波速测试技术在岩土工程勘察中的应用

韦云广

摘  要：高速发展的社会经济，形成了大范围覆盖的岩土工程的增多。在当前进行的工程岩土勘察中，普遍运用了地球物理勘探技术重要分支之一和先进的地震勘探手段之一的波速测试技术。波速测试技术应用于岩土工程勘察中，使在室内测试中可能出现的误差较大的问题能得到有效解决，且能够在动弹性模量、动剪切模量等工程动力学参数的计算中进行运用，其技术的优势明显和充分的发挥了出來。文章基于深入分析波速测试的重要性和技术原理的基础上，对该技术在岩土工程勘察中的应用进行了探讨。

关键词：波速测试;岩土;工程勘探

中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）26-0182-02

Abstract： The rapid development of the social economy has resulted in an increase in large-scale geotechnical engineering coverage. In the current engineering geotechnical survey， the wave velocity testing technology， one of the important branches of geophysical exploration technology and one of the advanced seismic exploration methods， is commonly used. Wave velocity testing technology is used in geotechnical engineering surveys， which can effectively solve the problem of large errors that may occur in indoor testing， and can be used in the calculation of engineering dynamic parameters such as dynamic elastic modulus and dynamic shear modulus. When applied， the advantages of its technology are clearly and fully exerted. Based on the in-depth analysis of the importance of wave velocity testing and technical principles， this paper discusses the application of this technology in geotechnical engineering survey.

Keywords： wave velocity test; geotechnical; engineering exploration

高速发展的社会经济带动了国土整治工程的全面铺开，二十世纪八十年代以来，我国岩土工程项目数量逐年增加，对勘察技术的发展要求也越来越紧迫。作为先进的工程物探技术之一，波速测试技术广泛应用于现代岩土工程的勘察中。波速测试技术作为一种重要的检测和监测手段，渐渐受到国内外岩土工程界的重视。目前，波速测试技术已应用于铁路工程、工业与民用建筑工程、水利水电工程、石油工程、冶金工程等岩土工程地质勘探领域，取得的实际效果十分理想。由于岩石的类型、组成和结构的不同，各层具有不同的物理性质，可以通过弹性波速等参数来反映。钻孔剪切波速试验是利用土层的物理特性，通过对不同岩土层的横波（S波）和压缩波（P波）之传播速度的测量，计算动态参数、场地优期、评价场地地震效应、确定场地类型、判断岩土层的工程性质，提供依据给工程设计使用。

1 岩土工程勘察的重要性分析

为了使岩土工程设计中各种地质参数的可靠性和准确性得到保证，岩土工程勘察的重要程度必须在理念上得到澄清。在勘察岩土工程中，测点不合理的布置或缺乏全面的分析，可能会引起许多实际之问题，如因为勘察岩土工程之过程和结果这类影响因素驱动，过于保守的基础设计方案，或基础设计方案的安全性缺失或缺项，工程总成本可能会增加。因此，在勘察岩土工程中，应当按照场地条件、结构重要性等因素进行相应勘探技术手段的选择。然而，在总体预算的岩土工程中，从占有的比例来看，勘察费用很少。如果能及时获得满足基本设计要求的资料和数据，就成为探索者需要直面的重要问题之一。如果选择了不合理的技术手段，可能对调查结果的确定和准确性造成一定程度的影响。由此可见，在岩土工程项目建设中，千万不可忽视勘察工作的重要性，否则会对工程总体设计方案和施工质量产生直接关系，也将对施工现场的安全和工程的使用产生重大影响。

2 概述波速测试的相关技术

2.1 基本的原理

波速测试技术在岩土工程勘察中的具体应用原理：以波速为主要依据，分析了岩土工程中地基土的物理性质，这种勘察方法的技术在岩土工程勘察中是比较先进的。波速测量技术有多种，包括：Riley波技术、横波技术和压缩波技术等。根据波速试验结果，可以使岩土工程类型的具体分类的完成得到实现。在设置动力参数方面，需要详细分析阻尼、压缩、剪切刚度等参数。同时，将波速测试技术应用于岩土工程勘察中，可以非常准确地反映地震参数，如特定的动剪切刚度和阻尼比等。通过对试验数据的分析，可以判断岩土工程土中是否存在液化现象，进而按照试验结果判别岩土的周期，从而保证施工现场岩土工程的划分更加科学合理。波速测试结果有多种计算方法：如固体介质受外力的影响，则会产生固体介质之应变技能。当消失了这种冲击力时，平衡关系不会在外力冲击与应变间形成，弹性波的产生是必然的，并逐渐从固体介质转移到周围位置。弹性波之组成的复杂性不言而喻，更常见的是：表面波和体积波等。一般情形中，在岩石和土壤表面实现面波传播，可以细分为瑞雷波和相应的拉尔夫波。此外，体积波可细分为压缩波和相应的横波。在同一固体介质中，不同波的传播模式不同，传播特性和传播速度也有差异。在计算波速的过程中，必须根据具体的波速进行计算。

