剪切波测试成果分析与应用

2013-08-21郑思慧童广秀潘兴军刘康和

山西建筑 2013年27期

郑思慧童广秀潘兴军刘康和

(1.天津市地基检测中心，天津 300384;2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 工程概况

某平原型水库蓄水面积150 km2，围堤为均质土堤，总长54.511 km，堤顶高程 9.0 m，总库容 5.0 ×108m3，是一座以蓄供水为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合效益的大(2)型水库。该枢纽工程主要由围堤、穿堤建筑物以及蓄水建筑物等组成。

勘察深度内所涉及的土层均为第四系地层，岩性为素填土、粉细砂、细砂、粉质粘土、粉土、淤泥质粘土、粘土等。

根据任务要求，需对该水库枢纽工程K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)等3个钻孔进行剪切波测试，其相对位置及编号见图1。

图1 剪切波测孔编号及相对位置

2 测试技术与方法

实测采用单孔检层的地表激发孔中接收法。使用叩板震源并双向激发，以产生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性来识别剪切波的初至时间。测试时距孔口3 m处平放置叩板，并用重物压实，自下而上逐点测试剪切波旅行时，测点距1.0 m。图2为单孔检层法测试示意图。

图2 单孔检层法测试示意图

单孔检层法测试弹性波时，由于震源板离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时，按式(1)进行计算:

其中，t′为纵测线旅行时，s;t为非纵测线旅行时，s;d为测点孔深，m;x为震源板距孔口的距离，m。

由校正后的纵测线旅行时绘制时距曲线，按其分段斜率求得各测试地层的剪切波速度。

表1 各测试孔剪切波速及动剪切模量成果表

3 成果分析与应用

3.1 剪切波速和动剪切模量

根据上述计算所得各测试段剪切波速按照下述原则求取土层平均剪切波速值:1)对厚层土，取其土层范围内测得的有效数据之均值作为该土层的平均剪切波速;2)对于现场未测得有效数据的薄层土，利用实测数据及上下土层的平均剪切波速，加权后求得其剪切波速。各测试孔土层平均剪切波速和动剪切模量成果见表1。

由土层剪切波速成果，按式(2)计算其动剪切模量:

其中，Gd为动剪切模量，MPa;Vs为土层平均剪切波速，m/s;ρ为土层天然密度，g/cm3，由现场原状土样通过室内试验取得。

整个勘察区地层平均动剪切模量的确定:取各测试孔中相应土层的剪切波速平均值作为地层的平均剪切波速。应用式(2)即可计算该地层的平均动剪切模量。具体成果详见表2。

表2 地层平均剪切波速及动剪切模量成果表

由表1和表2可知:该场地测试深度范围内土层剪切波速一般为155 m/s～298 m/s，动剪切模量一般为52.7 MPa～179.0 MPa;相应地层的总体平均剪切波速和总体平均动剪切模量范围值分别为174 m/s～250 m/s，60.1 MPa～125.9 MPa，且地层编号为①1的粉细砂层动剪切参数最低，而地层编号为③的细砂层动剪切参数最高。

3.2 场地类别判定

按照文献［1］，建筑场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分，具体分类标准详见表3。

表3 建筑场地类别判定标准

表3中用于建筑场地类别划分的土层等效剪切波速，应由式(3)和式(4)联合求得。

其中，Vse为土层等效剪切波速度，m/s;d0为计算深度，m，取覆盖层厚度和20 m两者的较小值;t为剪切波在地面至计算深度之间的垂直传播时间，s;di为计算深度范围内第i土层的厚度，m;Vsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速度，m/s;n为计算深度范围内土层的分层数。

由实测剪切波速成果(见表1)，按照式(3)和式(4)计算得出:K4，K12，K13钻孔埋深20 m范围内等效剪切波速分别为192 m/s，191 m/s，186 m/s，取建筑场地覆盖层厚度大于 50 m，对比表3判定该建筑场地类别为Ⅲ类。

3.3 地基土液化判别

按照文献［2］，可用剪切波速判别地面下15 m范围内饱和砂土和粉土的地震液化，即按式(5)计算地层的临界剪切波速(Vscr)，当实测地层剪切波速小于Vscr时该地层被判为液化，否则为不液化。

其中，Vscr为饱和砂土或粉土液化剪切波速临界值，m/s;VS0为与烈度、土类有关的经验系数，本区地震烈度为7度，地基土为砂土时取65 m/s，地基土为粉土时取45 m/s;ds为剪切波速测点深度，m;dw为地下水深度，m;ρc为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。

计算结果表明，在土层标高－6.33 m～－12.27 m范围内，地层编号为①2的细砂层实测Vs＜Vscr，即判定为液化层。

3.4 场地卓越周期求取

当建筑场地未进行常时微动测试时，可按场地土层实测剪切波速近似求取卓越周期，一般采用:1)加权平均波速法，见式(6);2)子层周期求和法，见式(7)。

其中，Tg1，Tg2均为场地卓越周期，s;Vsi为第i层土的剪切波速，m/s;di为第i层的土层厚度，m;n为土层数

有关资料的统计计算结果表明:加权平均波速法推算的场地卓越周期一般比真值小10%～20%左右，而子层周期求和法推算的结果则偏大，约比真值大10%～20%左右，所以对二者进行平均计算较接近场地卓越周期真值。尽管这两种简单易行的推定方法的计算结果都与场地卓越周期真值存在一定误差，但研究发现，当建筑场地地层不存在软弱夹层时，对于工程建筑来说，其推算结果的精度已经足够了，这也是我国应用此法计算场地卓越周期较广的原因之一。

根据 K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)实测结果，由此估算场地卓越周期见表4。