岩土工程勘察 4.9 波速测试.ppt

波速测试 一 检层法波速测试二 跨孔法波速测试三 表面波法波速测试四 反射波法波速测试五 波速在工程中的应用 一 检层法波速测试 检层法是在钻孔内测定岩土层波速的一种方法 是目前高层建筑岩土工程勘察中最常用的方法 1 基本原理检层法利用直达波的原理 即先根据勘察深度要求用钻机成孔 然后将钻孔检波器放至预定的测试点 也可用静力触探贯入设备将三分量波速探头压人土层中 并同时在孔口放置振源板 测出由孔口振源产生的波传到孔中检波器所需要时间t 算出波从振源到检波器的传播距离L 即可得到波在土中传播的速度 2 试验设备 图4 55贴壁式井中三分向检波器图4 56压入式波速探头 PVT型压入式波速探头 PVT型探头核心为三分量检波器 一纵二横 自振频率10HZ 灵敏度 0 3V cm s 适用检层法试验 快速又经济 不需预钻孔 不需下护管 亦不需气囊充气 探头直接压入土中 土体接触紧密 试验获得的波形清晰准确 可跟静探10cm2或15cm2单 双桥探头组成一体 一次贯入 可获得静探 波速二种资料 1 根据试验要求确定孔深及试验点 先成好孔 或压入波速探头 2 按图4 9 4将孔口检波器埋设好 检波器位置在板底下中间 检波器轴线和板轴线一致 当板被敲击发出振波时 通过检波器就收到了振源的信号 将它与钻孔中的检波器收到的信号作比较 即可找出时间差 然后将木板压下 木板要求和地面紧密接触 地面要平整 撤上lcm厚粗砂 板上压400kg左右重物 当铁锤水平敲击 见图4 9 6 板端时 板就要在地面滑动 但摩擦阻力阻止板的滑动 板就使土层表面产生剪切变形 由于弹性反力的作用 板在平衡位置附近来回振动 因而在土层表面产生正负剪切变形 由于颗粒间都有联系 变形就会扩展和传递给其它土颗粒 这样就形成了剪切波 又由于板和地面水平接触 因此 这样的波是水平剪切波 SH波 它的传播方向向下 质点运动方向与之垂直 3 试验方法 图4 59孔口布置见图 图4 60激振板内的波传播示意图4 61检层法波速测试 试验方法 3 将钻孔检波器慢慢放入钻孔中 下到预定深度 在孔口用气筒充气 使气囊突出 使检波器在孔中某点固定下来 4 调试好所有测试仪器 检查是否都能正常工作 5 敲击木板并同时起动自动记录仪器记下振动波形 敲板时用力均匀 尽量水平敲击 板的两端各敲数次 每端至少记3个波形 一个测点6个波形 以便于分析 测点布置一般根据两种情况确定 一种是事先了解地层 可以按地层区分 在层顶和层底布置测点 另一种是不了解地层资料 可以2 3m一个测点或更大一些 以上所述方法又叫下孔法 down hole 即孔口激振 孔中接收 另外也可用上孔法 up hole 即孔下激振 孔口接收 例如 可以利用标贯试验作为孔底振源 同时进行孔口记录波形 如图4 9 7所示 压入式波速探头 振源 激振板 压入波速探头 敲击板端 4 资料整理 1 波形分析与鉴别波形鉴别的目的是要确定剪切波到达的正确位置 由于外界干扰以及敲击时在激振板内产生的压缩波的地下折射 实际得到的波形记录往往是剪切波和压缩波复合在一起的记录这就给剪切波的鉴别带来了很大困难 但是我们可以根据剪切波和压缩波的不同特点把它们区分出来 区分的方法常有以下两种 1 按速度不同区分压缩波速度快 剪切波速度慢 压缩波总是先到达 剪切波后到达 2 根据波型特征区分压缩波传递的能量少 因此波峰小 剪切波传递的能量大 波峰高 而且两种波的频率不一致 当剪切波到达时 波形曲线上会有个突变 以后过渡到剪切波波形 如图4 62所示 图4 63浅层波形记录 图4 62波形记录 图4 62波形记录图4 63浅层波形记录 由图4 62可知 压缩波互相靠得较紧 频率较高 剪切波频率较低 压缩波的记录长度取决于测点深度 测点越深 离开振源越远 压缩波的记录长度就越长 图4 63中的波形是在离孔口1 05m深处记录所得 箭头指示处即为压缩波 其记录长度要短得多 如在孔口记录 波形图中就不出现压缩波 当测点深度超过20m或更深时 