剪下波波速测试

　　剪下波波速测试，採用单孔法、跨孔法或面波法，利用铁球水平撞击木板，用于测定压缩波、剪下波或瑞利波的波速。

　　基本介绍

　　：剪下波波速测试

　　用于测定

　　：压缩波、剪下波或瑞利波的波速

　　：单孔法、跨孔法或面波法

　　：铁球水平撞击木板

　　方法介绍

　　波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波、剪下波或瑞利波的波速，可根据任务要求，採用单孔法、跨孔法或面波法。利用铁球水平撞击木板，使板与地面之间发生运动，产生丰富的剪下波，从而在钻孔内不同高度处分别接收通过土层向下传播的剪下波。因为这种竖向传播的路径接近于天然地层由基岩竖直向上传播的情况，因此对地层反应分析较为有用。

　　波速试验作用：

　　1）划分场地类型

　　2）计算场地基本周期

　　3）提供地震反应分析所需的地基土动力参数

　　4）判别地基土液化可能性

　　5）评价地基处理效果

　　测试前的準备工作应符合下列要求：

　　（1）测试孔应垂直；

　　（2）当剪下波振源採用锤击上压重物的木板时，木板的长向中垂线应对準测试孔中心，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）当压缩波振源採用锤击金属板时，金属板距孔口的距离宜为1～3m.

　　测试工作应符合下列要求：

　　（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）剪下波测试时，感测器应设定在测试孔内预定深度处固定，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下波波形；

　　（3）压缩波测试时，可锤击金属板，当激振能量不足时，可採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複观测，其数量不应少于测点总数的10%。

　　操作原理单孔法

　　测试採用的振源很多，如：爆破、空气压缩枪、弹簧式S波激发装置、火箭筒等等。但在一般的场地剪下

　　测试中最常用的是

　　敲击板激振源

　　敲击板激振源

　　：剪下波的测试设备—敲击板激振源将一块弹性好的木板（木板长约2米，宽约0.4—0.5米，厚约0.1米）受锤击的两头包上铁板，放在平整的地面上，上面压上重物，使木板与地面紧密接触，然后敲击木板两侧，这样木板就给地面一个水平冲击力，激起土层的剪下振动。激发的振动主要为SH波。

　　敲击板激振源：

　　剪下波的测试设备—敲击板激振源在敲击冲量一定的条件下，激发的SH波振幅随木板上重物重量的增大而增大，但超过一定值后影响会有所减少；长板效果比短板好；板与地面的接触条件对激振效果影响较明显，板底钉有钉齿、地面上泼水或水泥浆以增大木板与地面接触的紧密程度可改善激振效果。

　　测试场地宜平坦；测试孔宜设定一个振源和两个接收孔，并布置在一条直线上。

　　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，每隔1～2m布置一个测点。

　　钻孔应垂直，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，振源接收孔内的感测器应设定在同一水平面上。

　　测试工作可採用下列方法：

　　（1）当振源採用剪下波锤时，宜採用一次成孔法；

　　（2）当振源採用标準贯入试验装置时，宜採用分段测试法。

　　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.

　　当採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複观测，其数量不应少于测点总数的10%；也可採用振源孔和接收孔互换的方法进行检测。

　　波速试验现场

　　孔剪测试

　　天然地基，常常不是单一的匀质土体，而是具有多层结构的非匀质土体，为了解地基土层的空间分层变化情况，提供与波速相关的岩土动力学参数、计算土层的剪下模量、了解地基的软弱地层、分析地基土的类型和建筑物场地类别，进行地震土的地震反应计算等，必须使用波速测井这种地球物理方法。

　　单孔波速测试的原理

　　当 S波穿过地层时，他们遇到构造不连续界面时会发生折射或反射，并使其振动方面发生偏振。当发生偏振的 S波的岩石颗粒仅在水平面中运动时，称为 SH 波。当岩石颗粒在岩波传播方向的竖直平面里运动时，这中 S波称为 SV 波。SH 波 水平偏振横波。质点在垂直于入射平面的方向上振动的波叫水平偏振横波。SV 波 垂直偏振横波。质点在入射平面内且与传播方向垂直振动的波叫垂直偏振横波。

　　利用直达波的原理，由振源产生的压缩波（又称 P波）和剪下波（又称 SH 波），经过岩（土）体，被放置在孔中的三分量检波器接收，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。原位测定压缩波（P波）、剪下波（SH 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。

