巖土工程原位測試技術 剪切波波速試驗 簡介

試驗設備和方法 基本測試原理 試驗成果的整理分析 試驗成果的應用 討 論 內 容 2 5.1 試驗設備和方法 一、試驗設備 試驗設備一般包含激振系統、信號接收系統（傳感器）和信 號處理系統。 測試方法不同，使用的儀器設備也各不相同。 二、測試方法 由于土中的縱波速度受到含水量的影響，不能真實地反映土 的動力特性，故通常測試土中的剪切波速，測試的方法有單孔法 （檢層法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。 3 1. 單孔法 單孔法是在一個鉆 孔中分土層進行檢測， 故又稱檢層法，因為只 需一個鉆孔 ，方法簡便 ， 在實測中用得較多，但 精度低于跨孔法。單孔 法的現場測試情況如圖51所示。 4 對準備工作的要求： （1）鉆孔時應注意保持井孔垂直，并宜用泥漿護壁或下套 管，套管壁與孔壁應緊密接觸； （2）當剪切波振源采用錘擊上壓重物的木板時，木板的長 向中垂線應對準測試孔中心，孔口與木板的距離宜為1~3m；板 上所壓重物宜大于400kg；木板與地面應緊密接觸； （3）當壓縮波振源采用錘擊金屬板時，金屬板距孔口的距 離宜為1~3m； （4）應檢查三分量檢波器各道的一致性和絕緣性。 測試工作要求： （1）測試時，應根據工程情況及地質分層，每隔1~3m布 置一個測點，并宜自下而上按預定深度進行測試； （2）剪切波測試時，傳感器應設置在測試孔內預定深度處 并予以固定；沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相 反的兩組剪切波波形； 5 （3）壓縮波測試時，可錘擊金屬板，當激振能量不足時，可 采用落錘或爆炸產生壓縮波。 測試工作結束后，應選擇部分測點作重復觀測，其數量不應 少于測點總數的10%。 2. 跨孔法 跨孔法有雙孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得較多。跨孔 法測試精度高，可以達到較深的測試深度，因而應用也比較普遍， 但該法成本高，操作也比較復雜。三孔法是在測試場地上鉆三個具 有一定間隔的測試孔，選擇其中的一個孔為振源孔，另外兩個相鄰 的鉆孔內放置接收檢波器，如圖5-2。 6 激振控 制器 記錄儀 7 跨孔法的測試場地宜平坦，測試孔宜布置在一條直線上。測試 孔的間距在土層中宜取2~5m，在巖層中宜取8~15m；測試時，應 根據工程情況及地質分層，沿深度方向每隔1~2m布置一個測點。 鉆孔時應注意保持井孔垂直，并宜用泥漿護壁或下套管，套管 壁與孔壁應緊密接觸。測試時，振源與接收孔內的傳感器應設置在 同一水平面。 現場測試方法： （1）當振源采用剪切波錘時，宜采用一次成孔法； （2）當振源采用標準貫入試驗裝置時，宜采用分段測試法。 當測試深度大于15m時，必須對所有測試孔進行傾斜度及傾斜 方位的測試；測點間距不應大于1m。 當采用一次成孔法測試時，測試工作結束后，應選擇部分測點 作重復觀測，其數量不應少于測點總數的10%；也可采用振源孔和 接收孔互換的方法進行復測。 8 9 10 3. 面波法 瑞利波是在介質表面傳播的波，其能量從介質表面以指數規律 沿深度衰減，大部份在一個波長的厚度內通過，因此在地表測得的 面波波速反映了該深度范圍內土的性質，而用不同的測試頻率就可 以獲得不同深度土層的動參數。 面波法有兩類測試方式，一是從頻率域特性出發，通過變化激 振頻率進行量測稱為穩態法；另一種從時間域特性出發，瞬態激發 采集寬頻面波，這種方法操作容易，但是資料處理復雜。本章僅介 紹穩態法。 穩態法是利用穩態振源在地表施加一個頻率為f的強迫振動， 其能量以地震波的形式向周圍擴散，這樣在振源的周圍將產生一個 隨時間變化的正弦波振動。通過設置在地面上的兩個檢波器A和B 檢出輸入波的波峰之間的時間差，便可算出瑞利波速度VR。 11 測試設備由激振系統和拾振系統組成。 激振系統一般多采用電磁式激振器。系統工作時由信號發生器 輸出一定頻率的電信號，經功率放大器放大后輸入電磁激振器線圈， 使其產生一定頻率的振動。 拾振系統由檢波器、放大器、雙線示波儀及計算機四部份組成。 檢波器接收振動信號，經放大器放大，由雙線示波儀顯示并被記錄。 整個過程由計算機操作控制。 面波法不需要鉆孔，不破壞地表結構物，成本低而效率高，是 一種很有前途的測試方法。 測試工作可按下述方法進行： （1）激振設備宜采用機械式或電磁式激振器； （2）在振源的同一側放置兩臺間距為?l 的豎向傳感器，接收 由振源產生的瑞利波信號； 12 （3）改變激振頻率，測試不同深度處土層的瑞利波波速； （4）電磁式激振設備可采用單一正弦波信號或合成正弦波信 號。 因為瑞利波在半無限空間中是在一個波長范圍內傳播的。低頻 激振時，波長變長，可測出深層瑞利波速度。由低向高逐漸改變激 振頻率，波長由長變短，探測深度由深變淺，從而得出不同深度的 彈性常數。 