波速測試技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

韋云廣

摘? 要：高速發(fā)展的社會經(jīng)濟，形成了大范圍覆蓋的巖土工程的增多。在當前進行的工程巖土勘察中，普遍運用了地球物理勘探技術(shù)重要分支之一和先進的地震勘探手段之一的波速測試技術(shù)。波速測試技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察中，使在室內(nèi)測試中可能出現(xiàn)的誤差較大的問題能得到有效解決，且能夠在動彈性模量、動剪切模量等工程動力學參數(shù)的計算中進行運用，其技術(shù)的優(yōu)勢明顯和充分的發(fā)揮了出來。文章基于深入分析波速測試的重要性和技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對該技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：波速測試;巖土;工程勘探

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）26-0182-02

Abstract： The rapid development of the social economy has resulted in an increase in large-scale geotechnical engineering coverage. In the current engineering geotechnical survey， the wave velocity testing technology， one of the important branches of geophysical exploration technology and one of the advanced seismic exploration methods， is commonly used. Wave velocity testing technology is used in geotechnical engineering surveys， which can effectively solve the problem of large errors that may occur in indoor testing， and can be used in the calculation of engineering dynamic parameters such as dynamic elastic modulus and dynamic shear modulus. When applied， the advantages of its technology are clearly and fully exerted. Based on the in-depth analysis of the importance of wave velocity testing and technical principles， this paper discusses the application of this technology in geotechnical engineering survey.

Keywords： wave velocity test; geotechnical; engineering exploration

高速發(fā)展的社會經(jīng)濟帶動了國土整治工程的全面鋪開，二十世紀八十年代以來，我國巖土工程項目數(shù)量逐年增加，對勘察技術(shù)的發(fā)展要求也越來越緊迫。作為先進的工程物探技術(shù)之一，波速測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代巖土工程的勘察中。波速測試技術(shù)作為一種重要的檢測和監(jiān)測手段，漸漸受到國內(nèi)外巖土工程界的重視。目前，波速測試技術(shù)已應(yīng)用于鐵路工程、工業(yè)與民用建筑工程、水利水電工程、石油工程、冶金工程等巖土工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域，取得的實際效果十分理想。由于巖石的類型、組成和結(jié)構(gòu)的不同，各層具有不同的物理性質(zhì)，可以通過彈性波速等參數(shù)來反映。鉆孔剪切波速試驗是利用土層的物理特性，通過對不同巖土層的橫波（S波）和壓縮波（P波）之傳播速度的測量，計算動態(tài)參數(shù)、場地優(yōu)期、評價場地地震效應(yīng)、確定場地類型、判斷巖土層的工程性質(zhì)，提供依據(jù)給工程設(shè)計使用。

1 巖土工程勘察的重要性分析

為了使巖土工程設(shè)計中各種地質(zhì)參數(shù)的可靠性和準確性得到保證，巖土工程勘察的重要程度必須在理念上得到澄清。在勘察巖土工程中，測點不合理的布置或缺乏全面的分析，可能會引起許多實際之問題，如因為勘察巖土工程之過程和結(jié)果這類影響因素驅(qū)動，過于保守的基礎(chǔ)設(shè)計方案，或基礎(chǔ)設(shè)計方案的安全性缺失或缺項，工程總成本可能會增加。因此，在勘察巖土工程中，應(yīng)當按照場地條件、結(jié)構(gòu)重要性等因素進行相應(yīng)勘探技術(shù)手段的選擇。然而，在總體預(yù)算的巖土工程中，從占有的比例來看，勘察費用很少。如果能及時獲得滿足基本設(shè)計要求的資料和數(shù)據(jù)，就成為探索者需要直面的重要問題之一。如果選擇了不合理的技術(shù)手段，可能對調(diào)查結(jié)果的確定和準確性造成一定程度的影響。由此可見，在巖土工程項目建設(shè)中，千萬不可忽視勘察工作的重要性，否則會對工程總體設(shè)計方案和施工質(zhì)量產(chǎn)生直接關(guān)系，也將對施工現(xiàn)場的安全和工程的使用產(chǎn)生重大影響。

2 概述波速測試的相關(guān)技術(shù)

