波速检测技术在岩土工程勘察中的具体应用.pdf

2023.10Doors&Windows1 1前言前言岩土工程勘察是了解现场地质条件的重要途岩土工程勘察是了解现场地质条件的重要途径径，而地质条件具有复杂性而地质条件具有复杂性，勘察期间可能受到诸多勘察期间可能受到诸多内外部因素的影响内外部因素的影响，导致勘察结果缺乏准确性导致勘察结果缺乏准确性。波波速检测技术是岩土工程勘察中的重要技术形式速检测技术是岩土工程勘察中的重要技术形式，具具有准确性高的优势有准确性高的优势，因此探讨此项技术在岩土勘察因此探讨此项技术在岩土勘察工程中的应用策略具有必要性工程中的应用策略具有必要性。2 2工程概况工程概况某工程项目位于海积加山前冲积相平地某工程项目位于海积加山前冲积相平地，拟建拟建场地的地面标高最大为场地的地面标高最大为213213m m，最小为最小为1 1.2424m m，现场分现场分布淤泥质黏土布淤泥质黏土、淤泥质粉质粘土淤泥质粉质粘土、强风化云母片岩等强风化云母片岩等（按自上而下的顺序按自上而下的顺序），），堆积平原地貌第四纪沉积物堆积平原地貌第四纪沉积物厚度在厚度在150150m m以上以上。同时同时，地下水对项目建设活动产地下水对项目建设活动产生干扰生干扰，为探明场地土类型为探明场地土类型、场地类别及卓越周期场地类别及卓越周期，在岩土勘察中采用波速检测技术在岩土勘察中采用波速检测技术，根据勘察数据进根据勘察数据进行计算行计算、分析分析。3 3岩土勘察的主要目标岩土勘察的主要目标在本工程项目的勘察工作中在本工程项目的勘察工作中，重点对建设现场重点对建设现场的岩体和土体开展勘察活动的岩体和土体开展勘察活动，以期实现如下目标以期实现如下目标：准准确划分岩确划分岩、土界限土界限，明确岩体明确岩体、土体的分布范围土体的分布范围；探明探明覆盖层厚度变化覆盖层厚度变化、岩溶发育特征岩溶发育特征，根据勘察资料划分根据勘察资料划分场地岩土工程和岩体质量单元场地岩土工程和岩体质量单元；测定岩土体的物理测定岩土体的物理力学指标力学指标，结合水文条件进行地基承载力的综合判结合水文条件进行地基承载力的综合判断断；确定岩体基本质量等级确定岩体基本质量等级，明确岩溶特性并评估地明确岩溶特性并评估地基是否会受到岩溶的影响基是否会受到岩溶的影响；评价边坡的稳定性评价边坡的稳定性，参考参考现场地质条件和水文条件现场地质条件和水文条件，提出边坡支护方案提出边坡支护方案；评价评价场地和地基的地震效应场地和地基的地震效应，为工程抗震设计提供参考为工程抗震设计提供参考；选择承载性能良好的地基持力层选择承载性能良好的地基持力层。4 4波速检测技术的应用原理波速检测技术的应用原理（1 1）单孔法单孔法。单孔法可用于勘察软单孔法可用于勘察软、硬度变化明硬度变化明显的地层显的地层，经过测试后经过测试后，确定地面与测点间的平均波确定地面与测点间的平均波速速。按照激振按照激振、接收部位的不同接收部位的不同，分为上孔法和下孔分为上孔法和下孔法法，其中上孔法在孔底激振其中上孔法在孔底激振、地面接收地面接收，下孔法在地下孔法在地面激振面激振、孔底接收孔底接收。在应用单孔法时在应用单孔法时，要求钻孔的孔要求钻孔的孔壁保持垂直壁保持垂直，孔洞维持稳定孔洞维持稳定，在确保钻孔质量无误的在确保钻孔质量无误的前提下前提下，向指定深度内向指定深度内、临近孔壁的位置放置三分量临近孔壁的位置放置三分量探测器或声波探头探测器或声波探头。激发振源装置的模板尺寸为激发振源装置的模板尺寸为20002000mmmm300300mmmm5050mmmm，根据钻孔的布设情况进行板根据钻孔的布设情况进行板的调整的调整，使板长方向的垂直线对准孔中心使板长方向的垂直线对准孔中心。