測試過程中要注意如下幾點： （1）A、B檢波器的距離一定要小于1個波長的距離。這是因 為，如果設置的距離過大，就可能會出現相位差的誤判。但檢波器 間的間距又不應太小，否則會影響相位差的計算精度； （2）為提高確定相位差的精度，應盡量選取小的采樣間隔； （3）為保證波峰的可靠對比和壓制干擾波，需要時可將正弦 激振波加以調制； 13 （4）根據實際情況調整頻率變化速率（步長），一般儀器中 都設置了 頻率自動降低設備，可以任意選擇，但步長太小，作業時 間長；步長太大，又會影響觀測精度。 14 5.2 基本測試原理 彈性波速法以彈性理論為依據，通過對巖土體中彈性波 （速度、振幅、頻率等）的測量，提出巖土體的動力參數并評 價巖土體的工程性質。 一般而言，介質的質量密度越高、結構越均勻、彈性模量 越大，則彈性波在該介質中的傳播速度也越高，同時我們又知 道該介質的力學特性也越好。故彈性波的傳播速度在通常的情 況下能反映材料的力學和工程性質。 根據彈性理論，當介質受到動荷載的作用時將引起介質的 動應變，并以縱波、橫波和面波等形式從振源向外傳播。當動 應力不超過介質的彈性界所產生的波稱為彈性波。巖土體 在一定條件下可視為彈性體，依據牛頓定律可導出彈性波在無 限均質體中的運動方程。相應的波速為： 15 vP ? E (1 ? ? ) ? (1 ? ? )(1 ? 2? ) （5-1） （5-2） vs ? E 2 ? (1 ? ? ) E? (1 ? ? )(1 ? 2? ) E 2(1 ? ? ) 引入拉梅常數?、M， ?? （5-3） （5-4） M ? （5-1）和（5-2）可以寫為下列簡潔的形式： vP ? ? ? 2M ? M （5-5） （5-6） 16 vs ? ? 如果測試出了巖土體中的彈性波波速，可以由上列公式推出巖 土體的動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和動泊桑比? 如下： Ed ? 2 vP (1 ? ? )(1 ? 2? ) ? 1 ?? 2 kPa （5-7） Gd ? ?vs kPa （5-8） （5-9） m2 ? 2 ?? 2(m 2 ? 1) 式中 m——波速比，m=vP/vs。 17 5.3 試驗成果的整理分析 1. 單孔法 確定壓縮波或剪切波從振源到達測點的時間時，應符合下 列規定： （1）確定壓縮波的時間，應采用豎向傳感器記錄的波形； （2）確定剪切波的時間，應采用水平傳感器記錄的波形。 由于三分量檢波器中有兩個水平檢波器，可得到兩張水平分量 記錄，應選接收的記錄進行整理。 壓縮波或剪切波從振源到達測點的時間，應按下列公式進 行斜距校正： T=KTL K? H ? H0 L2 ? ( H ? H 0 ) 2 （5-10） （5-11） 18 時距曲線圖的繪制，應以深度H為縱坐標，時間T為橫坐標。 波速層的劃分，應結合地質情況，按時距曲線上具有不同斜率 的折線段確定。每一波速層的壓縮波波速或剪切波波速，應按 下式計算： v? ?H ?T （5-12） 2. 跨孔法 確定壓縮波或剪切波從振源到達測點的時間時，應符合下 列規定： （1）確定壓縮波的時間，應采用豎向傳感器記錄的波形； （2）確定剪切波的時間，應采用水平傳感器記錄的波形。 由振源到達每個測點的距離，應按測斜數據進行計算。每 個測試深度的壓縮波波速及剪切波波速，應按下列公式計算 19 20 vP ? ?S TP 2 ? TP1 （5-13） vs ? ?S Ts 2 ? Ts1 （5-14） （5-15） ?S=S2-S1 3. 面波法 瑞利波波速應按下式計算： VR ? 2?f?L Φ （5-16） 地基的動剪變模量和動彈性模量，應按下列公式計算： Gd ? ?Vs2 Ed ? 2(1 ? ? ) ?Vs2 （5-17） （5-18） 21 Vs ? VR ?s （5-19） （5-20） ?s ? 0.87 ? 1.12? 1 ?? 22 5.4 試驗成果的工程應用 根據巖土體中的彈性波波速，可以判定場地土的物理力學 性質和地基承載力，評價場地土的液化可能性，計算場地土的 周期，檢測地基處理的效果。 23 討 2．何為有效錘擊能量？ 論 1．理解動力觸探試驗的工作機理。 3．動力觸探有那幾種類型？各適用于什么樣的土層？標貫適用 于什么樣的地層條件？ 4．用動力觸探和標準貫入為何能估計地基土的物理力學參數和 地基承載力？ 5．動力觸探和標準貫入存在超前和滯后效應嗎？為何會產生此 種效應？ 6．動力觸探的一般測試過程如何？怎樣繪制動探的擊數~深度 關系曲線？ 7．為什么說動力觸探是比較粗略的原位測試手段？ 8．怎樣根據擊數~深度關系曲線進行土層劃分？土層劃分后如 何用平均法求各土層的測試參數？ 24 9．工程中常用哪幾種波速法？ 10．單孔法、跨孔法和面波法各自采用什么方式激振？ 11．波速法可以測試地基土的哪些動參數？ 12．波速法為何能劃分土層的物理力學參數并檢測地基處理的 效果？