　　优点：直接对地层测试、结果相对精确且不需要任何场地（只要能成孔）。

　　当地面振源激发产生剪下波信号时，剪下波信号便从震源发出穿过地层介质，到达井下三分量探头，探头中的检波器，经过机电转换把地震的振动信号转换成电信号，通过电缆传送到波速测试仪，由测试仪器记录并显示剪下波波形。

　　（1）.在测井工作中，井口、震源、测井探头三点构成了一个直角三角形。

　　（2）.在测井过程中只要知道了两个测点的深度和剪下波的传播时间则两点间的深度之间地层介质的平均波速满足：

　　注意事项

　　对钻孔的要求

　　：测试剪下波的钻孔有一定的要求，主要如下：

　　对孔径的要求

　　：按测井探头口径的需要，钻头一般经常使用 50～60mm、90~105mm、110~130mm，根据测井需要，钻孔直径应该比测井探头直径大 3～125px。

　　对钻孔井壁的要求：井壁要求光滑，井径变化较小，上下一致。在鬆散和结构複杂的地层钻井，除了更换钻具外，钻进的速度也要适当控制以保证钻孔质量。井孔的倾斜要求不能超过 5°，否则测井资料的可靠程度大大降低。尤其跨孔法，对钻孔的要求更严，否则误差较大。

　　测井对钻孔时间的要求

　　：一般测井的时间要求比较特殊，受到终孔时间的限制。一般来说，在钻机打完井后，马上对钻进进行扩孔、泥浆护壁等工作，这些工作完成后立即开始进行测井。打钻工作一般在白昼进行，在完工后 24 小时以内，应该完成波速测井的工作，为了防止周围环境和人文干扰，测井有时要在夜深人静时进行，尤其受人文、交通干扰较大的地区，选择合适的时间测井也是一种很好的防干扰措施。

　　钻孔附近地面应儘可能平整

　　：钻孔时应儘量减少孔壁土层扰动，待测孔钻到预定深度时，如地层软弱应立即下套管护壁，套管与孔壁间应灌浆和填砂法处理，以保持套管与孔壁间的紧密接触。

　　关于使用各种套管的问题

　　：测量有套管钻孔的剪下波速度，实践证明还是比较不容易的。儘管有的文献曾给出有套管钻孔的剪下波速度和无套管测量结果是一致的，但没有指出是如何测量，如何处理才能得到与没有套管时测井的一致的结果。

　　对振源的要求：

　　剪下波振源应採用锤和上压重物的木板，压缩波振源宜採用锤和金属板。对木板激振源的一般尺寸要求：木板长约 2.5 米，宽约 0.3－0.5 米，厚约0.1 米。受锤击的两头报上铁板；通过敲击木板两侧，这样木板就给地面一个水平冲击力，激起土层的剪下振动。

　　大锤的要求

　　：8 磅或 10磅。

　　现场测试注意事项：

　　为获得高质量的波形纪录，测试前应调整好仪器设备，保证各设备可靠连线。另外，现场要注意以下的问题：

　　1. 作为振源的木板应选用弹性和韧性较好的木板，不宜用铁板或水泥板。木板锤击的两头可包上铁皮或用一块比木板截面稍大的铁板垫在木板两头以便多次使用。

　　2. 井孔应与木板长轴线垂直，即井孔到木板的距离相等，这是保证木板两面敲击后，剪下波恰好反向的一个基础。孔源距应是井孔到木板中心的垂直距离。

　　3. 木板与表土层耦合的好坏直接关係波形採集的好坏。现场可在选定放木板的地方撒一层砂子，放上木板来回磨动，然后拿开木板，耦合好坏一目了然，在有空缺处再撒砂子，反覆数次可达到最佳效果。

　　4. 现场可将汽车直接压在木板上。无汽车可用重物。重物的重量应保证锤击时没有大的位移，另外重物应儘可能在木板上均匀分配。当重物质量有限时，在木板地面加带钢钉的铁板或木板打孔插钢筋。

　　5. 测剪下波时，锤击力要儘量保证水平。锤击要乾净利索，避免二次或多次击打。

　　6. 每次放下或提升换能器到一个新深度应保留十几秒后再测，这样可避免泥浆扰动干扰。

　　7. 在换能器上要配接吃力拉绳。根据经验，最好是钢丝细绳，细钢丝绳伸缩性小，抗拉性强，不易缠绕。探头带钢丝最好）

　　8. 测有泥浆护壁的钻孔，最好从孔底测起，避免因泥浆沉澱引起卡换能器和测量深度不够情况。

　　9. 剪下波不能在水中传播，但根据实测经验，在有浓泥浆护壁的钻孔中，可以在换能器不与钻孔壁紧密接触的情况下测得很好的S波震相，为测量提供了方便。另外泥浆浓可以减少塌孔的可能性。

