岩土工程原位测试技术   剪切波波速试验 简介

试验设备和方法 基本测试原理 试验成果的整理分析 试验成果的应用 讨 论 内 容 2 5.1 试验设备和方法 一、试验设备 试验设备一般包含激振系统、信号接收系统（传感器）和信 号处理系统。 测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。 二、测试方法 由于土中的纵波速度受到含水量的影响，不能真实地反映土 的动力特性，故通常测试土中的剪切波速，测试的方法有单孔法 （检层法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。 3 1. 单孔法 单孔法是在一个钻 孔中分土层进行检测， 故又称检层法，因为只 需一个钻孔 ，方法简便 ， 在实测中用得较多，但 精度低于跨孔法。单孔 法的现场测试情况如图51所示。 4 对准备工作的要求： （1）钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套 管，套管壁与孔壁应紧密接触； （2）当剪切波振源采用锤击上压重物的木板时，木板的长 向中垂线应对准测试孔中心，孔口与木板的距离宜为1~3m；板 上所压重物宜大于400kg；木板与地面应紧密接触； （3）当压缩波振源采用锤击金属板时，金属板距孔口的距 离宜为1~3m； （4）应检查三分量检波器各道的一致性和绝缘性。 测试工作要求： （1）测试时，应根据工程情况及地质分层，每隔1~3m布 置一个测点，并宜自下而上按预定深度进行测试； （2）剪切波测试时，传感器应设置在测试孔内预定深度处 并予以固定；沿木板纵轴方向分别打击其两端，可记录极性相 反的两组剪切波波形； 5 （3）压缩波测试时，可锤击金属板，当激振能量不足时，可 采用落锤或爆炸产生压缩波。 测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应 少于测点总数的10%。 2. 跨孔法 跨孔法有双孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得较多。跨孔 法测试精度高，可以达到较深的测试深度，因而应用也比较普遍， 但该法成本高，操作也比较复杂。三孔法是在测试场地上钻三个具 有一定间隔的测试孔，选择其中的一个孔为振源孔，另外两个相邻 的钻孔内放置接收检波器，如图5-2。 6 激振控 制器 记录仪 7 跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。测试 孔的间距在土层中宜取2~5m，在岩层中宜取8~15m；测试时，应 根据工程情况及地质分层，沿深度方向每隔1~2m布置一个测点。 钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套管，套管 壁与孔壁应紧密接触。测试时，振源与接收孔内的传感器应设置在 同一水平面。 现场测试方法： （1）当振源采用剪切波锤时，宜采用一次成孔法； （2）当振源采用标准贯入试验装置时，宜采用分段测试法。 当测试深度大于15m时，必须对所有测试孔进行倾斜度及倾斜 方位的测试；测点间距不应大于1m。 当采用一次成孔法测试时，测试工作结束后，应选择部分测点 作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%；也可采用振源孔和 接收孔互换的方法进行复测。 8 9 10 3. 面波法 瑞利波是在介质表面传播的波，其能量从介质表面以指数规律 沿深度衰减，大部份在一个波长的厚度内通过，因此在地表测得的 面波波速反映了该深度范围内土的性质，而用不同的测试频率就可 以获得不同深度土层的动参数。 面波法有两类测试方式，一是从频率域特性出发，通过变化激 振频率进行量测称为稳态法；另一种从时间域特性出发，瞬态激发 采集宽频面波，这种方法操作容易，但是资料处理复杂。本章仅介 绍稳态法。 稳态法是利用稳态振源在地表施加一个频率为f的强迫振动， 其能量以地震波的形式向周围扩散，这样在振源的周围将产生一个 随时间变化的正弦波振动。通过设置在地面上的两个检波器A和B 检出输入波的波峰之间的时间差，便可算出瑞利波速度VR。 11 测试设备由激振系统和拾振系统组成。 激振系统一般多采用电磁式激振器。系统工作时由信号发生器 输出一定频率的电信号，经功率放大器放大后输入电磁激振器线圈， 使其产生一定频率的振动。 拾振系统由检波器、放大器、双线示波仪及计算机四部份组成。 检波器接收振动信号，经放大器放大，由双线示波仪显示并被记录。 整个过程由计算机操作控制。 面波法不需要钻孔，不破坏地表结构物，成本低而效率高，是 一种很有前途的测试方法。 测试工作可按下述方法进行： （1）激振设备宜采用机械式或电磁式激振器； （2）在振源的同一侧放置两台间距为?l 的竖向传感器，接收 由振源产生的瑞利波信号； 12 （3）改变激振频率，测试不同深度处土层的瑞利波波速； （4）电磁式激振设备可采用单一正弦波信号或合成正弦波信 号。 因为瑞利波在半无限空间中是在一个波长范围内传播的。低频 激振时，波长变长，可测出深层瑞利波速度。由低向高逐渐改变激 振频率，波长由长变短，探测深度由深变浅，从而得出不同深度的 弹性常数。 测试过程中要注意如下几点： （1）A、B检波器的距离一定要小于1个波长的距离。