由于压缩波能量相对衰减较快 一般仪器有时测不到压缩波波形 记录下来的波形图只是剪切波 这样就更易鉴别了 图4 64叠加有干扰波的波形记录 图4 65相位相反的波形记录 图4 64 65 上面都是讲的正常波形鉴别 但在测试过程中 由于各种原因往往得到畸变的波形 严重的甚至无法鉴别 造成波形畸变的原因主要有外界干扰 地层岩性破碎 仪器工作不正常等等原因 在干扰不严重时 可用分解的方法鉴别 如图4 64中 波未到达时 记录上已有干扰波存在 当压缩波和剪切波先后到达时 就叠加在干扰波上 这样就成了合成波形 形态与原来干扰波不一样 用铅笔将干扰波波形勾画出来 就可以找到叠加在上面的压缩波和剪切波 对于这种畸变的波形还可用相位对比方法鉴别 由于试验时敲击激振板的一端后 还敲击另一端 其方向相反 测到的波形其相位刚好相反 如图4 65 所示 比较这两个波形记录 将记录纸上击振时间信号对齐 找到相位差180度的两个最大的峰及谷即为剪切波到达位置 如干扰很严重 有效波都被掩盖了 那就无法鉴别 2 波速VS的计算1 浅层 小于5M 时平均波速的计算 图4 66浅层时波的行程 3 测点间土层波速的计算 图4 68波速试验综合成果图 图4 68 3 图件资料一般波速试验主要的成果图件资料格式可见图4 68 二 跨孔法波速测试1 基本原理 跨孔法又叫跨孔射波法 它利用两个或两个以上钻孔 一个作为发射孔 其它为接收孔 从发射孔内振源发出的波经过两孔间的土层传播到接收孔 见图4 9 15 被孔中检波器接收 然后计算出波行走的时间 就可求得波速 V L t因为跨孔法两孔间可有一定距离 所以它特别适用于已有基础下动力参数的补查 图4 69跨孔法波速试验示意图 图4 69 1 跨孔波速试验的振源型式跨孔波速试验方法的基本持征 主要是接收直达的剪切波 以往在地震勘探中所讲的直达波 主要是指以爆炸震源向各方面传播的体波 正如大家所知 任何震源都会产生复合波 剪切波是压缩波的续至波 往往受到其他波的干扰和掩盖 因此 辨别出第一个剪切波到达时间往往比较困难 故要求振源能产生丰富的剪切波分量 压制压缩波的分量 如果采用适当的激振和接收方法 第一个剪切波的到达还是能分辨出来的 就振源而言 一般指两种 爆炸震源 包括炸药爆炸 高压电火花 气枪等 机械振源 包括重锤 标准贯入试验装置 井下剪切波锤 2 仪器设备 图4 70振波射线图 图4 70振波射线图 图4 70所示 一重物竖向落下 冲击钻杆 或直接冲击孔底 通过钻杆将振动传递到孔底O点 产生P波和S波波动 这些波于作用力本身的不完全对称性 致使波没有球形对称性 图中的两个虚线圆表示P波射线方向 就是说P波分量向上或向下较强 在振动点附近R波分量特别强 图中两个实线圆表示SV波射线图 说明SV波分量沿水平方向最强 跨孔法波速测试就是在离激振点沿水平万向一定距离的另外两个钻孔的同样深度处 例如 M N点安置三分量检波器 就可以接收到能量丰富的SV波 这种振源装置携带方便 操作容易 几乎把所有的能量集中在一个轴上 并把大部分能量转换成剪切能量 故能产生丰富的S波分量 主要缺点是可利用能量有限 但如果与信号增强型地震仪或者放大倍数较高的放大器配套使用时能量是足够的 图4 71井下剪切波锤结构简图1一扩张液管 2一收缩液管 3一上部活动质量块 4一活动滑杆 5一井下锤固定部分 6一井下锤扩张板 7一下部活动质量块 图4 71井下剪切波锤结构简图 在岩石及较硬土中进行跨孔法波速测试时 般都采用如图4 71所示的井下剪切波锤 这种装置由一个固定的圆筒体和一个滑动的重锤组成 当把装置放到孔内某一深度处 通过地面的液压装置将四个活塞推出使筒体紧贴井壁 然后向上拉连接在锤顶部的钢丝绳 使活动重锤向上冲击固定筒体 这样筒体与孔壁产生剪切振动 松开钢丝绳 滑动重锤自由下落向下冲击固定圆筒体 同样产生剪切振动 由于振源作用力方向的改变 故接收到的S波初至相位差180度 这对辨别S波的初至是有好处的 一个点测好后 同样通过地面液压装置将四个活塞缩回 