影响地层剪切波波速的主客观因素分析.doc

影响地层波速的主客观因素分析 地基检测所 陈义军 【摘要】：弹性波在土层中的传播速度是反映土的动力特性的一项重要参数，根据波速测试的实测地层波速，能为抗震设计提供场地土的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析等。本文介绍岩(土)体波速波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于工业与民用建筑、铁路工程、水利水电工程、石油工程、冶金工程等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。 波)在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题，诸如确定场地土类型、建筑场地类别；提供断层破碎带、地层厚度、固结特性和软硬程度、评价岩(土)体质量等；并可计算工程动力学参数，如动剪切模量、动弹性模量等。 P波）和剪切波（S波），剪切波的垂直分量叫SV波，其水平分量称SH波。在地层表面传播的面波可分为瑞雷波(Rayleigh)和拉夫波(Love)，各种波在介质中传播的特征和速度各不相同。 三 波速测试的野外工作方法 纵波波速（VP）测试方法有：反射波法、折射波法、跨孔法和检层法。横波波速测试方法有：面波勘探法检测地层的瑞雷波速度后，推算出地层的剪切波速度；单孔法或跨孔法。在岩土工程勘察中，最常用的测试方法是单孔检层法，下面以单孔检层法为例说明。 （一） 震源设备：震源要求是产生能量较大、稳定性和重复性好。 （1）剪切波震源主要有击板法、弹簧激振法、定向爆破法三种。弹簧激振法、定向爆破法两种震源产生的能量较大，能测试较深的钻孔，而普遍应用的是击板法，它是将长2～3m、宽0.3m、厚0.05m的激振板放在离孔口约1～3m处的地面上，木板与地面接触良好，木板上需压一定量的重物（根据测试深度不同，木板上所压重量也不同。一般测试孔深越大，所压重量也越大），用木锤或铁锤水平敲击木板两端，木板于地面产生剪切力，使地层产生剪切波。 （2） 压缩波震源设备 压缩波震源主要有炸药震源、电火花震源、锤击震源三种。理论上讲，在无限空间中爆炸震源不产生剪切波，因此，炸药震源是很好的压缩波震源，尤其是适合深孔测试波速，但由于炸药和雷管在运输、储存以及使用过程中都要涉及安全问题，在城市勘察中已很少使用。电火花震源的主要优点是发射功率较大、传播距离远、方法简便和激发声波余震短等，其缺点是由于储电电容器等设备复杂笨重、现场需要交流电或发电机。普通电火花震源主要用于产生压缩波，通过用爆炸储能罩改进后，也可以产生丰富的的剪切波。锤击震源是在地面上水平铺上钢板或铜铝合金板，合金板与土紧密接触，通过垂直锤击合金板压缩土体，使土体产生压缩波（纵波）。纵波锤击震源的优点也是简单方便，缺点是能量相对较弱，测试深度相对较小。 （二） 测试仪器：由孔内三分量检波器与地震仪组成。三分量检波器由三个互相垂直的检波器组成（X、Y、Z方向各一个），它们同时安装在一个密封的钢筒内，垂直方向安装的检波器用于接收纵波，两个水平方向的检波器可接收地表传来的横波（SH波）；地震仪需要具有信号增强功能，以便突出有效信号，降低噪声及干扰的影响。目前地震仪的型号较多，我院使用的有美国Bison-1580、重庆产DZQ12－1、长沙产GJY－1系列、北京产SWS－2型等型号仪器，它们均具有信号增强功能，能满足波速测试的要求。 （三） 测试方法：单孔法波速测试现场连接如图1所示： 钻探成孔后，将检波器放至孔底后，自底部向上依地层界面测试，一般用气筒充气固定检波器，使其紧贴孔壁。测试横波时用木锤或铁锤水平敲击木板两端；测试纵波时用铁锤垂直敲击合金板。敲击所产生的剪切波（或压缩波）经地层传播到达测试点，孔中检波器接收到弹性波信号，经电缆送入地震仪进行放大、储存、记录。测试点的间隔根据地层界面情况而定，通常的做法是平均1～2 m 一个测试点，界面处的测试点需重复测试。这种测试方法的好处一是测试时带有深度记号的电缆（或细钢丝绳）不弯曲，保证测试深度的准确性；二是便于追踪波的初至，保证相位不错。 （四） 波速计算：根据压缩波与剪切波的不同振相特征，我们可以在不同地层界面点准确测定压缩波或剪切波的到达时间，准确求出各地层的波速值。 如图2所示，波在地下的传播并非直线而是折线，如果按照折线考虑，计算方法很复杂，当板孔距L较小时，可简化按下式计算： VS＝（H2－H1）/ [t2COS arctg(L/H2) -t1 COS arctg(L/H1)] 式中 H1——测点1的深度，（单位m）； H2——测点2的深度，（单位m）； t1 ——测点1的读时，（单位ms）； t2 ——测点2的读时，（单位ms）。 O L