这是因 为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器 间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度； （2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔； （3）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦 激振波加以调制； 13 （4）根据实际情况调整频率变化速率（步长），一般仪器中 都设置了 频率自动降低设备，可以任意选择，但步长太小，作业时 间长；步长太大，又会影响观测精度。 14 5.2 基本测试原理 弹性波速法以弹性理论为依据，通过对岩土体中弹性波 （速度、振幅、频率等）的测量，提出岩土体的动力参数并评 价岩土体的工程性质。 一般而言，介质的质量密度越高、结构越均匀、弹性模量 越大，则弹性波在该介质中的传播速度也越高，同时我们又知 道该介质的力学特性也越好。故弹性波的传播速度在通常的情 况下能反映材料的力学和工程性质。 根据弹性理论，当介质受到动荷载的作用时将引起介质的 动应变，并以纵波、横波和面波等形式从振源向外传播。当动 应力不超过介质的弹性界限时所产生的波称为弹性波。岩土体 在一定条件下可视为弹性体，依据牛顿定律可导出弹性波在无 限均质体中的运动方程。相应的波速为： 15 vP ? E (1 ? ? ) ? (1 ? ? )(1 ? 2? ) （5-1） （5-2） vs ? E 2 ? (1 ? ? ) E? (1 ? ? )(1 ? 2? ) E 2(1 ? ? ) 引入拉梅常数?、M， ?? （5-3） （5-4） M ? （5-1）和（5-2）可以写为下列简洁的形式： vP ? ? ? 2M ? M （5-5） （5-6） 16 vs ? ? 如果测试出了岩土体中的弹性波波速，可以由上列公式推出岩 土体的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和动泊桑比? 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 试验成果的整理分析 1. 单孔法 确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下 列规定： （1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； （2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。 由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量 记录，应选最佳接收的记录进行整理。 压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进 行斜距校正： T=KTL K? H ? H0 L2 ? ( H ? H 0 ) 2 （5-10） （5-11） 18 时距曲线图的绘制，应以深度H为纵坐标，时间T为横坐标。 波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率 的折线段确定。每一波速层的压缩波波速或剪切波波速，应按 下式计算： v? ?H ?T （5-12） 2. 跨孔法 确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下 列规定： （1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； （2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。 由振源到达每个测点的距离，应按测斜数据进行计算。每 个测试深度的压缩波波速及剪切波波速，应按下列公式计算 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 瑞利波波速应按下式计算： VR ? 2?f?L Φ （5-16） 地基的动剪变模量和动弹性模量，应按下列公式计算： 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 试验成果的工程应用 根据岩土体中的弹性波波速，可以判定场地土的物理力学 性质和地基承载力，评价场地土的液化可能性，计算场地土的 卓越周期，检测地基处理的效果。 23 讨 2．何为有效锤击能量？ 论 1．理解动力触探试验的工作机理。 3．动力触探有那几种类型？各适用于什么样的土层？标贯适用 于什么样的地层条件？ 4．用动力触探和标准贯入为何能估计地基土的物理力学参数和 地基承载力？ 5．动力触探和标准贯入存在超前和滞后效应吗？为何会产生此 种效应？ 6．动力触探的一般测试过程如何？怎样绘制动探的击数~深度 关系曲线？ 7．为什么说动力触探是比较粗略的原位测试手段？ 8．怎样根据击数~深度关系曲线进行土层划分？土层划分后如 何用平均法求各土层的测试参数？ 24 9．工程中常用哪几种波速法？ 10．单孔法、跨孔法和面波法各自采用什么方式激振？ 11．波速法可以测试地基土的哪些动参数？ 12．波速法为何能划分土层的物理力学参数并检测地基处理的 效果？