会产生多种弹性波。在土体中弹性 波的测试主要是测试剪切波速k 。场地分类、地震安全性评价都需要利用 剪切波速这指标。因此，剪切波速是土体动力特性的重要参数，其反映 地震波在土体是传播的能力及土体的软硬程度。剪切波速的大小直接影响 到地基的处理方式和结构抗震设计参数等。 在岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 中，规定波速测试可根据 不同要求，采用钻孔法( 单孔法、跨孔法) 和面波法。本章将分别进行简 单介绍。 2 2 钻孑l 法删删例嘲 钻孔法根据波速测试时需要钻孔的数量可分为单孔法和跨孔法。在工 程上，对于多层体系的岩土介质常用跨孔法，直接测定不同深度处土层的 波速。当土层软硬变化大( 模量有突变) 和层次较少时或基岩上为覆盖土 层时，可用单孔法。 2 2 1 钻孔法的原理 钻孔法波速测试考虑了两个基本假定： ( 1 ) 地下介质采用水平层状地层模型： ( 2 ) 剪切波速在水平方向为均匀分布，而在垂直方向随深度变化而变 化。 测试的基本原理为通过振源激振，记录振源激振时间和拾振器接收剪 切波的时间，从而得到剪切波在振源与拾振点之间传播时间，利用下面公 式( 2 - 1 ) 计算两点之间的平均波速。 矿：丝( 2 1 ) 丁 式中y 一在缸内平均剪切波速；址一剪切波在土层中传播的距离； a t 一剪切波在土层中传播的时间。 2 2 2 钻孔法仪器构成 钻孔法波速测试仪器主要由振源、接收器，放大器和记录仪组成。 l 、振源 单孔法振源通常采用人工激发、超声波两种。人工激发是一种最简单 的方法，用得也是最为普遍。人工激发也有多种方法，应用最多而且方便 的是水平敲击木板法，即在孔口附近放置一块长方形木板，在上部压重物， 用大锤水平敲击木板的两端。剪切波的频率取决于木板的长短，当木板越 第二章剪切波速的测试方法 长时，产生的剪切波的频率越低。在相同的敲击力的情况下，剪切波的能 量与木板上压的重物重量有关，当重物越重，剪切波能量越大。 跨孔法振源有两种：爆炸振源和机械振源。机械振源一种是井下剪切 锤，一种用穿心锤取土器。后一种振源装置携带方便，操作简单，缺点是 不能进行坚硬密实地层的跨孔法波速测试，并且需要一边钻孔一边测试， 不能一次成孔。 2 、接收器 钻孔波速法测试时，无论选择什么样的振源，产生的都是复合波，这 就要求接收器既能记录到竖直振动分量，同时又能记录到两个水平分量， 以便更好地识别到剪切波到达的时刻，所以，一般采用三分量检波器，三 分量检波器是由3 个传播器以相互垂直的方向固定并密封在一个无磁性的 圆筒内制成的。单s l 钡 j 试时一定要将竖向检波检波器平行于钻孔轴线，它 可以接受p 波，另两个水平检波器则接受s 波；跨孔法测试时竖向检波器 接受水平传播的s 波的竖向分量s 两个水平检波器分别接收p 波和s 波 的水平分量s 、波。 检波器贴壁的效果将直接影响到信号接收效果。按照检波器贴壁方法 的不同，可以将检波器分为充填式、弹跳式和磁吸式等3 种。 3 、放大器、记录器 跨孔法测试可采用多通道放大器( 通道数至少2 个) ，各通道必须有 较一致的相位特性，配有可调节的增益装置，放大器放大倍数一般要求大 于2 0 0 倍，内部噪音小，频率特性适宜，抗干扰能力强。 跨孔法波速测试所用的记录器要求具有分辨0 2 m s 的能力，其扫描速 率可以调节，以便于波形识别。目前国内跨孔法波速测试所采用的记录器 主要有s c - - 1 0 型、s c 一1 6 型、s c 1 8 型紫外线感光记录示波器，工作频 率范围为o - 2 7 0 h z 。信号增强型多通道工程地震仪( b i s o n l 5 8 0 - 2 型、e s 一 1 2 i o f 型、e s 一1 2 2 5 型等) 也是跨孔法波速测试的理想放大记录设备，这 一类型的记录设备特别适用于微振振源装置。由于它具有有效的存储功能， 可以用较小振源能量较远距离的信号。 2 2 3 钻孔法的测试方法 l 、单孔法。 向孔内放置三分量检波器，在预定深度固定于孔壁上，并紧贴孔壁。 测点的布置应结合土层的实际情况布置，测点的在垂直方向上的间 距宜取卜3 m 土层变化处应加密。 激振：一般采用地震激振，距钻孔口距离为卜3 m 处设置一厚木板， 用大锤分别锤击木板的两端，产生正、反向的剪切波。 接收：采用三分量检波器，在钻孔的不同深度处分别记录正反向剪 切波的波形，检查记录波形的完整及可判读性。 中固地震局t 程力学研究所硕一 ：论文 如发现接受的记录的波不完整或无法判读，则须重做，直到正常为 止。 2 、跨孔法 将激发器与接收器同时分别放入两个钻孔内至预定的测点标高，并 予以固定。 调度仪器胆固醇正常状态。 驱动锤击激发器，检查接收信号是否正常，如正常即予以储存。由 接收到的信号算出剪切波在土中的传播时间。 初步验算v 。值，检验是否在合理范围之内，如一切正常，继续进行 下一点测试。 