波速测试及其在建设工程抗震设计中的应用

黄强

(中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队,四川 成都610052)

随着人们生活水平的提高,开始追求高舒适度的现代化居室,出于对建筑物的安全考虑,其抗震设计越来越受到重视。因此,在工程建设中都离不开地震效应评价。波速测试是目前进行场地地震效应评价中最常采用的技术之一,其成果资料可以用于划分建筑场地土类别、场地类别、判别砂土液化等,并以此作为抗震设计的依据之一。

1 方法介绍

波速测试是岩土工程勘察的一种原位测试方法,用于测定场地内各类岩土层的压缩波、剪切波的波速值,测试方法分为单孔法、跨孔法或面波法(各测试方法对比见表1)。由于单孔法测试装置简单且测试效率高、成本低,故在实际工作中一般采用单孔法。通过锤击木板,使木板与地面发生错动,产生剪切波,并在钻孔内不同深度接收向下传递的剪切波。通过计算获取各地层的地震波传播时间和相应的接收深度,即可计算出各地层波速值。

表1 波速测试方法对比表

2 现场工作要求

对于单孔法,采用地面激发弹性波,孔内三分量检波器接收的方式进行测试。(如图1)

图1 单孔波速测试示意图

2.1 震源装置及激发

剪切波震源:单孔法震源可采用爆破、弹簧式S波、敲击木板等方法。其中最常用的是敲击木板,即采用正反向锤击木板的方式激发,要求孔口与木板中心连线与模板长边垂直,孔口与木板的间距宜为1m到3m之间；压板重物不宜小于500kg,使木板和地面耦合良好。纵波震源:要求激发能最大和重复性好,常用的是用重锤锤击放在地表的圆钢板,以产生纵波。

2.2 接受装置

孔内探头采用三分量检波器,其中一个垂向检波器接收压缩波,另外两个水平检波器接收剪切波。一般采用气囊式或弹簧式装置使探头紧贴孔壁,测点间距一般为1m,自下而上进行测量。

2.3 现场波形判别

在现场工作中应对采集到的波形鉴别,确保采集到的有效。应根据剪切波和压缩波的特点把它们区分出来,区分的方法常有以下两种:

(1)压缩波速度较快,同一深度的压缩波总是先于剪切波到达。

(2)压缩波能量少,因此振幅较小；剪切波能量大,振幅高。且剪切波是正反两个方向激发,这两个方向锤击获得的剪切波相位应相差180°,而压缩波即使正反敲击其相位不变。(如图2)

图2 正反向锤击波形图

3 数据处理

3.1 岩土层的层速度计算

读取各测点纵波、横波(剪切波)的初至旅行时间t,按下式进行校正:

利用校正后的各测点时间,按下式计算:

即得到第i测点与第i+1测点间的速度。

3.2 等效剪切波速计算

等效剪切波速计算时应首先确定计算深度,现行主要建设工程行业规范中主要分为两种计算方法,现将建筑、水工建筑、公路桥梁、铁路工程等规范相关规定总结如下:

3.2.1 确定计算深度

3.2.1.1 根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)、《水工建筑物抗震设计标准》GB51247-2018、《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008中规定,等效剪切波速计算深度为场地覆盖层厚度,一般情况下,将剪切波速大于500m/s且其下卧各岩土层的剪切波速均不大于等于500m/s的土层顶面的至地面的距离作为覆盖层厚度。特殊情况按相关规范执行,如地层中存在孤石、透镜体、火山硬夹层等情况应按规范规定计算。3.2.1.2 根据《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006(2009年版)中规定,等效剪切波计算深度,应取地面或一般冲刷线以下25m,并不得小于基础底面以下10m。

目前，操作模式优化相关概念在很多学科中被广泛提出并应用。桂卫华等[1]在铜闪速熔炼领域定义了操作模式优化的相关概念，提出了一种操作模式优化的方法。复杂工业过程的数据主要包括：输入条件、状态参数、操作参数以及工艺指标[3- 4]，对于纸浆洗涤过程，数据可描述如下。

3.2.2 计算场地等效剪切波速

4 工程应用

4.1 砂土液化判别

根据《岩土工程勘察规范》GB 50021－2001相关规定,当采用剪切波速判别地面下15m范围内饱和砂土和粉土的地震液化:当实测剪切波速大于按下式计算的临界剪切波速时,可判为不液化。

4.2 场地土类型和场地抗震地段划分

4.2.1 场地土类型划分

根据《建筑抗震设计规范》规定,由各岩土层的剪切波速vs并结合各岩土层的物理力学性质,判别各岩土层的场地土类型:vs>500,为坚硬土或软质岩石；500≥vs>250,为中硬土；250≥vs>150,为中软土；150≥vs,为软弱土。

4.2.2 场地抗震地段划分

地震区选择建筑场地时,应划分对建筑抗震有利、不利、危险的地段,其中规定:坚硬或开阔平坦、密实均匀的中硬土有利地段划分为有利地段；软弱土,液化土划分为不利地段；因此场地内各岩土层的场地土类型、是否为液化土是作为抗震地段划分的重要依据之一。

4.2.3 划分抗震地段的工程意义

地震作用破坏建筑结构时,地震作用对结构造成直接破坏因素,此外还有场地条件的原因,所以选择抗震有利地段,是减轻因场地原因引起的地震灾害首要步骤。规范规定抗震设防区的建筑工程场地宜设置在抗震有利地段,抗震不利地段应避开,并不建设在危险地段。

4.3 场地类别划分及其工程意义

4.3.1 场地类别划分

根据《建筑抗震设计规范》4.1.6 规定,采用由剪切波速值确定的场地覆盖层厚度和场地等效剪切波速综合判定场地类别(表2)。

表2 各类建筑场地的覆盖层厚度(m)

4.3.2 划分场地类别的工程意义

4.3.2.1 设计特征周期Tg的确定

根据《建筑抗震设计规范》5.1.4 条,设计特征周期Tg应按设计地震分组、场地类别查表确定(表3)。

表3 特征周期值

设计特征周期Tg后,是确定建筑结构地震影响系数参数之一,结构地震影响系数又是是建筑结构总水平地震作用标准值的计算参数。

4.3.2.2 抗震设防烈度调整依据

根据《建筑抗震设计规范》3.3.2 条及3.3.3 条规定:应根据建筑场地类别,拟建建筑的抗震设防类别调整抗震设防烈度采取抗震构造措施。如Ⅰ类建筑场地,抗震设防烈度为6度以上的丙类的建筑,采取抗震构造措施应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求。Ⅲ、Ⅳ类建筑场地,对设计基本地震加速度为0.15 g和0.30 g的地区,规范中另有规定,采取抗震构造措施时宜分别按抗震设防烈度8度(0.20 g)和9度(0.40 g)时各抗震设防类别建筑的要求执行。

5 结论

通过以上论述可知波速测试在岩土工程勘察中是一种常用的测试方法,其具有工作效率高、资料处理快速,成本较低的特点。波速测试获得的场地内各岩土层的剪切波速vs、场地等效剪切波速vse,可以作为场地砂土液化判别的手段之一；是场地土类型划分、场地类别划分、确定设计特征周期和建筑抗震设防烈度调整的依据。因此波速测试成果的准确性,关系到建设工程抗震设计的安全性、合理性。物探技术人员应在现场按规定布设激发、接受装置；保证采集到有效的压缩波、剪切波,并正确判读的初至位置,获取真实波速值。