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波速测试secret
4.波速测试
4.1土体波速测试
弹性波在地层介质中的传播可分为压缩波(P波)和剪切波(S波);在地层表面传播的面波可分为Rayleigh波(瑞利波R波)和Love波(L波)。
它们在介质中传播的特征和波速各不相同,P波最先到达,速度最快,振幅最小;S波次之;R波最慢,但振幅较大。
波速测试就是测定弹性波在土体内的传播速度,而依据弹性波理论间接测定岩土体在小应变条件下(所谓小应变,即对土体激发的冲击、振动的动力小,多为锤击、小能量爆破等。
)动弹性模量和泊松比。
由于土中压缩波速受到含水量的影响,不能真实地反应土的动力特征,故通常以剪切波为主。
波速试验的目的:
场地地层分类,地基处理前、后的动参数(剪模、弹模、泊松比)及探测地质异常体(地下管道、洞穴等)。
试验方法分为跨孔法、单孔波速法(检层法)和面波法,见图4-1。
图4-1 试验布置图
(a)单孔法 (b)跨孔法 (c)面波法
4.1.1跨孔法
跨孔法以一孔为激发孔,布置一或两个检波孔。
钻孔应平行垂直。
当孔深超过15m时,应对孔的倾斜度及倾斜方位进行量测,否则波速误差很大。
跨孔法可直接测定不同深度处的土体波速,最适于成层状土层,直接测定成层土水平传播的剪切波。
钻孔中测点布置应事先了解地层,当遇到软硬地层交界面时,则应布置在硬地层中,以免测到折射波,而不是直达波。
近地表的测点宜布置在0.4倍孔距的深度处,其余测点深度间距宜为1~2m。
(1)试验设备:
试验设备包括激发装置和接收装置两部分。
激发装置:
孔内剪切锤,为人工机械激发装置,图4-2。
圆筒体,两侧有翼板,可伸出伸进,可通过油压或气压使翼板伸出紧贴孔壁;中间为滑动重锤,被细钢绳拉动自由下落或快速上升,便上下敲击圆柱体顶、底板,从而使圆柱体上下运动,带动翼板与孔壁土层产生剪切力,于是土层产生剪切波,向检波孔传播。
接收装置:
由孔内检波器(图4-3)和地面接收仪器(含示波器)组成,接收剪切波主要由三分量检波器的垂直检波器完成。
图4-2 孔内激发装置结构图图 图4-3 三分量检波器
(三个检波器互相垂直)
(2)试验步骤:
(A)剪切波激发装置与三分向检波器分别放入两孔内同一深度(且为同一土层),分别加压使激发器翼板伸出与检波器气囊鼓胀而达到激发、接收装置紧贴孔壁。
(B)试验时将激发器内滑动重锤快速上击和下击,翼板与孔壁土层产生剪切波,检波器应接收到三次清晰波形信号为止,地面接收仪进行记录。
(C)松开激发器和检波器,作下一测点试验。
(D)精确测出两孔间间距。
钻孔间距一般以4~5m为宜。
(3)资料整理:
(A)打印跨孔法实测波形,确定剪切波到达起始位置,图4-4。
由于剪切波速慢于纵波(压缩波),故第二到达的为剪切波,由于剪切波的能量为压缩波的3-4倍,故波幅大,而频率较低(压缩波波幅小频率高),取第一个大的波峰的起始点,作剪切波到达起始位置。
图4-4 跨孔法实测波形
(B)量测出激发信号起始位置到剪切波到达起始位置之间走时ts,计算vs。
式中:
-剪切波速(m/s);
-两平行钻孔间间距(m);
-剪切波自激发点到达接收点走时(s)。
4.1.2单孔法
单孔法又叫检层法。
与跨孔法不同的是只钻一个孔,地表面激震,孔底接收。
波速为地表至测点之间土层的平均波速,而不能得到特定土层的波速,且测试深度有限。
(1)试验设备:
试验设备与跨孔法一样,也是激发和接收两套装置。
不过激发装置是在地面,为一块堆
上500㎏重物的木板,用锤敲击木板端部,使木板与地面土层产生水平剪切力,于是产生水平剪切波,向孔内检波器传播,主要由三分量检波器的水平检波器完成。
木板尺寸为长2.5~3m,宽0.3m,厚0.05m。
(2)试验步骤:
(A)将三分量检波器放入孔预定深度,加压使气囊鼓胀而让检波器紧贴孔壁。
(B)安放激振木板,平面布置图如图4-5。
木板中央距孔口距离一般为1m。
(有的
单位在靠木板中点处安放一检波器,以便更准确测得激发信号起始位置。
)
(C)求出激发源至孔内三分量检波器之间距离。