2.1 基本的原理

波速測試技術(shù)在巖土工程勘察中的具體應(yīng)用原理：以波速為主要依據(jù)，分析了巖土工程中地基土的物理性質(zhì)，這種勘察方法的技術(shù)在巖土工程勘察中是比較先進的。波速測量技術(shù)有多種，包括：Riley波技術(shù)、橫波技術(shù)和壓縮波技術(shù)等。根據(jù)波速試驗結(jié)果，可以使巖土工程類型的具體分類的完成得到實現(xiàn)。在設(shè)置動力參數(shù)方面，需要詳細分析阻尼、壓縮、剪切剛度等參數(shù)。同時，將波速測試技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察中，可以非常準確地反映地震參數(shù)，如特定的動剪切剛度和阻尼比等。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可以判斷巖土工程土中是否存在液化現(xiàn)象，進而按照試驗結(jié)果判別巖土的周期，從而保證施工現(xiàn)場巖土工程的劃分更加科學合理。波速測試結(jié)果有多種計算方法：如固體介質(zhì)受外力的影響，則會產(chǎn)生固體介質(zhì)之應(yīng)變技能。當消失了這種沖擊力時，平衡關(guān)系不會在外力沖擊與應(yīng)變間形成，彈性波的產(chǎn)生是必然的，并逐漸從固體介質(zhì)轉(zhuǎn)移到周圍位置。彈性波之組成的復(fù)雜性不言而喻，更常見的是：表面波和體積波等。一般情形中，在巖石和土壤表面實現(xiàn)面波傳播，可以細分為瑞雷波和相應(yīng)的拉爾夫波。此外，體積波可細分為壓縮波和相應(yīng)的橫波。在同一固體介質(zhì)中，不同波的傳播模式不同，傳播特性和傳播速度也有差異。在計算波速的過程中，必須根據(jù)具體的波速進行計算。

2.2 具體的測試方法

當前，關(guān)于剪切波速的測試技術(shù)有很多種。

（1）單孔法

在鉆孔中對單孔法進行了測試，測得的波速為地面與測點之間的平均波速。這種方法常用于土層軟、硬度變化較大或土層水平較小的地層。

在測試時，它可以在地面上激振，在孔底接收，亦稱下孔法;也可以激振在孔底，在地面上接收，稱為上孔法;它可以沿孔向上或向下進行測試，而孔底法經(jīng)常用來逐點從底部到頂部進行測試。測試鉆孔應(yīng)盡可能垂直，聲波探頭或三分量探測器應(yīng)放置在預(yù)定的深度位置孔內(nèi)，并靠近孔壁。試驗土層剪切波常用的激發(fā)振源的裝置的木板尺寸為2000×300×50mm。板長方向的垂直線應(yīng)對準試驗孔之中心，距孔口的距離為1-3m，并應(yīng)設(shè)置一個重物其大于400 kg。當板的兩端用錘子水平撞擊時，水平剪切波是由板與地面之間的摩擦產(chǎn)生的。兩組極性相反的剪切波可以通過兩次相反方向的沖擊得到。橫波試驗應(yīng)與土層分布相結(jié)合，建立測點，測點垂直間距為1-3m，層位變化應(yīng)加密，巖體壓縮波被測量時，測點垂直間距為0.2-0.5m，應(yīng)有水在鉆孔內(nèi)。在每個測點位置，應(yīng)多次進行重復(fù)測試。

（2）跨孔法

跨孔法是在現(xiàn)場取兩個平行的鉆孔，將振動源設(shè)置在一個孔的不同深度，并將檢波器放置在另一個鉆孔的對應(yīng)深度處。測量的波速是兩個孔間的地層傳播速度。該方法特別適用于均勻土層，并常用于場地條件的多層地層。

振動源孔與檢測孔應(yīng)平行。當測試孔深度超過15m時，應(yīng)測量各測試孔的傾角和傾斜方位，0.1°的測量精度要保持，以對不同深度的孔距進行準確計算。測試孔的平面布置可以是兩個孔，也可以是多邊形，即一個孔激發(fā)和多孔接收以進行檢核。為了消除振動源裝置和波傳播路徑的影響，每組使用3個鉆孔，布置在一條直線上。鉆孔間距的確定應(yīng)根據(jù)試驗精度、振源容量、土層均勻性等來定?？拙嘣谕翆又羞m合為2-5m，巖層為8-15m。當土層厚且均勻，有較大的振動源能量時，可適當增大間距。布置鉆孔測量點要對地層情況予以考慮。根據(jù)地層分布的等距排列，測點垂直間距為1-2m。為了減少折射波的干擾，應(yīng)在軟、硬土層交界處的硬地層中設(shè)置測點，并在孔板下方孔距的0.4倍處布置地表附近測點的深度。