再放到另一个深度点 继续进行试验 图4 72记录曲线图 图4 72 岩石中的跨孔法波速试验 有时也用爆炸震源 但地面简单的爆炸几乎不会产生真的剪切波 这时波的组合是复杂的 比较难于解释 有时可采用定向爆破源 如把炸药放在小槽一侧的金属板上 有时也有好的效果 过多的炸药量将会引起在所有方向产生波的弹性变形 故一般采用小炸药爆炸 在锤子重量不能满足的远距离测量范围内 以及波至时间长得足以使波能从波的序列上分开时 可用爆炸震源 此外 国外还介绍了几种旋转振源和连续振动器 但这种设备不太方便 国内还没有单位使用 我国水利水电科学研究院抗震研究所 曾在某地第四系进行跨孔波速测试时 作过两种振源效果的对比 结果认为爆炸振源的P波干扰较大 难以辨出S波的初至 故建议采取机械振源 2 接收器 放大器和记录仪 两种振源 无论是哪一种振源都会产生复合波 进行跨孔波速试验时 要求既能看到竖向分量的记录 又能看到两个水平分量的记录 便广更好地判断 所以一股都采用三分量检波器检测波的到达 这种三分量检波器是由三个申个检波器按相互垂直 即X Y Z 的方向 固定并密封在无磁性的圆形筒内 将三分量检波器放到孔内时 一个垂直检波器平行于钻孔轴线 另外两个检波器垂直于钻孔轴线 在试验点用气囊装置将三分量检波器的外壳对着孔壁压紧 我国目前使用的检波器的自振频率为27Hz颇率 响应可达几百Hz 而一般机械振源产生的S波频率约70一130Hz 由于检波器本身的自振频率高 方向性不太敏感 所以 三分量检波器在井下一般不定向 即在任何方向都能接收到S波和P波 记录设备主要采用多道工程地震仪 特别是信号增强型工程地震仪 能把微振动信号存储在数字存储器内 存储器的存储信息在示波器上显示 当锤击重复时 续至的信号在数字存储器内相加 随机背景噪音信号趋于抵消 有用的信号不断增强 这样可用较小的振源能量测试较远的距离 同时 该类仪器备有极性反向开关 便于在现场直接分辨P波和S波 另外还有一些国产测桩仪器也都具有波速测试的功能 使用国产仪器经济 订购和修理都比较方便 4 测试方法 目前主要分两类 1 一次成孔测试法该法的主要特点是 将跨孔地震波速测试所需要的钻孔按照预定的设计深度一次成孔 然后将内径为80一85的塑料套管下到距孔底还剩2m左右的深度 接着向套管与孔壁之间的环形空隙灌浆 一直灌到孔口 待灌浆凝固 一般要一个星期 使套管壁与周围土层紧密接触和良好藕合才能进行测试 测试时首先把边缘一个孔作为振源孔 把井下剪切波锤放到试验深度 然后撑开液压装置 将井下锤紧紧固定在这个位置 同时在另外几个钻孔中同一标高处放入三分量检波器 立即进行充气 将三分量检波器固定在这个位置 然后向上拉连接在井下剪切波锤的钢丝绳 重锤撞击圆筒体 产生振动 放在几个孔中的三分量检波器就可检测到S波 在这种现场测试方法中 有时一次钻好放置接收器的几个钻孔 并下好套管 作为振源的孔 可一边钻进一边测试 这种方法主要是利用标准贯入试验装置作振源时采用 分段钻进 分段试验方法该方法主要用于深度不太大的第四纪土层中的跨孔波速测试 采用这种方法主要是为了减少下套管和灌浆等复杂技术 同时也可排除测试中合等问题 一般采用三台钻机同时钻进 为了降低由于应力解除和挤压造成的孔壁扰动 常采用泥浆钻进 当钻孔钻到预定深度后 测点距一般为l一2m 将钻具提出 把开瓣式取土器送到预定深度 先打入土内30cm 再把三分量检波器放入另外两个钻孔的同一标高处 并与土体紧密接触 但要求钻具提出后 孔底的残余土不能大于10cm厚 然后用重锤敲击 使取土器外壳与土体作近似摩擦剪切运动 产生剪切分量 三分量检波器会检测到清晰的剪切波初至 当认为记录满意后 将重锤反复敲出 则可收到初至相位差180的剪切波 5 钻孔垂直度的测量 设计跨孔波速试验的钻孔时 钻孔的深度大于15m 必须对钻孔进行倾斜度测量 特别是放置接收器的钻孔 测斜仪不仅要能测量出每个钻孔的倾斜度 而且要能测出钻孔倾斜的方位 还要具有能测顶角的功能 其测斜范围为0一30度 