波速测试技术在岩土工程勘察中的应用

杨振杰

1 引言

剪切波波速是描述土体工程性质的一项重要指标，可反映岩土的动力学特性，为建筑场地类型划分、场地卓越周期计算、地基土液化判断等等提供可靠参考。随着我国工程建设事业的不断发展，不少现行规范对重要的建筑结构明确提出了测试剪切波速度的要求，由此加强波速测试技术的相关研究具有重要意义。

2 剪切波速概述

剪切波属于是弹性波，在不同介质中的传播速度存在差异，由此通过波在岩土体的传播速度研究不同土类性质具有可行性。剪切波速测试基本原理为利用弹性波在介质中传播速度与介质的动剪切模量、动泊松比、动弹性模量等的关系，测定剪切波的传播速度，求出动弹性参数。

随着我国的经济发展，大量的基础设施建设中剪切波速测试均发挥了重要作用，如：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）要求，建筑场地划分需结合场地剪切波速、覆盖层厚度得出；《工程地质手册（第四版）》中列举了剪切波速在工程中的其它运用，包括判断沙土液化、计算场地的卓越周期、抗震设计以及地震危险性分析等。由此可得，工程实践中剪切波速是重要的岩土体参数，也是岩土工程勘察中必须提供的动力学参数。

3 岩土工程勘察中常见的几种波速测试技术

目前在工程实际中测试波速的方法主要有两种：面波法和钻孔法（单孔法、跨孔法），在岩土工程勘察时，可根据实际情况合理选用上述几种方法。

3.1 钻孔法

（1）单孔法

单孔法波速测试方法为地面激振、孔中接收（图1）。测试剪切波速时，激发器产生SH、SV波，接收器主要采用三分量检波器，为保证接收效果，需借助气囊等装置令其紧贴孔壁。

单孔法操作简单、精度较高，同时测试费用较低，因此实际工程测试中主要以单孔法最为常用。

（2）跨孔法

跨孔波速测试方法，需将3个孔排成直线，1个孔内放入振源激发器（不同深度激发振动产生剪切波速），其余2孔负责接收（同一深度传来的）剪切波，根据波传播距离、时间计算剪切波速。

图1 单孔法波速测试示意图

跨孔法适用于场地内钻孔多、地面平坦、土层分布较均匀的场地，测试深度大，可测定测定地层中的软弱夹层的剪切波速值，但是此方法操作相对复杂，对场地条件要求高，测试费用偏高。

3.2 表面波测试法

表面波的测试对象是瑞雷波（R波），因此也称为是瑞雷波测试技术，其是在无需钻孔的情况下测试层状介质的弹性波速，具有无损、快速的特点，无论在初步勘察阶段用于宏观划分力学性质差异明显的地层、构造，或在详细勘察阶段详细描述基岩埋深、填土厚度等的变化趋势的工作中均具有显著优势。

根据振动激发方式的不同，瑞雷波测试技术主要分为瞬态振动法、稳态振动法两种，前者以锤击、爆炸等方式产生一定频率范围的瑞雷波，后者则是激振器发射固定频率的瑞雷波，多道瞬态瑞雷波技术是目前瑞雷波勘探技术发展的趋势，并被广泛应用于岩土工程及其它应用领域中。

4 实例探析波速测试技术在岩土工程勘察中的应用

4.1 工程概况

本文仅以某城区建筑工程项目为例，具体分析了波速测试技术的应用情况。此建筑工程项目为查明地质情况，布置了3个钻孔，开展剪切波速测试，由此判断场地土类型、场地类别，现仅已以ZK1钻孔说明剪切波速测试技术在建筑场地评价中的应用。

4.2 剪切波速测试情况

钻孔ZK1深度18.7m，剪切波速测试结果如表1所示。

图2 剪切波速测试结果表

4.3 测试结果分析

（1）场地土类型判断

场地土类型判断的主要依据是土的刚性，其主要是通过剪切波速Vs表示，由此可参考《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中的表4.1.3进行划分，由此可得：

①深度 0～5.9m 为素填土，剪切波速 Vs＜150m·s-1，软弱土；

②深度5.9～8.2m为粉质黏土，剪切波速Vs为150～250m·s-1，中软土；

③深度8.2～16m为砂岩，剪切波速Vs为500～800m·s-1，坚硬土或软质岩；

④深度 16～18mm 为砂岩，剪切波速 Vs＞800m·s-1，岩石。

（2）场地类别划分

场地类别划分首先需确定覆盖层厚度，其定义为地表面到基岩面的距离，可参考《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）判断：剪切波速Vs＞500m·s-1且下面无明显软弱夹层时，其埋置深度为覆盖层厚度。

结合剪切波速测试结果可得，剪切波速度Vs＞500m·s-1的深度最浅为9m，覆盖层厚度约9m，由此计算得到Vse=138m·s-1，参考《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中的表4.1.6可得该建筑场地类别为II类场地。

5 结语

综上所述，剪切波速是岩土工程勘察的重要指标，运用便捷有效的方法准确测定岩土体的剪切波波速是工程建设的必然要求。目前，我国波速测试技术主要有单孔法、跨孔法、表面波法三种，各有优缺点，应根据工程实际场地条件、勘察需求进行合理选择，确保勘察结果准确，为后续施工作业的顺利实施奠定坚实的基础。

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