板的两板的两端用锤子水平撞击时端用锤子水平撞击时，板与地面间发生摩擦板与地面间发生摩擦，产生水产生水平剪切波平剪切波，经过两次相反方向的冲击后经过两次相反方向的冲击后，获得两组极获得两组极性相反的剪切波性相反的剪切波。横波试验的测点按垂直间距横波试验的测点按垂直间距1 1mm3 3m m有序布置有序布置，遇层位变化的部位时遇层位变化的部位时，加密布设测点加密布设测点。各测点均要经过多次测试各测点均要经过多次测试，尽可能消除偶然因素对尽可能消除偶然因素对测试结果准确性的影响测试结果准确性的影响。（2 2）跨孔法跨孔法。跨孔法在均匀土层的勘察中具有跨孔法在均匀土层的勘察中具有可行性可行性。在勘察现场布设两个平行的钻孔在勘察现场布设两个平行的钻孔，向某个向某个孔的不同深度放置振动源孔的不同深度放置振动源，向另一孔与振源对应深向另一孔与振源对应深度位置放置检波器度位置放置检波器，形成振动源孔和检测孔形成振动源孔和检测孔，测量后测量后确定的两孔间的地层传播速度则为波速确定的两孔间的地层传播速度则为波速。测试孔的测试孔的深度在深度在1515m m以上时以上时，需测定孔的倾角和倾斜方位需测定孔的倾角和倾斜方位，计计算不同深度的孔距算不同深度的孔距。测试孔的布置方式灵活测试孔的布置方式灵活，可采可采取两个孔平行布置的常规方式取两个孔平行布置的常规方式，也可按一个激发孔也可按一个激发孔对应多个接收孔的数量关系进行配置对应多个接收孔的数量关系进行配置，即多边形布即多边形布孔孔，在设置多个接收孔后在设置多个接收孔后，用各孔的测试结果进行相用各孔的测试结果进行相互校核互校核。为减弱振动源装置对测试的影响为减弱振动源装置对测试的影响，每组的每组的钻孔数量均为钻孔数量均为3 3个个，相邻两孔的间距根据试验精度相邻两孔的间距根据试验精度、土层均匀性等条件做灵活的控制土层均匀性等条件做灵活的控制，根据经验根据经验，岩层岩层、土层的孔距分别以土层的孔距分别以8 8mm1515m m、2 2mm5 5m m为宜为宜，若具有较若具有较强的振动源能量且勘察现场的土层较厚强的振动源能量且勘察现场的土层较厚，可按较大可按较大的孔间距布孔的孔间距布孔。钻孔后钻孔后，各孔需共处相同的直线各孔需共处相同的直线。折射波对测试产生影响折射波对测试产生影响，为削弱此影响为削弱此影响，在软在软、硬土硬土层交界部位的硬地层设测点层交界部位的硬地层设测点。（3 3）面波法面波法。面波法测试可采用稳态法或瞬态面波法测试可采用稳态法或瞬态波速检测技术在岩土工程勘察中波速检测技术在岩土工程勘察中的具体应用的具体应用张武红张武红太原市兴华岩土工程勘察质量检测有限公司太原市兴华岩土工程勘察质量检测有限公司摘摘要要：文章结合某工程实际案例文章结合某工程实际案例，首先了解该项目的岩土勘察目标首先了解该项目的岩土勘察目标，提出测试方法提出测试方法，采用单孔法对岩土地层类型采用单孔法对岩土地层类型、卓越周卓越周期期、工程动力参数工程动力参数、岩土承载值等进行判断与计算岩土承载值等进行判断与计算，结果显示该技术能够准确测量出岩土的弹性波速结果显示该技术能够准确测量出岩土的弹性波速，为工程设计提供所需的地为工程设计提供所需的地质数据质数据。关键词关键词：波速检测波速检测；岩土工程勘察岩土工程勘察；岩土承载力值岩土承载力值DOI：10.12258/j.issn.1673-8780.2023.20.079应用与实践应用与实践2352023.10Doors&Windows法完成法完成。对于稳态法对于稳态法，其原理是在地表放置激振器其原理是在地表放置激振器，向地面施加稳态强迫振动向地面施加稳态强迫振动，装置施加的能量通过振装置施加的能量通过振动波发生传播动波发生传播，再进行测量再进行测量、计算分析计算分析。若频率为常若频率为常数数，测量波长测量波长LRLR后即可计算出波速后即可计算出波速。