2.2 具体的测试方法

当前，关于剪切波速的测试技术有很多种。

（1）单孔法

在钻孔中对单孔法进行了测试，测得的波速为地面与测点之间的平均波速。这种方法常用于土层软、硬度变化较大或土层水平较小的地层。

在测试时，它可以在地面上激振，在孔底接收，亦称下孔法;也可以激振在孔底，在地面上接收，稱为上孔法;它可以沿孔向上或向下进行测试，而孔底法经常用来逐点从底部到顶部进行测试。测试钻孔应尽可能垂直，声波探头或三分量探测器应放置在预定的深度位置孔内，并靠近孔壁。试验土层剪切波常用的激发振源的装置的木板尺寸为2000×300×50mm。板长方向的垂直线应对准试验孔之中心，距孔口的距离为1-3m，并应设置一个重物其大于400 kg。当板的两端用锤子水平撞击时，水平剪切波是由板与地面之间的摩擦产生的。两组极性相反的剪切波可以通过两次相反方向的冲击得到。横波试验应与土层分布相结合，建立测点，测点垂直间距为1-3m，层位变化应加密，岩体压缩波被测量时，测点垂直间距为0.2-0.5m，应有水在钻孔内。在每个测点位置，应多次进行重复测试。

（2）跨孔法

跨孔法是在现场取两个平行的钻孔，将振动源设置在一个孔的不同深度，并将检波器放置在另一个钻孔的对应深度处。测量的波速是两个孔间的地层传播速度。该方法特别适用于均匀土层，并常用于场地条件的多层地层。

振动源孔与检测孔应平行。当测试孔深度超过15m时，应测量各测试孔的倾角和倾斜方位，0.1°的测量精度要保持，以对不同深度的孔距进行准确计算。测试孔的平面布置可以是两个孔，也可以是多边形，即一个孔激发和多孔接收以进行检核。为了消除振动源装置和波传播路径的影响，每组使用3个钻孔，布置在一条直线上。钻孔间距的确定应根据试验精度、振源容量、土层均匀性等来定。孔距在土层中适合为2-5m，岩层为8-15m。当土层厚且均匀，有较大的振动源能量时，可适当增大间距。布置钻孔测量点要对地层情况予以考虑。根据地层分布的等距排列，测点垂直间距为1-2m。为了减少折射波的干扰，应在软、硬土层交界处的硬地层中设置测点，并在孔板下方孔距的0.4倍处布置地表附近测点的深度。

（3）面波法

稳态法或瞬态法可用于表面波法的测试，稳态法可用于常规方法。其原理是将一个激振器放置于地表，对地面施加频率为f的稳态强迫振动，其能量以振动波的形式扩散到半空间。当频率为常数时，只要测得波长LR，即可计算波速。该方法不需要钻孔，适用于均匀、单一地层，但测试深度较浅。当激振频率为20～30Hz时，测试深度为3-5m。

在测试中，以振动源作为测量线的零点，在振动源的一侧设置2-3个低频的检波器。当激振器在一定频率下作为稳态激振时，任何检波器在示波器中被移动到同一相位振动波形，检波器之间的距离是一个波长。在同一频率下，将检波器移至多波长测试，应多次重复测试。

2.3 应用现状

横波速度测试技术主要用于浅层勘探，能保证波速测试结果的准确性，其测试结果对解决各种地质问题具有辅助作用。因此，它在具体的岩土工程勘察中的应用是广泛的，如具体计算工程动力的参数和场地土承载力等。所有这些都需要用剪切波速测试技术来做会更好。此外，该技术具有测试操作简单、测试成本低、分辨率高等优点。同时，由于各种测试方法的存在，它的作用可以更好的发挥在建筑、水利、石油冶金等岩土工程中。目前，我国已经规范了剪切波速的测试，明确了对测试方法的要求。可以说，在我国测量岩土工程中，横波检测技术得到了广泛的应用。

3 具体的应用

案例。某阀门公司由于扩大高温高压阀门项目的实施需要进行征地190亩（即126667m2），总建筑面积大致为506667m2，需要拟建办公大楼、金加工车间，油漆包装车间、热处理车间、装配车间、成品库，原料库以及物流中心等。本工程勘察的重点是岩体以及土体，主要内容涵盖：岩溶覆盖层的比厚变化及分布之规律、特殊地带的发育、场地岩土工程的相关划分、岩体质量单元的具体划分、土体和水的物理力学性质、地基的稳定性和承载力、场地和地基的地震条件以及边坡是否稳定。针对地基的某些基础方案和边坡支护的具体方案，提出相应的措施，并选择出具有稳定性的地基承载层。

具体的测量方法包括：地质调查、钻探和钻孔超声波测速，为了更好地确定具体类型和地点，可在部分钻孔中，使用CE-9201岩土工程质量检测仪实现具体测试的完成。

为了使岩土的比质量、地层的具体动态弹性参数和场地覆盖的比厚度更加准确，有必要在建议的野外地区对6个钻孔的横波进行测试。结果如下。

在场地划分过程中，必须参考土房的等效剪切波速和场地覆盖层的比厚度。该工程场地以杂填土、犁土和黄土为主，厚度约为0-29.10m，平均厚度约9.2m，根据现场试验计算结果，工程中某些横波的平均值约为176.26m/s，平均波速为177.22m/s，可判断施工场地土的类型和类别分别为中软土和Ⅱ型。

总之，岩土工程勘察的一种常用方法就是波速测试。在实际应用中，这一技术以高效率、低成本、方便施工、处理信息速度快等优点著称于世，它能满足相关工程对土壤形成条件的评价。测试人员应具备基本的理论知识和业务能力，合理择选测试仪器，并在整个测试过程中做好测试和控制工作。准确地计算剪切波速等动力参数，并对试验数据进行重新解释，以使岩土工程勘察的准确性得到保证。

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