　　10. 测有套管的钻孔，要避免钢丝绳与套管直接接触。

　　11. 测量时如遇塌孔卡住换能器，在人力拉不动的情况下，最好将钻机用不带钻头的钻桿放到合适深度，用沖洗的方法慢慢的提升，这样可保护换能器。

　　12. 在用气囊式换能器时，用高压气筒慢慢打气，打一下停一下，看是否已耦合，如提不动，则耦合好。切忌连续打气，将气囊胀破。槓桿式可将换能器提到一定高度后，放鬆电缆后，看是否下滑。

　　13. 随着测试深度的增加，有效信号的频率会有所降低，对数据的準确读取有一定的影响（可选在有效波起跳点或第一波峰处）。

　　14. 随着测试深度的增大，S波信号能量逐渐减小。为提高有效信号的幅度，单纯增加激发能量也会增大噪声的干扰。在选择适当激发能量的同时，採用多次叠加的方法不仅能提高有效信号能量，还可压制噪声。

　　剪下波波速试验现场及成果图

　　剪下波波速成果图

　　剪下波波速现场测试

　　相关公式

　　压缩波或剪下波从振源到达测点时间的确定，应符合下列规定：

　　（1）确定压缩波的时间，应採用竖向感测器记录的波形；

　　（2）确定剪下波的时间，应採用水平感测器记录的波形。

　　压缩波或剪下波从振源到达测点的时间，应按下列公式进行斜距校正：

　　式中 T ——压缩波或剪下波从振源到达测点经斜距校正后的时间（s）（相应于波从孔口到达测点的时间）；

　　TL ————压缩波或剪下波从振源到达测点的实测时间（s）；

　　K ——斜距校正係数；

　　H ——测点的深度（m）；

　　H0 ——振源与孔口的高差（m）,当振源低于孔口时，H0为负值；

　　L ——从板中心到测试孔的水平距离（m）。

　　时距曲线图的绘製，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下波波速，应按下式计算：

　　式中 V——波速层的压缩波波速或剪下波波速（m/s）；

　　△H——波速层的厚度（m）；

　　△T——压缩波或剪下波传到波速层顶面和底面的时间差（s）。

　　压缩波或剪下波从振源到达测点时间的确定，应符合下列规定：

　　（1）确定压缩波的时间，应採用水平感测器记录的波形；

　　（2）确定剪下波的时间，应採用竖向感测器记录的波形。

　　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下波波速，应按下列公式计算：

　　式中 VP——压缩波波速（m/s）；

　　VS——剪下波波速（m/s）；

　　TP1——压缩波到达第1个接收孔测点的时间（s）；

　　TP2——压缩波到达第2个接收孔测点的时间（s）；

　　TS1——剪下波到达第1个接收孔测点的时间（s）；

　　TS2——剪下波到达第2个接收孔测点的时间（s）；

　　S1——由振源到第1个接收孔测点的距离（m）

　　S2——由振源到第2个接收孔测点的距离（m）

　　△S——由振源到两个接收孔测点距离之差（m）。

　　卓越周期

　　《高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72－2004》条文说明

　　规範重点

　　类型和波速

　　土的类型

　　岩 土 名 称 和 性 状

　　土层剪下波速範围（m/s）

　　坚硬或较坚硬的稳定岩石

　　Vs>800

　　坚硬土或软质岩石

　　破碎或较破碎的岩石或软和较软的岩石，密实的碎石土

　　800≥Vs>500

　　中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，>150的粘性土和粉土，坚硬黄土

　　500≥Vs>250

　　稍密的砾、粗、中砂，除鬆散外的细、粉砂，≤150的粘性土和粉土，>130的填土，可塑黄土

　　250≥Vs>150

　　淤泥和淤泥质土，鬆散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，≤130的填土，流塑黄土

　　Vs≤150

　　注：为由载荷试验等方法得到的地基承载力特徵值（kPa）；vs为岩土剪下波速

　　剪下波速值

　　岩土名称

　　岩土性质或基本承载力

　　（kPa）剪下波速值

　　1 一般情况下，应按地面至剪下波速大于500m/s，且其下卧各岩土的剪下波速均不小于500m/s的土层顶面的距离确定。

　　2 当地面5m以下存在剪下波速大于相邻上层土剪下波速2.5倍的土层，且该层和其下卧岩土的剪下波速均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。

　　3 剪下波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。

　　4 土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。来源：《建筑抗震设计规範》(GB50011--2010)点击展开全文剪下波波速测试