波速测试讲义-2013.6.26

第9章波速测试§5.1波速测试的原理§5.2剪切波现场测试方法§5.3波速测试的软件操作§5.4波速测井的应用第一节波速测试的原理一、基本概念二、声波测试的适用性三、声波测试分类四、声波测试的目的一、基本概念1．声波测试的定义波速测试(WaveVelocityTest)是利用波速确定地基土的物理力学性质或工程指标的现场测试方法；根据弹性波在岩土体内的传播速度，间接测定岩土体在小应变条件下(10-4～10-6)的动弹性模量等参数。波在地基土中的传播速度是地基土在动力荷载作用下所表现出的工程性状之一，也是建(构)筑物抗震设计的主要参数之一。第一节概述2．几组概念的区分1）体波：在弹性体内部传播的波；面波：在弹性体表面或不同介质交界面上传播的波；2）瑞利波：波的质点在包含波传播方向的铅垂平面内振动，质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆，且振幅随深度呈指数函数衰减，传播速度略小于横波。勒夫波：质点在水平面内振动，质点运动轨迹与波传播方向垂直。地震波两种体波地震与地震动根据弹性理论，纵波的传播速度大约为横波的1.67倍，说明纵波的传播速度快，因此也把纵波叫初波，横波叫次波。面波：只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。周期长，振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。面波包括：瑞雷波和洛夫波Love面波传播方向传播方向Rayleigh面波地震预警3）压缩波：当波传播时，如果质点振动方向与波的传播方向一致，称为压缩波；剪切波：当波传播时，如果质点振动方向与波的传播方向相互垂直，称为剪切波；二、声波测试的适用性及分类由于地下水的存在对剪切波波速不产生明显的影响（压缩波影响很大）。所以，通常是测剪切波波速确定土的动力特性。波速测试可以采用单孔法、跨孔法和面波法。三、声波测试的目的地基土的波速测试可以应用于以下目的：（1）划分场地类型，计算场地的基本周期；（2）提供地震反应分析所需的地基土动力参数(动剪切模量、阻尼比、动剪切刚度等)；（3）提供动力机器基础设计所需的地基土动力参数(抗压、抗剪、抗扭刚度及刚度系数、阻尼等)；（4）判断地基土液化的可能性；（5）评价地基土的类别和检验地基加固效果。第二节单孔法一、概述二、基本原理三、仪器设备组成四、试验方法五、资料整理单孔法如图9—1所示。单孔法是在孔口地面设置振源，在唯一的一个钻孔中，在需要探测的深度处放置拾振器，主要检测水平的剪切波(SH波)和压缩波(P波)的波速。第二节单孔法一、概述图9－1单孔法波速测试示意图单孔波速测试：由震源产生压缩波（又称P波）和剪切波（又称SH波），经过土层的传播，由在孔中的三分量检波器接收地震波，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。因为剪切波速具有，能够比较显著的反应介质弹性性质的特点，因此，剪切波速测井被广泛应用到工程勘察和建设的各个方面。1、单孔波速测井的各种要素：测井设备主要有四大部分：1）钻孔：用机械设备打出测试钻孔，在一些特殊地区使用套管护壁（套管必需与孔壁紧密接触）。2）震源部分：采用大锤敲击震源板的两端，震源板上压有500公斤以上重物，并与地面紧密接触，在震源板两端进行正反向激震，激发sH波信号时，通过地层传到测井传感器。3）井中三分量拾震器的探头（传感器、井下摆），把探头下至预定测试的土层位置，利用气囊或压板使探头紧贴井壁，地震信号可通过拾震器的机电转换，把振动变成电讯号，经过电缆传送到地面的测井仪。4）工程测井仪：能够把电讯号记录并保存的数字测井设备。1、钻孔震源木板震源板的长轴方向中心到测井井孔中心的距离4、波速测井仪3、三分量探头2、振源部分1、钻孔（二）下孔法资料整理解释1.