该方法在均匀该方法在均匀、单一地层的勘察中具有可行性单一地层的勘察中具有可行性，无需钻孔无需钻孔，操作便操作便捷捷，但测试孔深较浅但测试孔深较浅，难以满足深部地层的测试要难以满足深部地层的测试要求求。测试中测试中，在振动源的一侧设在振动源的一侧设2 2 3 3个低频检波器个低频检波器，将振动源作为测量线的零点将振动源作为测量线的零点。稳态激振时稳态激振时，检波器检波器在示波器中被移动至同一相位振动波形时在示波器中被移动至同一相位振动波形时，波长则波长则恰好对应的是两个检波器的距离恰好对应的是两个检波器的距离。5 5波速检测技术在岩土工程勘察中的应用要点波速检测技术在岩土工程勘察中的应用要点在明确波速检测技术的细分形式及应用原理在明确波速检测技术的细分形式及应用原理后后，进行技术应用要点的深入探讨进行技术应用要点的深入探讨，此处以原位单孔此处以原位单孔波速测试为例波速测试为例，提出其在岩土工程勘察中的应用要提出其在岩土工程勘察中的应用要点点，具体如下具体如下。5 5.1 1检测方法检测方法检测前检测前，整平施工现场整平施工现场，清理不利于检测的障碍清理不利于检测的障碍物物，准备长准备长2 2.5 5m m、宽宽0 0.3 3m m、厚厚0 0.1 1m m的激振板的激振板，将其布设将其布设在距离井口在距离井口1 1.5 5m m的位置的位置，模板中垂线恰好对准井口模板中垂线恰好对准井口中心时表明激振板的布设位置合理中心时表明激振板的布设位置合理，随后向激振板随后向激振板上放置重量为上放置重量为500500kgkg10001000kgkg的重物的重物，目的在于通过目的在于通过重物施加压力重物施加压力，使激振板与地面紧密接触使激振板与地面紧密接触，以提高测以提高测量结果的准确性量结果的准确性。激振板布设到位后激振板布设到位后，通过多次敲通过多次敲打两端的方法产生打两端的方法产生S S波形波形，期间进行波形采集期间进行波形采集，在获在获得得3 3次清晰的次清晰的S S波形后波形后，垂直敲击井口一端的铁板垂直敲击井口一端的铁板，产生产生P P波波。孔内特定深度的三分量检波器将接收的孔内特定深度的三分量检波器将接收的弹性波信号传输给地震仪弹性波信号传输给地震仪，进行数据的记录进行数据的记录、存储存储，技术人员可根据测试获取到的数据进行处理技术人员可根据测试获取到的数据进行处理、分析分析，对被测范围内的地质条件做出评价对被测范围内的地质条件做出评价，同时同时，在岩土勘在岩土勘察中应用波速检测技术时察中应用波速检测技术时，需合理规划钻孔位置并需合理规划钻孔位置并以合适的尺寸钻孔以合适的尺寸钻孔，向孔内放置精度高向孔内放置精度高、稳定性良好稳定性良好的传感器的传感器，做固定处理做固定处理，使传感器在检测过程中始终使传感器在检测过程中始终保持稳定保持稳定。5 5.2 2检测结果检测结果以以A A2 2-1111号孔和号孔和A A2 2-1616号孔为例号孔为例，以波速测试单以波速测试单孔检层法进行检测后孔检层法进行检测后，得到如下结果得到如下结果：A A2 2-1111号孔号孔、A A2 2-1616号孔的覆盖层厚度分别为号孔的覆盖层厚度分别为2828m m、3030m m，等效剪切等效剪切波速分别为波速分别为206206m/sm/s、203203m/sm/s。从检测结果来看从检测结果来看，属中属中软土的地土类型软土的地土类型，级场地类别级场地类别。对于卓越周期的确定对于卓越周期的确定，按如下方法进行按如下方法进行：设覆盖设覆盖层厚度为层厚度为H H，卓越周期为卓越周期为T T，等效剪切波速为等效剪切波速为sese，按照按照“T=T=4 4H/VH/Vsese”的公式计算后的公式计算后，确定确定A A2 2-1111号孔和号孔和A A2 2-1616号孔的卓越周期分别为号孔的卓越周期分别为0 0.388388s s、0 0.394394s s，将计算结果与将计算结果与地脉动法测定的卓越周期地脉动法测定的卓越周期（A A2 2-1111号孔和号孔和A A2 2-1616号孔号孔分别为分别为0 0.387387s s、0 0.392392s s）做对比分析做对比分析，发现卓越周期较发现卓越周期较为吻合为吻合，表明按前述公式计算卓越周期的方法切实表明按前述公式计算卓越周期的方法切实可行可行，计算后确定的卓越周期具有可靠性计算后确定的卓越周期具有可靠性。