2 2 4 钻孑l 法的资料整理 资料整理的核心部分是确定由激发点至剪切波信号接收点之间的传播 时间，除了一些数字化仪器可以直接读出传播时间之外，均须进行下列分 析： ( 1 ) 对记录进行波形分析，即从记录中确定那些我们需要的波。 ( 2 ) 确定激发波形的起始时间点，即波动的起始时间。 ( 3 ) 确定接收波形的中剪切波的起始时间，即波动的到达时间。 ( 4 ) 确定剪切波速的传播距离。 其中的难点是怎么找出剪切波的到达时间，对于深度大于3 0 米时，压 缩波不易显示，其首波可视作剪切波。波速计算时，应根据各地土层情况， 由浅入深层逐点记录分析，加以确定。 确定起始时问和到达时间及传播距离后，就可按公式( 2 - 1 ) 计算震源 与测试点间的平均波速。 2 3 面波法妊洲 面波相对于体波而言，其能量较强，速度较低，频率较低，容易分辨， 因此在揭示地下地层结构方法中具有一定的优越性。面波测试根据震源、 接收方式和资料处理方法的不同分为稳态面波法和瞬态面波法。 2 3 1 稳态面波法基本原理 稳态法是在振源产生频率可变的稳态振动波，在波的传播上安放拾振 器，通过调整拾振器的位置确定瑞利波的波长，通过式( 2 - 2 ) 确定瑞利波 的波速， = f l ( 2 2 ) 再调整不同的频率确定不同频率下的瑞利波速度。利用瑞利波速度与 剪切波的速度统计关系( 2 - 3 ) 确定剪切波速度。 圪：q ：! z ! ：! 丝k ( 2 3 ) “ 1 + 。 8 第一币四切波速的测试方法 式中，为泊松比。 2 3 2 瞬态面波法基本原理 瞬态法是用锤击地面产生一个包含所需要频率范围的瞬态激励。在离 激励距离不同的两个点记录两点的瑞利波，将两个接收波的时域进行傅立 叶变换变为频域，然后进行谱分析，得到互功率谱。从互功率谱中可得到 两个测点在某频率厂成分时的相位差c p 。因此，这两点间瑞利波的传播时 间可用下式计算： f ：旦( 2 - 4 ) 2 u f 式中厂为某一频率，缈为两点间的在该频率下相位差。地面两个记录 点的距离可用皮尺测出。有了波的传播时间和传播距离就可以用下式得 到波的速度和波长。 ( 2 - 5 ) 速度和波长都是随频率变化的，分别对各种需要的频率进行计算得 到频散曲线。再对频散曲线进行反演分析，得出瑞利波波速随深度的变化 曲线。 2 3 3 稳态面波法测试仪器构成 稳态法主要的仪器设备有：振源，接收设备组成。 振源常采用机械式激振器或电磁式激振器。前都有振动能量较大，能 量较低，传播距离较远：后者频率高，衰减较快，传播距离短。 接收设备由拾振器，放大器和计算机组成。其中拾振器必须是宽频的， 并与激振器的频率范围相一致。 2 3 4 稳态面波法测试方法 在测试点布黄好激振器，由激振器为起点，向外延伸布置一条皮尺， 测试时拾振器与振源的| 自j 距可由皮尺读出。具体测试步骤如下： ( 1 ) 将拾振器紧帖振源，开动激振器产生频率不变的正弦波。在计算 机屏幕显示上，由拾振器接收的波动信号与激振器上波动信号在相位上是 一致的。 ( 2 ) 移动拾振器一定距离，些时两个波形相差一定相位，继续移动拾 振器，使相位反向，此时振源与拾振器的距离为半个波长l 2 。在皮尺上 读出半波长的实际长度，并记录。 ( 3 ) 再次移动拾振器，使两个波形相位重新一致。此时，拾振器与振 源的间距为一个波长。然后在同频率f ，依此类推出2 3 。般 垒，一厂 i i = r 厅 y 中国地震局丁程力学研j 所坝十论文 进行五组。 ( 4 ) 改变频率，重复( 1 ) 、 ( 2 ) 、( 3 ) 。 2 3 5 稳态面波法资料整理 ( 1 ) 将实测的波的频率、波数、级波长整理成表的形式。 ( 2 ) 求得在各个频率下的瑞利波速度。 ( 3 ) 确定剪切波速与面波波速的关系。 ( 4 ) 确定剪切波速的测试深度，一般认为面波是反映半个面波波长的 土层厚度的性质，因此由面波速度得到的剪切波速度是深度为半个面波波 长的平均剪切波速。 2 4 波速测试成果的应用 波速测试的成果应用主要体现在以f 几个方面。 1 、场地土类型的划分。利用波速测试成果，可将场地土的类型划分为 峰硬土或岩石、中硬土、中软士、软弱土。 2 、土层等效剪切波速的计算。计算公式如下： 矿：查 ”。7d(2-6) ，：y 二 鲁i ：， 式中i 。土层等效剪切波速( m s ) ； d 。计算深度( m ) 取覆盖层厚度和2 0 m 二者中的较小值： ，剪切波在地面至计算深度之间的传播时l 自j ： d ，计算深度范围内第i 个土层的厚度( m ) ； p 7 计算深度范围内第1 个土层的剪切波速( m s ) ； 玎计算深度范围内土层的分层数。 建筑场地类别的划分。按等效剪切波速和场地覆盖层厚度可对场地 进行划分，共分四类场地。 4 、判别砂土或粉土地基的地震液化。剪切波速越大，土越密实，土层 越不易液化。据此，国内、外都在应用f 来评价砂土或粉土地基的地震液 化问题。 5 、计算土层的动剪切模量。计算公式为g d = p 2 ，q 为动剪切模量， p 为土的密度，旷为剪切波速。 2 5 剪切波速测试的