岩土工程勘察中波速测试技术的应用

杜永兵

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州 510663）

0 引言

波速测试技术作为地质勘探工程当中的重点项目有着较好的应用效果，多用于水利、铁路以及建筑工程项目的岩土勘察当中。借助波速测试技术通过对于压缩波、剪切波等的测定，能够实现对于场地土质类型、承载力等方面的评估和分析，为后续工程项目的实施提供可靠参考，提高工程项目建设质量。因此，加强对于波速测试技术的应用研究和探讨是十分必要的。

1 波速测试技术原理

波速测试的过程中会对固体介质产生一定冲击作用，并由此使介质发生应变，当应力作用消失后，会导致应变与应力之间的平衡被打破，使得应变表现为弹性波，不同的波在介质当中的传播速度和方式存在较大差异，通过对波的分析能够实现对于岩土性质的分析，并为后续岩土工程的设计提供可靠参考[1]。

2 波速测试技术应用方法

2.1 钻孔法

钻孔法主要包括以下两种方式。

（1）单孔法。主要是通过垂直钻孔的方式展开波速测试。主要是通过地面激振，使得介质出现应变，然后再通过孔内的接收装置进行检测。在进行剪切波速测试的过程中，需要在地表安装激发器，然后通过垂直敲击以及两端敲击的方式，使得激发器发出S波（剪切波）和P波（垂直波），以供接收器接收，其中P波的传播速度通常较快，而且随着检测点的加深，P波的振动幅度会逐渐降低，而S波的振幅则会随着孔深的增加逐渐增大，但是频率会有所减小，而且S波的传播速度与P波相比较慢，当激发S波时，P波相位通常不会出现较大变化。常用的接收器为三分量检波器。单孔波速测试的主要优势在于操作简单、便捷，检测效率较高。而且测试结果相对较为准确，相应设备器材的成本也较低。

（2）跨孔法。通过在待测区域内设置3个孔，并将其按照直线排列方式设置在岩土当中，其中孔1负责安装振源激发器，而另外两个孔主要负责接收剪切波。在实际进行检测的过程中，通过对波传播距离、速度以及时间的分析和计算，进一步明确剪切波速，以此完成相应检测。跨孔法检测方式主要被用在地面较为平坦，并且土层分布相对均匀的区域当中。而且跨孔法的检测深度相对较大，能够实现对于软弱夹层的分析。但是与单孔法相比，跨孔法相对较为复杂，对于场地地质有一定要求，而且实际应用成本相对较高。

2.2 表面波测试法

表面波测试法主要是对于瑞雷波的测试分析，在实际应用的过程中，无须进行钻孔处理，就能够实现对于层状介质弹性波速的监测，而且检测过程相对更加便捷，不会对岩土造成影响和破坏。基于不同的振动激发方式，表面波测试法主要可以划分为瞬态振动以及稳态振动两种[2]。

3 波速测试技术在案例中的应用分析

3.1 工程概况

本文以岭澳三期核电项目边坡工程及场地回填岩土工程勘察为例，针对其中波速测试技术的应用要点展开详细探讨。案例项目所在场地位于广东省深圳市大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧，靠山面海，北侧为山地丘陵，西面紧邻岭澳核电站3、4机组，中间有岭澳核电站专用道路和东排洪沟相隔，东南面濒临大亚湾大鹏澳海区，规划建设2台百万千瓦级核电机组，技术路线按融合后的“华龙一号”考虑。但是由于近年来施工影响，厂址区东北侧已经形成了部分人工开挖边坡，东南侧进行了回填（填海），形成了部分人工填方边坡，为确保场地符合工程建设以及施工图设计要求，需要进一步展开岩土工程勘察工作。为获得工程区域地基岩土物理力学特征，采用了单孔波速测试技术。

3.2 测试参数

根据实际勘察目标，单孔波速测试的主要目的是对掩体的动态参数进行检测，主要参数包括压缩波速度、剪切波速度、动弹性模量、动剪切模量和动泊松比等[3]。结合案例工程实际情况，合理进行测点设置，确定探测深度。在弹性波信号传播到地震仪之后，地震仪能够对相应信号进行自动记录和存储，然后对其进行分析处理。此次单孔波速测试孔分别为LB44、LB49、LB58，测试起点深度均为0m，终点深度分别为74m、34.5m以及33m，测试段总长度为141.5m；压缩波测点个数分别为75、36和34，剪切波测点个数分别为150、72和68，总测点个数为435个。

3.3 试验仪器

结合勘测工程实际需求，此次单孔波速测试的主要应用设备为一台StrataView R24数字化信号增强型浅层地震仪，以及一套CJ-2000A型三分量井下探头。其中地震仪是由美国Geometrics公司生产，共有24道地震信道，具备数据采集、实施数字滤波等功能，通频带区间为1.75Hz～20kHz，采样间隔可选范围为从20.0μs到16ms，采样点数可设置在128～32768之间，并具备计算机控制功能。下探头是由南京高旺电子仪器厂生产，每个探头包括X、Y、Z三个分量，振动系统的自然频率为28±1Hz，灵敏度为0.28V/cm/s，线圈直流电阻区间为400～450Ω，在20～200Hz内的相位一致性不超过3°，线圈与外壳之间的绝缘在100MHz以上，检波器之间夹角三个分量互为90°。