（3）面波法

穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)法可用于表面波法的測試，穩(wěn)態(tài)法可用于常規(guī)方法。其原理是將一個激振器放置于地表，對地面施加頻率為f的穩(wěn)態(tài)強迫振動，其能量以振動波的形式擴散到半空間。當頻率為常數(shù)時，只要測得波長LR，即可計算波速。該方法不需要鉆孔，適用于均勻、單一地層，但測試深度較淺。當激振頻率為20～30Hz時，測試深度為3-5m。

在測試中，以振動源作為測量線的零點，在振動源的一側(cè)設(shè)置2-3個低頻的檢波器。當激振器在一定頻率下作為穩(wěn)態(tài)激振時，任何檢波器在示波器中被移動到同一相位振動波形，檢波器之間的距離是一個波長。在同一頻率下，將檢波器移至多波長測試，應(yīng)多次重復(fù)測試。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

橫波速度測試技術(shù)主要用于淺層勘探，能保證波速測試結(jié)果的準確性，其測試結(jié)果對解決各種地質(zhì)問題具有輔助作用。因此，它在具體的巖土工程勘察中的應(yīng)用是廣泛的，如具體計算工程動力的參數(shù)和場地土承載力等。所有這些都需要用剪切波速測試技術(shù)來做會更好。此外，該技術(shù)具有測試操作簡單、測試成本低、分辨率高等優(yōu)點。同時，由于各種測試方法的存在，它的作用可以更好的發(fā)揮在建筑、水利、石油冶金等巖土工程中。目前，我國已經(jīng)規(guī)范了剪切波速的測試，明確了對測試方法的要求?？梢哉f，在我國測量巖土工程中，橫波檢測技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

3 具體的應(yīng)用

案例。某閥門公司由于擴大高溫高壓閥門項目的實施需要進行征地190畝（即126667m2），總建筑面積大致為506667m2，需要擬建辦公大樓、金加工車間，油漆包裝車間、熱處理車間、裝配車間、成品庫，原料庫以及物流中心等。本工程勘察的重點是巖體以及土體，主要內(nèi)容涵蓋：巖溶覆蓋層的比厚變化及分布之規(guī)律、特殊地帶的發(fā)育、場地巖土工程的相關(guān)劃分、巖體質(zhì)量單元的具體劃分、土體和水的物理力學性質(zhì)、地基的穩(wěn)定性和承載力、場地和地基的地震條件以及邊坡是否穩(wěn)定。針對地基的某些基礎(chǔ)方案和邊坡支護的具體方案，提出相應(yīng)的措施，并選擇出具有穩(wěn)定性的地基承載層。

具體的測量方法包括：地質(zhì)調(diào)查、鉆探和鉆孔超聲波測速，為了更好地確定具體類型和地點，可在部分鉆孔中，使用CE-9201巖土工程質(zhì)量檢測儀實現(xiàn)具體測試的完成。

為了使巖土的比質(zhì)量、地層的具體動態(tài)彈性參數(shù)和場地覆蓋的比厚度更加準確，有必要在建議的野外地區(qū)對6個鉆孔的橫波進行測試。結(jié)果如下。

在場地劃分過程中，必須參考土房的等效剪切波速和場地覆蓋層的比厚度。該工程場地以雜填土、犁土和黃土為主，厚度約為0-29.10m，平均厚度約9.2m，根據(jù)現(xiàn)場試驗計算結(jié)果，工程中某些橫波的平均值約為176.26m/s，平均波速為177.22m/s，可判斷施工場地土的類型和類別分別為中軟土和Ⅱ型。

總之，巖土工程勘察的一種常用方法就是波速測試。在實際應(yīng)用中，這一技術(shù)以高效率、低成本、方便施工、處理信息速度快等優(yōu)點著稱于世，它能滿足相關(guān)工程對土壤形成條件的評價。測試人員應(yīng)具備基本的理論知識和業(yè)務(wù)能力，合理擇選測試儀器，并在整個測試過程中做好測試和控制工作。準確地計算剪切波速等動力參數(shù)，并對試驗數(shù)據(jù)進行重新解釋，以使巖土工程勘察的準確性得到保證。

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