声波测试及场地剪切波速测试方法及其应用

黄志芳，邓晓斌

声波测试及场地剪切波速测试方法及其应用

黄志芳1，邓晓斌2

（1.江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌330001；2.江西水利职业学院，江西南昌330013）

声波测试和剪切波速测试是在工程勘察中常见的应用方法，声波测试可以通过获得岩体和岩块的纵波速度求得地层的完整性，从而评价建筑场地类别；而剪切波速是反映土的动力特性的重要参数，根据剪切波速能抗震设计提供场地土的动力参数，从而可以划分建筑场地类别、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。

声波测试；剪切波速测试

1 方法介绍

声波测试是通过测量声波在岩体中传播的速度来反映岩体物理特性。声波在井内流体（耦合介质）、井壁岩层中的传播，属弹性波在弹性介质中的传播过程。由声波仪记录下的声波传播波形、传播速度，从广义声学信号的角度来看，已携带了大量的岩石物理信息，从原理上说，同一种岩性，声波传播速度高，表明岩体的性状好，反之较差。同一种岩性不同的风化带，强风化带岩体声速要低于弱风化带和新鲜基岩的声速。

野外测试采用了武汉沿海研发的非金属超声波探测仪及基桩动测仪。非金属超声波探测仪的测孔分析，即为超声法钻孔孔壁纵波波速测试分析，通过专用一发双收换能器在钻孔中进行测量获得岩体的纵波速度（图1）；而另一参数——岩块的弹性纵波波速，采用对测法，即取钻孔中胶结致密且裂隙不发育的岩芯作为测试岩样，并将岩芯两端修平，然后将平面换然器（平面探头图2）用牙膏或黄油固定在岩芯两端，通过声波仪接收声波沿一定长度岩样传播波动时差及量取的岩样长度可求得岩石的弹性纵波波速。

剪切波速测试是岩土工程勘察项目中最基本的测试项目之一，可确定与波速有关的岩土参数，进行场地类别划分，为场地地震反应分析和动力机器进行动力分析提供地基土动力参数，检验地基处理效果等方面应用的。测试结果用途广泛，可用于计算岩土各类动力参数；计算地基刚度和阻尼比，划分建筑场地抗震类别和安全性评价等。目前主要有单孔法、跨孔法及瑞雷波法，三种方法各有优缺点，目前工程上主要应用单孔法进行剪切波速测试。

剪切波速测试野外工作则采用岩海公司生产的基桩动测仪，通过由三个互相垂直的速度检波器组成的三分量检波器（图2），分别接受来自不同方向的振动，即可分别接收纵波和横波。

2 实际应用野外工作

某场地拟建一火力发电厂，按照规范要求，需对场地工程地质评价和抗震设计提供依据。针对目的任务，分别针对5个典型钻孔进行波速测试及剪切波速测试工作。

图1 一发双收探头

图2 平面探头

声波测试野外工作时程序较简单：首先在需要测试的钻孔中注水，用水或井液作耦合剂；检查仪器、换能器是否能正常工作；然后将探头放入孔底，记下孔深；接好仪器。本次测试工作选用20cm的测点距，每隔20cm测试一次。这步工作测试的是钻孔中心0.4m范围内钻孔孔壁介质的声速，即Vpm。

由于野外进行波速测试时一般为刚打完钻孔，野外取芯试样一般浅部和深部各取一块，尽量胶结致密且裂隙不发育，待带回试验室将两端修整平后及时用平面探头测得岩块纵波速度Vpr。

剪切波速测试野外工作条件要求较复杂：首先要平整场地，放木板，木板上方需压500kg重物或用汽车两前轮压住。接通仪器电源，测试仪器正常后开始试验。横波的激发用铁锤敲击激振板一端，为了确保横波可以清晰辨认，通常要求在木板两端进行正反两次敲击，由于两次敲击的方向不同，横波将呈现相位倒转的现象，而纵波的相位一般不变的，从而可以将纵波和横波区分开来（见图3）。

3 应用分析

武汉岩海非金属超声波测试仪配备了专用的声波测试分析软件，声波测试为其中的测孔分析，根据软件使用说明，将野外获得的数据进行整理，得到每个测点的纵波速度（见图4）。

根据工勘资料，获得各层的平均速度。后期岩块速度Vpr

图3 剪切波速测试原始成果

图4 声波测试成果表

测得后，即可根据公式（1）计算岩体的完整性指数Kv：

式中：Vpm、Vpr——岩体及岩块的弹性波纵波速度（m/s）。根据岩体完整性指数可划分岩体的完整程度。

表1 岩体完整程度分类

剪切波速测试使用的是武汉岩海专门研发的剪切波分析程序，通过该软件可得到测点的横波速度，输入详细的工勘资料，则可得到直观的土层对应的各层波速关系。

图5 剪切波速测试成果图

剪切波速主要用于划分建筑场地类别，而建筑场地类别的划分还与覆盖层厚度有关。根据 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），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，可按地面到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，应视同周围土层。

（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。

Vse为土层等效剪切波速度，其计算公式如下：

上式中：

d0——计算深度（m），取覆盖层厚度和20m二者的较小值；

t——剪切波在地面到计算深度之间的传播时间；

di——计算范围内第i土层的厚度（m）；

Vsi——计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；

n——计算深度范围内土层的分层数。

表2 钻孔等效剪切波速度及覆盖层厚度

本次测试的五个钻孔中，有四个钻孔的地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离均小于20m，则其计算深度按d0取，而ZK214号钻孔其d0厚度大于20m，所以，计算深度取20m。

由此得到的土层剪切波速度Vse根据建筑场地类别判定标准表进行场地类别划分。

表3 建筑场地类别判定标准（m）

根据表3，本次测试的五个钻孔所处地段的建筑场地类别为Ⅱ类。

4 总结

声波测试及剪切波速测试为工程物探人员接触最多的波速测试项目，主要是通过计算岩体的完整性指数Kv值来划分岩体的完整程度以及进行场地类别划分。野外工作中波速测试操作简单，钻孔完后立即测试准确度较高；剪切波速测试对场地要求较高，测试要求较严格，精度相对较低。

P631.81

A

2095-2066（2016）33-0115-02

2016-11-12

黄志芳（1985-），女，物探工程师，硕士研究生，主要从事物探方面工作。