剪切波在高层建筑场地类别划分中的应用

朱春亮　江苏科信岩土工程勘察有限公司

剪切波在高层建筑场地类别划分中的应用

朱春亮江苏科信岩土工程勘察有限公司

本文利用剪切波对徐州市一居住小区颖都城市花园高层建筑两钻孔进行了地基土测试，通过现场数据采集和资料分析整理，得到了两个钻孔地面下20m内土层的等效剪切波速值。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2001）对该建筑场地的类别进行了划分，结果与该场地的钻孔资料和静力触探资料的分析结果是基本一致的。

剪切波；高层建筑；场地类别

1.引言

随着对土层弹性波性质的深入了解，人们认识到对于软弱土层和完整性较差的岩体，采用取样和室内试验方法不仅繁琐，而且测试精度也难以保证，目前以分辨率高著称的波速测试法成为测定地层动力参数的一条简便有效的途径［［朱春亮（1979-2） 男， 2003年毕业于安徽理工大学地质工程专业，工程师，现从事岩土工程勘察工作。E-mail：xzdzkt@163. com］］。剪切波是波速测试方法的一种，地层剪切波速值是工程场地分类及地震小区划分的一个很重要的参数，在工程实践中，也是评价场地土动力特性的重要指标［2］。波速测试作为地基土动力特性测试项目之一，自80年代以来广泛用于重大工程、 高层建筑等一级建筑及有特殊要求的二级建筑之中。通过对场地土剪切波速的测试，可以对地基土的类别进行评价、检测地基加固效果，并且为建筑物的抗震设计提供依据［3］。本文结合剪切波在徐州市颖都城市花园高层建筑地基勘察中的应用这一实例，分析了剪切波在高层建筑场地类别划分中的应用。

2.剪切波测试基本原理

根据弹性理论［4-5］，当固体介质受到外力冲击时，介质受到应力作用而产生应变，在作用于介质的应力消失后，应变和应力失去平衡，应变就在介质中以弹性波的形式由介质中的质点依次向周围传播，这种弹性波成分比较复杂，既有面波又有体波，体波又分为压缩波（P波）和剪切波（S波）。各种波在同一介质中传播的特征和速度一般是各不相同的。在建筑工程勘察中，由于土中含水量的影响，剪切波比其它波速值更易真实地反映土的动力特性，故通常测试地层的剪切波速度，测试的方法主要有检层法、跨孔法和瑞雷波法等，其中以检层法中的单孔检层法使用最为简单和实用，应用也最多［6-8］，本文使用的就是这种方法。

3.本工程所用的单孔检层法

3.1震源设备与测试仪器

测试方法采用单孔法，它是将长2-3m，宽0.3m，厚0.05m左右的激振板放在离孔口约1-3m处的地面上，木板与地面要接触良好，木板上需压一定量的重物，通常为大石头、汽车轮胎等重物。利用已经钻好的钻孔，使其中点与井口的连线垂直于起振板，用木锤或铁锤水平敲击木板两端，木板与地面产生剪切力，使地层产生剪切波，并通过置于井内的三分量传感器将土的振动历程输入仪器，经电脑分析，获得各测点剪切波到达时间，经计算可得到各土层的剪切波速值。测试装置详见图1：

现场数据采集使用的仪器是中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器室生产的RSM-24FD浮点工程动测仪，采集的数据是由井中的三分量传感器通过仪器记录两道波形，经与电脑连接后将仪器中的数据传送到电脑中，处理后得到各土层的剪切波速，进而确定建筑地基的场地类别。

3.2单孔法测试过程

在场区内选择2个具有代表性的7号和13号钻孔，采用单孔剪层法在孔中进行土层剪切波速测试。按规范［9］要求，每一土层都有一个测点，当某一土层厚度较大时，每2米左右测一个点。本次测试每1米左右测一个点，单孔法剪切波测试现场连接如图1所示。测试时，将传感器放至孔底后，自顶部向下依地层界面测试。地面上用铁锤水平敲击木板两端，敲击所产生的剪切波经地层传播到达测试点 ，孔中水平检波器接收横波信号，经电缆送入地震仪进行放大、储存和记录。测试点的间隔根据地层界面情况平均1.0m一个测试点，界面处的测试点需重复测试。这种测试方法的好处：一是测试时带有深度记号的电缆（或细钢丝绳）不弯曲，保证测试深度的准确性，二是便于追踪剪切波的初至，保证相位不错。正反敲击木板两端时，所产生的剪切波波形相位相差180°，这一特征十分有利于剪切波的分辨，意味着我们能够在不同界面点准确测定剪切波的到达时间，可靠求出各层的波速值。在一个测试深度上重复测试多次，获得各孔土层剪切波速度随深度分布，根据这些数字绘制成土层剪切波速—深度曲线。

