剪切波波速測(cè)試中的常遇到的問題

武漢建巖科技有限公司

一、 儀器設(shè)備怎么選擇

剪切波波速測(cè)試儀又稱（波速儀），用來作橫波波速測(cè)試，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行論評(píng)。儀器可以選用3通道以上的振動(dòng)測(cè)試儀器，測(cè)試根據(jù)測(cè)試規(guī)范要求，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)至少為12位，同時(shí)為了保持三個(gè)通道相位一致性，要求三個(gè)通道的數(shù)據(jù)要同時(shí)采集并模數(shù)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在有的廠家為了追求成本，使用單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合模擬開關(guān)，對(duì)三個(gè)通道輪流采樣，假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為t，則三個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3t，每個(gè)通道的相位差為ωt，如果一個(gè)數(shù)據(jù)的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為t，則根據(jù)采樣定理，采樣間隔最小為6t，武漢建巖科技有限公司生產(chǎn)的BR-WST剪切波速測(cè)試儀采用三通道并行數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)采集三個(gè)通道的振動(dòng)數(shù)據(jù)，有效的解決了相位差問題。

二、 震源與激發(fā)

剪切波震源分為地面激發(fā)與孔內(nèi)激發(fā)兩種。下面我們先來講講的地面激發(fā)方式，孔內(nèi)激發(fā)我們以后再單獨(dú)講解。

剪切波的振動(dòng)方向和波的傳播方向相垂直，所以接收方向的選擇很重要，為了突出剪切波，必須使檢波器的靈敏度方向和波的傳播方向相垂直（也就是和振動(dòng)方向相一致）。另外，剪切波是在壓縮波之后到達(dá)的續(xù)至波，容易受到干擾，因此在測(cè)試中應(yīng)使震源的振動(dòng)具有明顯的方向性，以突出剪切波的信號(hào)。

見的地面激振實(shí)現(xiàn)方式有以下三種：

1、 大錘擊板法：（見圖1）該方法比較方便、實(shí)用。它是將激振木板平放在離孔口1～3m處的地面，木板規(guī)格為：長(zhǎng)度約2.5～3m，寬度不小于40cm,厚度不小于15cm，且兩端宜包上一定厚度的鐵皮或橡膠。木板安裝時(shí)，宜埋入地面一定深度或木板底面直接嵌有一定長(zhǎng)度的鐵腳釘直接插入土中，再在木板上壓以重物（500Kg以上，壓上大卡車雙后輪更好），使木板與地面緊密接觸，除此之外，還可以在木板的四周打入1m以上的Φ22鋼筋以加固木板，以防止敲擊時(shí)木板的滑移。再用鐵錘沿板的縱向分別敲擊板的兩端，木板與地面產(chǎn)生剪切力，使地層產(chǎn)生相應(yīng)方向的剪切波。

試驗(yàn)表明：當(dāng)增加激振木板的荷載時(shí)，剪切波的振幅將隨荷載的增加而近似于線形的增加，但當(dāng)荷載增加到一定的值后，剪切波的振幅就不在增加了。此外，激發(fā)的效果還和敲擊力的大小、木板的幾何形狀以及木板和地面的摩擦系數(shù)等有關(guān)系。

2、彈簧激振法：它是由木板，彈簧、穿心錘等組成．試驗(yàn)前用地腳螺釘將木板固定地面，彈簧一端用地錨固定，試驗(yàn)時(shí)將穿心錘拉到一定距離后、突然放開，利用彈簧的彈力沖擊木板，使板與地面產(chǎn)生剪切力，從而使地層產(chǎn)生剪切波。這種震源裝置使用起來比較麻煩，但穩(wěn)定性，重復(fù)性都較好，激震能量也較大，一般能測(cè)較深鉆孔的波速。