精度为土0 1度 同时 仪器还应具有能测量0一359度方位的能力 并具有土1度的灵敏度 特别是要求当钻孔的顶角倾斜度低于1度时 测斜仪也要能测出钻孔的倾斜方位 其精度应达到土3度 用这样的仪器获得的数据 对于一个120m深的钻孔 孔间的实际距离的计算精度大约可达到土25cm 另外 测斜点应与测试点相同 然后根据该点的测斜数据 用作图或计算的方法 计算出该深度处钻孔间的水平距离 用这个水平距离除以剪切波的到达时间 可得到该深度处土层的真剪切波速度值 6 振源起始信号 振源振动的起始信号可用两种办法来获得 一是可将一只检波器固定在冲击杆上 当锤击冲击杆 则起始信号由此检波器接收并将其传送到示波器上 二是可采用电容电路 并将它联接到铁锤和冲击杆上 当铁锤击到冲击杆上 则一方面往孔下送振动 另一方面就送出计时起点信号 4 资料整理 三 表面波法波速测试 表面波法又称稳态振动法 瑞利波法 按照振动和波动理论 如果在地表面有一个振源 其振动是一个频率稳定的正弦振动 这时振动能量大部分以瑞利波的形式向四周传播 在面波传播方向上安放拾振器 就可接收到瑞利波的垂直分量 由于振源产生的是正弦振动 因此 地表面在振动中任一时刻的位移可用图4 9 19的正弦曲线来表示 任何两个相邻的峰或谷的距离等于瑞利波的波长LR 如果改变振源的振动频率 波长LR也将随之发生变化 1 基本原理 图4 73面波测试基本原理示意 表面波法波速测试 表面波法波速测试 表面波法波速测试 表面波法波速测试 表面波法波速测试 表面波法波速测试 表面波法波速测试 图4 75波数 距离图 四 反射波法 南京地铁NDP1 大桥南路高架桥 五 波速在工程中的应用 1 岩土地基动力参数计算 2 场地土类型和场地类别 1 地震区建筑场地的选择 地震区选择建筑场地时 应按下面的条件划分对建筑抗震有利 不利和危险的地段 1 有利地段 坚硬或开阔平坦 密实均匀的中硬土等 2 不利地段 软弱土 液化土 条状突出的山嘴 高耸孤立的山丘 非岩质的陡坡 河岸和边坡边缘 平面分布上成因 岩性 状态明显不均匀的土层 如故河道 松散断层破碎带 暗藏的塘 浜 沟谷及半填半挖地基 等 3 危险地段 地震时可能产生滑坡 崩塌 地陷 地裂 泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位 其它地段可视为可进行建设的一般地段 2 场地土类型划分 场地土类型 当为单一土层时 土的类型即为场地土类型 当为多层土时 场地土类型可根据地面下20m且不深于场地复盖层厚度范围内各土层类型和厚度综合评定 见表6 20 1 复盖层厚度建筑场地覆盖层厚度的确定 应符合下列要求 1 一般情况下 应按地面至剪切波速大于500m s的土层顶面的距离确定 2 当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2 5倍的土层 且其下卧岩土的剪切波速均不小于400m s时 可按地面至该土层顶面的距离确定 3 剪切波速大于500m s的孤石 透镜体 应视同周围土场地复盖层厚度 应按地面至剪切波速大于500m s的土层或坚硬土顶面的距离确定 4 土层中的火山岩硬夹层 应视为刚体 其厚度应从覆盖土层中扣除 3 建筑场地类别划分 土层的等效剪切波速 应按下列公式计算 土层剪切波速的测量要求 1 在场地初步勘察阶段 对大面积的同一工程地质单元 测量土层剪切波速的钻孔数量 应为控制性钻孔数量的1 3一l 5 山间河谷地区可适量减少 但不宜少于3个 2 在场地详细勘察阶段 对单幢建筑 测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个 数据变化较大时 可适量增加 对小区中处于同一地质单元的密集高层建筑群 测量土层剪切波速的钻孔数量可适量减少 但每幢高层建筑下不得少于一个 3 对丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过