3.3测试结果

拟建的颖都花园位于徐州市淮海西路南侧［［ 徐州市城乡建筑设计研究院编. 徐州市颖都花园二期岩土工程勘察报告（勘察编号：CXK2006-033）. 2006年6月］］，徐州市规划局对过，人流、物流畅通，交通便利，位置优越。本工程主要建筑物包括主楼一栋、会所一座、地下室一座。主楼高度23+1层平面形态为矩形，轴线间东西向长74.60m，南北向宽14.00m；会所高度4层，外周边平面形态为矩形，轴线间东西向长20.24m，南北向宽11.240m；地下室高度2层，地下车库一层。建筑物结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，基础型式未定。具体测试结果见图2和表1。

3.4结果分析

由表1和图2可分别看出所测试的两孔在地面以下20米内的剪切波速曲线大体上是一致的，这说明该场地的土和岩石的各分层厚度变化相差不大，随着深度的增加剪切波接收时间和剪切波速均相应地增大，地面下20m时的剪切波速7号孔为350m/s、13号孔为342m/s。这与钻孔资料所揭露的各层相应厚度是基本一致的。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）4.15条公式［9］：

式中：Vse-土层等效剪切波速（m/s）；d0-计算深度（m），取覆盖层厚度和20m两者的较小值；t-剪切波在地面至计算深度之间的传播时间（s）；di-计算深度范围内第i土层的厚度（m）；Vsi-计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；n-计算深度范围内土层的分层数.

由上面的公式，可计算出7#孔和13#孔的剪切波速分别为177.3 m/s和180 .5m/s，场地土类别为中软土。根据1/5万邳县幅区域地质图，本场地覆盖层厚度小于50米；根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第4.1.6条，建筑场地类别为划分为Ⅱ类场地。

4.结语

在剪切波速测试基本原理的基础上，通过现场数据采集和资料分析整理，得到了颖都花园二期高层两孔的各相应土层的等效剪切波速值，分别为177.3 m/s和180 .5m/s。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）对该建筑场地的各土层性质进行了划分，可得出该建筑场地类别应为Ⅱ类，这与该场地所施工的10个钻孔和10个静力触探孔所揭露的地层情况在对应层段划分上是基本一致的。

［1］王俊茹.波速测试在高层建筑地基勘察中的应用［J］. 物探与化探，2000，24（3）：219-225.

［2］朱术云，刘健，姜振泉.剪切波在建筑场地划分中的应用［J］.安徽建筑.2005，5：148-149.

［3］刘平和，孙灵洁董喜茹. 场地剪切波速的测试［J］. 黑龙江交通科技，2004，123（5）：59-61.

［4］顿志林，高家美.弹性力学及其在岩土工程中的应用［M］. 煤炭工业出版社，2003.

［5］徐芝纶. 弹性力学简明教程［M］.高等教育出版社，2002.

［6］王恩福，凌宏，张国宏，等. 剪切波速度测量及其在工程中的应用［J］.东北地震研究.1994，Vol.10，No.4：59-66

［7］高玉峰，刘汉龙.合肥膨胀土剪切波速的特征分析［J］.岩土工程学报.2003，Vol.25，No.3：371-373

［8］于新春，焦孟良.建筑场地类别对地震作用效应的影响［J］.山西建筑.2004，Vol.30，No.6：23-24.

［9］建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）

注释： 来自徐州市城乡建筑设计研究院编.徐州市颖都花园二期岩土工程勘察报告（勘察编号：CXK2006-033）. 2006年6月

朱春亮（1979.2-），男，2003年毕业于安徽理工大学地质工程专业，工程师，现从事岩土工程勘察工作。