3、定向爆破法：這種裝置類似于筒，將它固定在地面，在炮筒內(nèi)爆炸后炮身的后座力使炮架與地面產(chǎn)生的剪切力，使地面產(chǎn)生剪切波。這種震源對(duì)炮筒內(nèi)藥室的形狀有一定的要求，以使爆炸力有較好的集中性與指向性。激振力的大小可由裝藥量控制，這種震源使用起來也比較麻煩，還存在一定的安全性，需要特別的資質(zhì)，所以一般只在深孔波速測(cè)試時(shí)才使用。

激振最本質(zhì)的作用就是激發(fā)產(chǎn)生剪切波，大錘擊板法和彈簧激振法都能激發(fā)出較好的剪切波，而定向爆破法在產(chǎn)生剪切波的同時(shí)也產(chǎn)生了較大能量的壓縮波，會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生一定的影響。

要產(chǎn)生出剪切波，就要有機(jī)械的剪切動(dòng)作，現(xiàn)在有些儀器設(shè)備使用無(wú)機(jī)械剪切動(dòng)作的設(shè)備，主觀意愿產(chǎn)生出足夠能量的剪切波，我們認(rèn)為這個(gè)從測(cè)試?yán)碚撋暇褪钦静蛔∧_的。產(chǎn)生不了剪切波，就采集不到剪切波信號(hào)，即便是采集到了振動(dòng)信號(hào)，也不是剪切波信號(hào)，對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有任何用處。

三、 信號(hào)的接收

測(cè)試信號(hào)的接收依靠三分量檢波器，也就是我們通俗講的“剪切波井中探頭”，探頭可以接受兩個(gè)水平方向的剪切波信號(hào)（互成90°相位差）和一個(gè)垂直方向的壓縮波信號(hào)。在實(shí)際的測(cè)試過程中，剪切波信號(hào)比壓縮波信號(hào)能量小，傳播速度慢，為了能夠準(zhǔn)確的采集到剪切波信號(hào)，就必須要求探頭和測(cè)孔緊密耦合，現(xiàn)在經(jīng)常使用的探頭，按外型分有氣囊式和彈簧式兩種，這兩種都能緊密的和測(cè)孔耦合，但是氣囊式探頭使用比較繁瑣，它需要每個(gè)測(cè)點(diǎn)打一次氣和放一次氣，也就是說，如果有個(gè)測(cè)孔20米深，需要測(cè)20個(gè)點(diǎn)，則需要打20次氣和放20次氣；彈簧式探頭雖然使用比較方便，當(dāng)要注意塌孔。現(xiàn)在有些廠家生產(chǎn)既沒有氣囊也沒有彈簧的剪切波探頭，通體光滑，他們的理論是：在有孔液的的測(cè)孔中，通過孔液的耦合，探頭也能接收到剪切波信號(hào)。我們對(duì)此持懷疑態(tài)度。，波在液體中比在固體中能量消散更快，通過孔液耦合的方法，能準(zhǔn)確的測(cè)得有效信號(hào)嗎？

四、 波形的判讀和數(shù)據(jù)處理

敲擊板法測(cè)試時(shí)，接收區(qū)產(chǎn)生的壓縮波能量較小，剪切波在波形上能較清晰的出現(xiàn)，如果遇到剪切波不易辨認(rèn)時(shí)，可采用在木板兩端分別敲擊的方法，這時(shí)采集到的兩次剪切波形將呈現(xiàn)相位相反的現(xiàn)象，而壓縮波的相位不變，從而可以容易的區(qū)分剪切波和壓縮波，并判讀出剪切波起跳位置。

壓縮波比剪切波傳播速度快，所以在曲線上反映出來壓縮波先到達(dá)，然后才是剪切波；而且壓縮波振幅小，剪切波振幅大。

剪切波測(cè)試的目的是進(jìn)行場(chǎng)地評(píng)價(jià)，給建筑設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，土體等效剪切波速是從地面到一定測(cè)試深度的土體波速的綜合反映，并不是具體到某個(gè)特定土層的波速，許多用戶在這一點(diǎn)還理解的不是很清楚，往往混淆這兩個(gè)概念。