现场剪切波速测试误差及其对地震动影响探究

田 伟 新

(陕西省地震局，陕西 西安 710068)

0 引言

在建筑工程中，剪切波速是评价现场岩土体介质的重要参数之一。剪切波速测试结果较直观，可直接反映岩土体的某些特性，同时剪切波速现场测试的操作较便捷，测试反应速度较快，因此利用剪切波速测试来评价现场岩土体介质已被广泛应用于工程施工中。

同时对于地震工程而言，剪切波并非一个孤立的量，剪切波测试的微小误差都会反映在地震动计算结果中。进而影响到工程现场地震安全的评价工作，甚至会对工程施工环境、施工安全性产生影响。

剪切波速作为物理量的一种，其测试结果必然存在相应的误差。这也是长期以来专家学者和工程技术人员对剪切波速测试结果的可靠性保持怀疑态度的主要原因。然而剪切波速测定存在不可避免的误差，为此要采取反复测试、精确计算的方式将剪切波速测试误差予以排除，使其更加接近准确值。

1 现场剪切波速测试的方法

1.1 单孔法

在测试地点钻取垂直测试孔，剪切波振源可采用锤击木板的方式，木板上承重应大于400 kg，木板长向中垂线应与测试孔中心相对应，孔口与木板的距离保持在1 m～3 m左右，木板应与地面直接接触。测试时应根据现场岩土体分布情况，选择合适的间隔距离布置测试点，测试剪切波速时传感器应在测试孔内预定位置固定，沿木板纵轴方向分别打击其两端，可记录极性相反的两组剪切波波形。测试结束后可从所有测试点中随机抽选几个测试孔进行重复观测，通过反复观测的方式来缩小测试误差。

1.2 跨孔法

跨孔法适合观测现场较平坦的地区，测试孔内设置振源并在一条直线上布置两个接收孔。需注意的是，测试孔在土层中的间距应保持在2 m～5 m左右，岩层中应保持在8 m～15 m，测试时每隔1 m～3 m确定一个观测点。若测试深度大于15 m，则应对所有测试孔的倾斜度和倾斜方位进行测定。测试结束后可从所有测试点中随机抽选几个测试孔进行重复观测，通过反复观测的方式来缩小测试误差。

1.3 测速误差产生原因

导致剪切波速测试结果误差的原因可概括为主观因素和客观因素。主观因素主要是指操作人员的技术水平和设备精密程度，此类因素会反映在剪切波速测试结果中，对结果的精度和可靠性产生影响，但此类因素可通过人为干预获得改善。

客观因素主要包括：剪切波穿过地区的岩性、孔隙度以及空隙填充物差异的影响。地质结构是非连续的结构层，剪切波穿过不同的结构速度会发生变化，现场测试时测试孔选择的位置差异、高程差异都会改变剪切波穿过的地层结构，使测试结果发生变化。

2 剪切波速的测试和计算

2.1 剪切波速测试原理

当S波穿过地层时，由于地层构造的非连续特征，在不同的基面会发生不同的反射和折射，并引发偏振现象。当地层构造不同时，反射和折射的情况也会存在差异。如发生偏振的S波的岩石颗粒仅在水平面中运动时，称为SH波。当岩石颗粒在岩波传播方向的竖直平面里运动时，这种S波称为SV波。SH波水平偏振横波。质点在垂直于入射平面的方向上振动的波叫水平偏振横波。SV波垂直偏振横波。质点在入射平面内且与传播方向垂直振动的波叫垂直偏振横波。根据剪切波观测仪器接收到的波形、波速信息判断地质构造的具体情况。

2.2 剪切波速的计算方法

2.2.1斜距校正

利用水平传感器监测并记录剪切波从振源到达观测点的时间，并将收集到的时间数据通过斜距公式进行校正。公式如下：

T=KTL，

其中，T为剪切波从振源到达观测点后通过斜距校正得到的时间数据;TL为剪切波从振源到达观测点的测得时间;K为斜距校正系数;H为观测点深度;H0为振源到观测孔口的高度差，若振源高程低于孔口高程，可为负值;L为剪切波速测定时所用木板中心到观测孔的水平距离。