5 5.3 3场地类型场地类型、卓越周期的判别卓越周期的判别施工场地类型的判别施工场地类型的判别：严格依据抗震设计规范严格依据抗震设计规范进行进行，在勘察现场钻孔在勘察现场钻孔，检测孔的检测孔的S S波波速波波速，结果显示结果显示两孔的波速分别为两孔的波速分别为 205205m/sm/s、206206m/sm/s，覆盖层厚度为覆盖层厚度为2828m m、2929m m，基于检测数据进行场地类型的判断基于检测数据进行场地类型的判断，认为认为现场的地层类层为中软土现场的地层类层为中软土，场地类别为场地类别为级级。卓越周期的判别卓越周期的判别：经过测量经过测量、计算后计算后，确定卓越确定卓越周期周期。测量方法采用地脉动法测量方法采用地脉动法，将采用此方法确定将采用此方法确定的卓越周期与上文提及的卓越周期做对比分析的卓越周期与上文提及的卓越周期做对比分析，结结果显示两者的重合度较高果显示两者的重合度较高。由此表明由此表明，工程采用的工程采用的波速检测技术单孔检层法具有可行性波速检测技术单孔检层法具有可行性，是一种可用是一种可用于判断场地类型和地层类层的重要方法于判断场地类型和地层类层的重要方法。5 5.4 4动力参数计算动力参数计算通过高速检测技术的应用通过高速检测技术的应用，确定工程动力参数确定工程动力参数，再围绕此部分参数进行计算再围绕此部分参数进行计算。其中其中，S S波弹性波波速波弹性波波速和和p p波弹性波波速属于重点测量参数波弹性波波速属于重点测量参数，在确定具体值在确定具体值后后，以如下公式计算岩土工程动力参数以如下公式计算岩土工程动力参数：=V2P-2V2S2(V2P-2V2S（1 1）Ed=V2P(1+)(1-2)(1-)（2 2）Ed=2V2S(1+)（3 3）Gd=V2s（4 4）式中式中：泊松比泊松比；V Vp压缩波速度压缩波速度，m/sm/s；V Vs剪剪切波速度切波速度，m/sm/s；介质密度介质密度，g/cmg/cm3 3；Ed动弹性模动弹性模量量，GPaGPa；Gd洞剪切模量洞剪切模量，GPaGPa。地层弹性参数采用波速法检测而得地层弹性参数采用波速法检测而得，在本工程在本工程中中，存在较高的稳定性要求和抗震要求存在较高的稳定性要求和抗震要求，考虑到此特考虑到此特殊性殊性，需要测定风化云母片岩的动弹性参数需要测定风化云母片岩的动弹性参数。参数参数测试方法采用单孔检层孔内激发孔内接收法测试方法采用单孔检层孔内激发孔内接收法，测试测试对象包含不同风化程度的云母片对象包含不同风化程度的云母片，分别按不同的深分别按不同的深度进行测试度进行测试，具体结果如表具体结果如表1 1所示所示。表表1 1不同风化程度云母片的动弹性参数检测结果不同风化程度云母片的动弹性参数检测结果岩土名称全风化云母片强风化云母片中风化云母片微风化云母片末风化云母片测试深度3.512202530V Vs平均平均（m/sm/s）335644133018662440V Vp平均平均（m/sm/s）6841276250133204132Ed(GPa)0.602.6611.9824.7741.13Gd(GPa)0.241.024.629.7716.710.350.340.320.260.22（g g）/cm/cm3 32.02.52.62.82.75 5.5 