根据直达波传播时间和深度计算地层速度2.根据层速度计算弹性模量。现场测量及波速计算简图如3.8.1所示图3.8-1波速计算简图1.对PS测井记录读取弹性波旅行时间tg,2.将tg换算成垂直时间t,并绘制zt垂直时距曲线，如图3.8.2;3.设ti和ti-1为实测的初至时间,zi-1和zi为相应地点的垂直深度,则zi-1与zi之间地层的波速(层速度)vi为22gzttzd11iiiiiiizzzvttt4.将累加,即求t就是波从井口传播到zn深度处所用的时间zn表示深度,从井口到zn深度处波的平均速度1iiiizztv1niitt1nniizz11nininiizzvtt5.以垂直时间为横坐标,以深度为纵坐标绘制垂直时距曲线,用垂直时距曲线的线性段和拐点可对地基分层，计算层速度.6.绘制综合速度图，包括平均速度与垂直时间的关系等图3.8.2下孔法试验实测时距图三、仪器设备组成单孔法测试所需仪器设备一般包括以下两部分：(1)震源：指的是弹性波激发装置。(2)弹性波接收装置：包括检波器、放大器及记录显示器。图9－4震源示意图1．震源人工激发是一种最简单的方法，用得也最普遍。常用的振源激发装置是尺寸为2500mm×300mm×50mm的木板，木板的长度方向中垂线应对准测试孔中心。孔口与木板的距离宜为1～3m，其上放置400kg的重物(图9－4)。当用锤水平敲击木板端部时，木板与地面摩擦而产生水平剪切波。将检波器用扩展装置固定在孔内的不同深度处以接收剪切波。测试应自下而上进行。在每一个试验深度上，应重复试验多次。应该说，激震板越长，剪切波的频率越低；压重越重，剪切波能量越大。2．弹性波接收波速法测试时，无论选择什么样的振源，一般都会产生复合波，这就要求接收器既能记录到竖直振动分量，同时又能记录到两个水平方向的振动分量，以便更好地识别到剪切波到达的时刻。所以，一般采用三分量检波器。三分量检波器是由3个传感器按相互垂直的方向固定并密封在一个无磁性的圆筒内制成的，如图9－5所示。这种检波器自振频率较高，对方向性不敏感，即使埋置倾斜，也能有效的进行波动测试。3．放大器和记录仪目前国内波速测试所采用的记录器主要有SC－1型、SC－16型、SC－18型紫外线感光记录示波器，工作频率范围为0～270Hz。走纸速度可根据波形情况加以调节。四、试验方法1．现场布置在指定测试点打钻孔，垂直度要求与一般的勘探孔一样。离开孔口1～1.5m布置激震装置。如孔内检波器没有在孔壁上固定的装置，则需要钻机协助；否则除非钻孔可能塌孔，在声波测试前可把钻机移走。2．孔内测点布置原则一般应结合土层的实际情况布置测点，测点在垂直方向上的间距宜取1～3m，层位变化处加密。具体布置遵循以下原则：（1）每一土层都应有测点，每个测点宜设在接近每一土层的顶部或底部处，尤其对于薄土层，更不能将测点设在土层的中点。（2）若土层小于1m，可忽略；若大于4m，须增加测点，通常可以每间隔1～2m设置一个测点。（3）测点设置必须考虑土性特点。若土层相对均匀，可考虑等间隔布置；否则，只能根据土层条件按不等间隔布置。3．测试步骤（1）放置检波器。向孔内放置三分量检波器，在预定深度固定于孔壁上，并紧贴孔壁。检波器贴壁的效果将直接影响到信号接收效果。按照检波器贴壁方法的不同，可以将检波器分为充填式、弹跳式和磁吸式等3种。充填壁式是通过检波器上安装的气囊充气膨胀后将检波器固定在钻孔中，缺点是测试时如果不注意充气压力的大小，气囊很容易胀坏，另外也容易被一些坚硬的物体刺破。弹跳式是通过机械弹力将检波器贴在孔壁；而磁吸式则是通过磁力将其吸附在孔壁。我国目前批量生产的充填式检波器有3种，其技术指标见表9－1。表9－1充填式检波器的技术指标第三节试验方法与技术要求（2）布置测点。根据最小测试深度h1，测点间隔dh和测点个数n，可确定各测点的坐标为：hi＝h1＋(i-1)dh(i=1，2，3)（3）激发。一般采用地面激震，距孔口为dx处埋设一厚木板，用大锤分别锤击木板的两端，产生正、反向的剪切波。