在进行检查工作开始前，分别对地震仪以及井下探头进行检查，确保仪器设备性能稳定且处于正常工作状态，能够满足实际检测需求[4]。

3.4 试验步骤

根据实际检测目标和相关标准要求，设定此次测点之间的距离为1m，检测工作自上而下展开，为保障检测结果的准确性以及有效性，每个检测点都需要从垂直方向、水平方向以及水平反向激发三次，并且每次激发都需要接受四道。主要采集的信息为每间隔0.125ms采样一次，并记录长度256ms。

在实际进行波速检测的过程中，为保障检测结果的准确性，需要先对检测场地进行处理，确保检测场地平整、干净，然后进行激发器的安装和设置，通常将激发器设置在距离钻孔1.5m左右的位置，为保障检测效果，还需要对激发器的中垂线进行校正，确保其符合技术应用标准。在进行激发器安置的过程中，为保障设备的稳定性，可在激振板上添加重物，以此保障测试结果的准确性。然后将相应检波器安置在孔内指定检测位置当中，通过梁端敲击以及垂直的方式，获得S波以及P波，由检波器进行接收，再将接收到的弹性波信号传输给到地震仪，由地震仪记录并存储相应数据信息。在实际进行检测的过程中，若发现激振能量较弱，无法满足试验要求时，可结合实际情况通过落锤甚至是爆破的方式激发P波。

3.5 数据处理

在数据采集完毕之后，需要对相应数据进行记录并进行处理。并根据读取的各测点初至时间，计算分层波速，分层波速计算公式如式（1）所示。

式中：V——岩土层层速度，m/s；H2、H1——层底和层顶深度，m；D——激振点中心至测试钻孔孔口中心的水平距离，m；t2、t1——纵波、横波到达层底及层顶的时间。

然后按照层号统计纵波、横波波速，再进行动弹性模量、动剪模量、动泊松比的计算，相应计算公式依次如式（2）、式（3）、式（4）所示。

式中：Gd——动剪模量，kPa；Ed——动弹模量，kPa；υd——动泊松比；Ρ——某岩土层的湿密度平均值，g/cm3；VS——某岩土层的横波波速平均值，m/s；Vp——某岩土层的纵波波速平均值，m/s。

根据上述计算公式以及实际测结果，得到单孔波速纵横波速及动态参数如表1所示。

3.6 测试分析

3.6.1 地层情况

根据案例工程波速测试结果进行分析，勘测区内的土层主要包括岩石、坚硬土或软质岩石、中硬土及中软土四种类型。其中岩石部分主要包括中等风化角岩、微风化角岩、中等风化花岗岩以及微风化花岗岩；坚硬土主要由强风化角岩和强风化花岗岩组成；中硬土主要由人工松散填石、海积稍密卵石、坡残积硬塑粉质黏土及全风化角岩组成；中软土主要包括人工松散填土及稍密中砂等。

表1 单孔波速纵横波速及动态参数统计

3.6.2 场地类型

建筑场地类别情况如下：厂址区丘陵地带（挖方边坡区域）覆盖层相对较薄，经测试等效剪切波速范围为500≥Vse＞250m/s的土层＜5m，建筑场地类别为Ⅰ类。滨海回填区（场地回填区）覆盖层厚度在5～50m之间不等，建筑场地类别为Ⅱ类。

3.6.3 承载力预估

岩土的剪切波速还能够用于估算岩土的承载力，根据上述测得的剪切波速情况，对案例工程区域地层的承载力进行估算。不同剪切波速对应的承载力不同，若硬塑粉质粘土的剪切波速在300～360m/s之间，则其承载力约为24～28t/m2之间；若强风化岩的剪切波速值大于500m/s，那么其承载值则大于40t/m2。实际上，若岩土体的砂砾粒径以及硬度越大，那么其剪切波速也会相对较大，与之相应的岩土的承载能力也会较大，反之砂砾粒径和硬度越小，那么剪切波速和承载力也会相对较小。

3.6.4 液化性质

在实际进行建筑工程施工的过程中，砂土和粉土的特化性质对于整个建筑结构的抗震性能有着直接的影响，因此加强对于土质液化性能的研究是十分有必要的。而剪切波速的测量还能够实现对于土体液化性质的分析和预测，对于建筑工程的设计施工有着重要的参考价值和意义。在进行液化性质分析的过程中，若发现地层液化波速大于剪切波速，那么就说明该区域不会出现液化情况；相反，若液化波速小于剪切波速，就表明存在液化的可能性[5]。根据案例工程实际检测结果，液化性质的分析主要是针对砂土进行的，而场地内砂土涂层主要分布在靠近海岸的区域，在按照0.10g烈度Ⅶ度的地震进行检测之后，发现在场地遭遇烈度Ⅶ度的地震时，场地靠近海岸带附近局部区域将发生轻微砂土液化。

4 结语

综上所述，在实际应用波速测试技术进行岩土工程勘察的过程中，通过对压缩波速度、剪切波速度以及动泊松比的监测和计算分析，能够进一步了解实际地质情况以及岩土物理性质，不仅能够实现对于地层情况的判断、场地类型的辨别，还有助于场地承载力以及液化性质的预估，为后续岩土勘察工作以及建筑工程的设计施工提供参考数据。而且波速检测技术应用起来十分便捷、简单，检测结果具有较高的可靠性，在岩土工程勘察中有着重要的应用价值。相信随着对波速检测技术的深入研究和实践运用，岩土工程勘察作业水平将会得到进一步提升。