波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率的折线段确定。

2.2.2剪切波速计算

1)单孔测速法。

在每一个波速层剪切波的波速可参考以下公式进行计算：

其中，V为该波速层剪切波波速;H为波速层厚度(可根据观测结果波形间距离进行判断);T为剪切波穿过波速层的时间差。

2)跨孔法。

振源到达每个观测点的距离，按照测斜数据进行计算。公式如下：

ΔS=S2-S1。

其中，VS为剪切波波速;TS1为第一个观测孔测得剪切波到达时间;TS2为第二个观测孔测得剪切波到达时间;S1为振源到第一个观测孔的水平距离;S2为振源到第二个观测孔的水平距离;ΔS为两个观测点之间的水平距离差。

3 剪切波测试误差对地震动的影响

首先，剪切波测试误差对特定地震波作用下的加速反应谱有明显影响，根据实验结果和理论分析，此类影响主要受到地震波特性的限制。坚硬土和软岩质土对高频成分极为敏感，对低频成分的敏感度较低。在中硬土和中软土场地中，波速随深度增加而衰减，对低频成分极为敏感，但对高频成分敏感度较低。而若下垫面为软弱土，对低频成分的敏感度达到最大值。由于振源输入的震动信号频率成分不同，测得的卓越周期与地震波周期相近，这提示场地内会发生共振效应。

从整体上来说，剪切波速测试误差对地震动的影响主要表现在5个方面：

1)剪切波速测试误差可反映在加速度反应谱中。

2)波速取极小值时，反应谱偏差峰值最高。

3)地震动和模量、阻尼比确定时，反应谱偏差受波速测定误差影响较大。

4)当地震波周期与现场卓越周期相近时，测速时容易引起场地内共振，会增幅剪切波速测试误差的反应谱变化。

5)特定下垫面场地会对特定频率的波形成明显反应，并反映在反应谱中。

其次，几乎在所有岩土层中，剪切波速测试误差的增加均伴随着PGA影响的概率的提高。若均值在0.5倍标准差以内的波速测试误差看做无影响的话，约62%的波速测试误差会对PGA产生影响。随着波速测试误差均值的提高(从0.5向1.0提高)，剪切波速测试误差对PGA的影响概率逐渐提升。但波速测试误差均值达到2.0时，剪切波速测试误差对PGA产生影响的概率达到最高。同时，不同岩土体结构剪切波速测试误差对PGA产生影响的概率无较大差别(均值特定的前提下，均值通过统计学分析，Vs(mean)30次测试结果的算数平均值为均值)。

此外，随着剪切波速测试误差的增加，对反应谱烈度的影响概率逐渐增加。根据相关试验报告和统计结果，若均值在0.5倍标准差以内的波速测试误差看做无影响的话，约62%的波速测试误差会对SI产生影响。随着波速测试误差均值的提高(从0.5向1.0提高)，剪切波速测试误差对SI的影响概率逐渐提升。但波速测试误差均值达到2.0时，剪切波速测试误差对SI产生影响的概率达到最高。剪切波速测试误差对反应谱烈度的影响与对PGA相似。

从整体上来说，剪切波速测试误差对PGA和反应谱烈度的影响具有以下特点：

1)剪切波速测试误差对PGA和SI(SI是什么意思，是不是应该是Sa)均有影响，且随误差增大而增大。

2)剪切波速测试误差对PGA的影响更容易受到场地岩土体结构特性的影响。坚硬土(浅硬场地)高频波成分导致的PGA偏差更大，底层降低、波速降低，对低频成分的敏感性逐渐增加。

3)反应谱峰值烈度与输入的地震动关系较小，主要受剪切波速测试误差影响。

4)标准差在1倍以内时剪切波速测试误差对PGA影响超过10%的概率为38%，对PGA影响超过20%的概率为13.3%，标准差达到2倍时，对PGA影响超过20%的概率可达到39.9%。

5)标准差在1倍以内时剪切波速测试误差对SI影响超过10%的概率为20.7%，对SI影响超过20%的概率为13.3%，标准差达到2倍时，对SI影响超过20%的概率可达到43.4%。