5岩土承载力值的估算岩土承载力值的估算岩土承载力与剪切波速具有联系岩土承载力与剪切波速具有联系，例如例如：软塑粉软塑粉质粘土构成的岩石质粘土构成的岩石，承载力承载力、剪切波速值分别为剪切波速值分别为1515t/t/m m2 2 1616t/mt/m2 2、210210m/sm/s220220m/sm/s；松散砂和粉土构成的岩松散砂和粉土构成的岩应用与实践应用与实践2362023.10Doors&Windows石石，承载力承载力、剪切波速值分别为剪切波速值分别为 9 9.1 1t/mt/m2 2 1212.3 3t/mt/m2 2、141141m/sm/s148148m/sm/s；密实中粗粒砂石构成的岩土密实中粗粒砂石构成的岩土，承载承载力力、剪切波速值分别为剪切波速值分别为2525t/mt/m2 2 2828t/mt/m2 2、410410m/sm/s440440m/m/s s；淤泥岩土层淤泥岩土层，承载力承载力、剪切波速值分别为剪切波速值分别为6 6.9 9t/mt/m2 2 9 9.6 6t/mt/m2 2、7070m/sm/s8080m/sm/s。根据前述列举的数据进行估根据前述列举的数据进行估算算：若岩土中有质地较为坚硬或粒径较大的砂砾若岩土中有质地较为坚硬或粒径较大的砂砾，则则岩土的承载力高岩土的承载力高、剪切波速大剪切波速大；若存在粘软的砂砾或若存在粘软的砂砾或小粒径砂砾小粒径砂砾，具备的承载力相对较弱具备的承载力相对较弱，剪切波速小剪切波速小。工程施工安全与岩层的承载性能有关工程施工安全与岩层的承载性能有关，因此在施工因此在施工前必须进行现场检测前必须进行现场检测、计算分析计算分析，尽可能准确地评估尽可能准确地评估岩层的承载性能岩层的承载性能，采取针对性的安全防护措施采取针对性的安全防护措施，营造营造安全的施工环境安全的施工环境，保障员工的人身安全和工程材料保障员工的人身安全和工程材料及设备的安全及设备的安全。5 5.6 6砂性土中地震液化势的判断砂性土中地震液化势的判断研究对象为施工现场深度研究对象为施工现场深度1515m m以内的岩土以内的岩土，分析分析指标为实测剪切波速度和临界剪切波速度指标为实测剪切波速度和临界剪切波速度，若前者若前者比后者大比后者大，则认为砂性土层不液化则认为砂性土层不液化。因此因此，判断砂性判断砂性土中地震液化势的重点内容则是临界剪切波速度的土中地震液化势的重点内容则是临界剪切波速度的计算计算，以便将实测值与之做对比分析以便将实测值与之做对比分析。计算方法计算方法如下如下：Vscr=Vs0ds-0.0133d2s(1-0.185dwds)3c（5 5）式中式中：Vscr剪切波速度临界值剪切波速度临界值，m/sm/s；Vs0烈度烈度、土类有关的经验系数土类有关的经验系数，取值视岩土层取值视岩土层类型而定类型而定，例如粉土取例如粉土取4545m/sm/s。砂取砂取6565m/sm/s；d ds s剪切波速度测点深度剪切波速度测点深度，m m；d dw w地下水深度地下水深度，本工程项目勘察中取本工程项目勘察中取4 4m m；c粘粒含量百分率粘粒含量百分率，砂土取砂土取3 3，若若c在在3 3以内以内，均按均按3 3考虑考虑。按公式按公式（3 3）进行计算进行计算，确定临界剪切波速度确定临界剪切波速度，将将实测值与之对比实测值与之对比，根据两者的大小关系判断各孔深根据两者的大小关系判断各孔深处的岩性液化势处的岩性液化势，结果如表结果如表2 2所示所示。表表2 2砂性土剪切波速度及液化势判别砂性土剪切波速度及液化势判别孔深m5.08.68.610.54.07.07.09.0岩性粉砂粉土粉砂粉土剪切波速度（m/s）实测值Vs107176255132255219286临界值Scr11514310710412594.6100液化势判别部分液化不液化不液化不液化根据表根据表2 2可知可知，在粉砂在粉砂、粉土中粉土中，仅有孔深仅有孔深5 5.0 0mm8 8.6 6m m的粉砂的部分剪切波速度实测值大于临界值的粉砂的部分剪切波速度实测值大于临界值，因此部分液化因此部分液化，其它深度的粉土其它深度的粉土、粉砂均不液化粉砂均不液化。