（4）接收。采用三分量检波器，在钻孔的不同深度hi处分别记录正反向剪切波的波形，检查记录波形的完整性及可判读性。（5）如发现接收仪记录的波形不完整，或无法判读，则须重做，直至正常为止。五、资料整理1．波形鉴别仅讲剪切波达到时间的判断方法。在测试岩土体剪切波速时，波形鉴别的目的是要确定剪切波到达的正确位置。由于外界干扰以及敲击时在激板内产生的压缩波向地下折射，实际得到的波形记录往往是剪切波和压缩波复合在一起的记录，这就给剪切波的鉴别带来了很大困难。但是，我们可以根据剪切波和压缩波的不同特点把它们区分出来。区分的标志是：（1）波速不同。压缩波速度快，剪切波速度慢。因此，压缩波先到达，剪切波后到达。（2）波形特征。压缩波传递的能量小，因此波峰小；剪切波传递的能量大，因此峰值大。（3）频率不一致。当剪切波到达时，波形曲线上会有个突变，以后过渡到剪切波波形。压缩波记录的长度取决于测点深度。测点越深，离开振源越远，压缩波的记录长度就越长。图9－6b)中波形是在离孔口5m深处记录所得，其压缩波记录长度要短得多。如在孔口记录，波形中就不会出现压缩波。当测点深度大于20m或更深时，由于压缩波能量小，衰减较快，一般放大器有时候测不到压缩波波形，记录下来的波形图只有剪切波，这样就更容易鉴别了。图9－6波形图2．资料整理与应用（1）参照以上波形鉴别方法，在波形记录上识别压缩波和剪切波的初至时间。对于单孔法，确定压缩波的时间应当采用垂直向传感器记录的时间，确定剪切波的时间应当采用水平向传感器记录的时间；对于跨孔法，确定压缩波的时间应当采用水平向传感器记录的时间，确定剪切波的时间应当采用垂直向传感器记录的时间。（2）根据波的传播时间，利用公式确定各土层波速。（3）根据各层Vsj、ρj或γj计算剪切模量Gj（j为土层序号）：g为重力加速度，g＝0.00981km/s21i1jsj1-jjii1iisiVhhcosthhV2sjj2sjjjgVVG/（4）计算场地土层平均剪切模量（20m内，但不超过土层覆盖层厚dov）（5）确定场地覆盖层厚度dov（Vsj=500m/s）（6）计算场地土层平均剪切波速Vsm（15m内，但不超过覆盖层厚度dov）（7）计算场地的卓越周期T（覆盖层厚度dov内）jjjhGhGjsjjsmhVhVsjjVh4T（8）计算场地指数1）刚度指数，当30Mpa,当≤30Mpa2）厚度指数，当dov≤80m,当dov80m3）场地指数，当≤500Mpa或dov5m，当500Mpa或dov≤5m31030-G6.6Ge1)(0GGG32ov105-d0.8de)(0ddG3070..G1G31030-G6.6Ge1)(0G（9）液化判别（如果15m内的土层有饱和粉土或砂土）用剪切波波速临界值判别：砂土：粉土：判别准则：若VsjVscr，则可不考虑液化；否则，土层可能液化。ds为砂土层或粉土层中剪切波测试点深度(m)；k为计算系数，按下表取值。表9－2计算系数k（10）波速测试最终成果最终成果以表格和曲线的形式表达出来。2ssscr01d0dkV.2ssscr0133d0dkV.抗震设防烈度7°8°9°饱和砂土92130184饱和粉土426084第三节跨孔法二、仪器设备构成三、试验方法四、资料整理一、基本概念一、基本概念跨孔法，就是利用相隔一定间距的两个平行钻孔，一个孔设置激震器，作为震源，另一个孔放置检波器，接收信号。主要检测竖向剪切波(Sv波)和压缩波(P波)波速。跨孔法的原理仍然是直达波原理。但是其震源产生的剪切波质点振动方向是垂直的，波的传播方向为水平向。第三节跨孔法跨孔法声波测试示意图二、仪器设备构成跨孔法波速测试采用的振源有两种：爆炸振源和机械震源。机械振源一种是井下剪切锤，另一种是用穿心锤敲击取土器。后一种振源装置携带方便，操作简单，缺点是不能进行坚硬密实地层的跨孔法波速测试。井下剪切波锤是一种常用的机械性振源，可用于各类土层。这种装置由一个固定的圆筒体和滑动重锤组成。测