6 6结束语结束语岩土工程勘察是一项复杂度高岩土工程勘察是一项复杂度高、专业性突出的专业性突出的工作工作，要求技术人员合理选择勘察技术要求技术人员合理选择勘察技术，科学规划技科学规划技术应用方案术应用方案，妥善完成现场勘察妥善完成现场勘察、数据采集及分析等数据采集及分析等全流程的各项工作全流程的各项工作。在本文中在本文中，经过分析后提出波经过分析后提出波速检测技术在岩土勘察中的应用要点速检测技术在岩土勘察中的应用要点，现就本文内现就本文内容做如下总结容做如下总结：（1 1）实践表明实践表明，本工程项目采用的单孔检层法在本工程项目采用的单孔检层法在岩土勘察中具有可行性岩土勘察中具有可行性，勘察获取到的数据和基于勘察获取到的数据和基于此部分数据进行计算后的结果均具有重要的参考此部分数据进行计算后的结果均具有重要的参考价值价值。（2 2）波速检测技术中的单孔检层法操作简单波速检测技术中的单孔检层法操作简单，直直接对地层进行测试后即可获得结果接对地层进行测试后即可获得结果。即便场地用混即便场地用混凝土或其它工程材料做硬化处理凝土或其它工程材料做硬化处理，在激振板下方铺在激振板下方铺设中细砂后也可顺利完成测试设中细砂后也可顺利完成测试，结果仍具有可靠性结果仍具有可靠性。在应用单孔法进行岩土勘察时在应用单孔法进行岩土勘察时，产生的信号分辨率产生的信号分辨率高高，同时此方法在多数岩土勘察工作场景中均可行同时此方法在多数岩土勘察工作场景中均可行，可推广至岩土工程勘察中可推广至岩土工程勘察中。（3 3）在应用波速检测技术进行岩土勘察时在应用波速检测技术进行岩土勘察时，弹性弹性波在岩土层中的传播速度属于重点指标波在岩土层中的传播速度属于重点指标，可根据此可根据此项指标对岩土体的动力特性进行判断项指标对岩土体的动力特性进行判断。根据波速检根据波速检测信息进行场地类别的判别测信息进行场地类别的判别、地震效应的评价地震效应的评价、地震地震破坏潜势分析等工作后破坏潜势分析等工作后，为工程抗震设计提供重要为工程抗震设计提供重要的参考的参考；同时同时，在确定岩石的纵波波速比后在确定岩石的纵波波速比后，可参考可参考此项参数开展岩石风化程度的评估此项参数开展岩石风化程度的评估、地基振动特性地基振动特性的研究的研究、地基加固前后稳定性的评价地基加固前后稳定性的评价、岩体动力特性岩体动力特性评价等工作评价等工作，有利于工程项目后续工作的开展有利于工程项目后续工作的开展。参考文献参考文献：1 1 黄弘睿黄弘睿.浅谈波速检测技术在岩土工程勘察中的浅谈波速检测技术在岩土工程勘察中的应用应用 J J.建材与装饰建材与装饰,20172017(3232):):231231 232232.2 2 徐荟徐荟,刘学军刘学军,王彬王彬,王宝善王宝善.利用主动震源直达波利用主动震源直达波互相关时延检测技术监测小江断裂带浅层地震波波互相关时延检测技术监测小江断裂带浅层地震波波速变化速变化 J J.地震研究地震研究,20152015(1 1):):7 7 1515+181181.3 3 曾伟曾伟,王海涛王海涛,田贵云田贵云,胡国星胡国星,杨先明杨先明,万敏万敏.基于波基于波速分析的激光超声检测技术速分析的激光超声检测技术 J J.无损检测无损检测,20142014(1212):):3838 4141.作者简介作者简介：张武红张武红（19731973-），），男男，汉族汉族，山西太原人山西太原人，本科本科，注注册土木工程师册土木工程师（岩土岩土），），主要从事岩土工程与测量主要从事岩土工程与测量工作工作。应用与实践应用与实践237