(D)试验时,用铁锤水平敲击木板一端,地表土层产生的水平剪切波经地层传播,由孔内三分量检波器的水平检波器接收,输入接收仪,试验要求接收仪获得三次清晰的记录波形。
然后再反向从木板另一端敲击木板,以同样获得三次清晰的波形为止,该点试验结束。
图4-5 地面激发示意图
(3)资料整理:
(A)根据实测出的正反向所获得的正反向剪切波形如图4-6,进行波形鉴别。
对于剪切波,敲击木板正反向两端时,剪切波波形相位差180°,而压缩波相位不变。
图4-6正、反向剪切波波形
(B)波速计算(图4-7)
(a) 测点深度在10m内时,计算前提是:
同一土层为均质体,波速在同一土层内无论竖向、斜向、水平向的传播速度相同。
测点C点布置在第一与第二层分界面上,第二点D布置在第二层土内。
实测LSC、LSD的走时为t1、t2,现求CD测点间第二层波速vS2,将第一层波速(OC点间波速)定为vS1。
图4-7波速计算图
t1为激发点到测点C走时;t2为激发点到测点D走时
在直角三角形SDG中:
DF:
DS=EF:
GS
由于同一土层均质,VS1=VSF,VS2=VFD。
根据路程、走时和波速关系则:
故
(b)测点深度大于10m时,将激发点到C与D的走时t1、t2简化为孔口到C与D的走时。
可按下式计算:
4.1.3面波法(简介)
面波法又稳态振动法图4-1(c),当激振器在地表施加一定频率的激振时,可测出强迫地表振动产生的面波(瑞利波)的波长.当激振频率一定时,只要测出瑞利波的波长,就可计算出瑞利波波速:
式中:
VR-激振器产生的瑞利波波速(m/s);
f-激振器激振频率(HZ)(激振器已标出);
LR-瑞利波波长(m)。
它是由图4-1(c)中两个检波器在激振时,不断移动两者距离,使接收到的波形出现同相位的振动波形,见图4-8(b),这时两个检波器之间间距长度即为LR。
VR速度反映了地表下,深度为一个波长的土层的波速平均值。
(它比剪切波速略小,可近似为:
)
面波法可以不打钻孔,并用面波代替剪切波进行检测。
它适于均匀、单一、波速高的土层(且下伏土层波速低);但测试深度较浅(当激振频率大于20-30HZ时,测试深度小于3-5m)。
图4-8(a)两个检波器不在相位处,图4-8(b)两个检波器同相位处,相位相差2π,
出现不同相位振动波形出现同相位振动波形
4.1.4土体波速试验成果应用
(1)计算土层的动参数:
根据波的初至时间和激振点与检波点间的距离,可以计算出波在土体中的波速。
根据波速,可按以下式子计算动剪模量、动弹模量和泊松比:
式中:
vs、vP、vR—分别为剪切波波速、压缩波波速和瑞利波波速;
Gd-土的动剪切模量;
Ed-土的动弹性模量;
μd-土的泊松比;(通常粘土取0.42,粉质粘土取0.35,砂土取0.30)。
ρ-土的密度(重度除以重力加速度)。
(2)划分场地土类型:
依据《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)规定,场地土类别一般按场地覆盖层(当场地覆盖层厚度大于15m时取15m)范围内土层平均(按厚度加权)剪切波速进行划分,见表4-1。
表4-1 场地土类别
类别
土层的平均剪切波速vs(m/s)
坚硬场地土
vs>500
中硬场地土
500≥vs>250
中软场地土
250≥vs>140
软弱场地土
vs≤140
(3)计算地基土物理力学参数:
剪切波速vs与地基土物理力学性之间可以经过数理统计方法建立一定的关系式,下边是中科院工程力学所提出的关系式和规律表。
(A)vs与标准贯入试验N值的关系式:
(B)vs与土质类别的关系式:
(C)层状地基剪切波随深度变化规律,表4-2。
(D)土中压缩波、剪切波传播速度,表4-3。
表4-2
土层名称
剪切波速范围(m/s)
回填土、表土
90-220
淤泥、淤泥质土
100-170
软粘土
90-170
硬粘土
120-190
坚硬粘土
170-240
粉细砂
100-200
中粗纱
160-250
砾石、卵石、碎石
300-600
风化岩
350-500
岩石
>500
表4-3
土层名称
土的重度(KN/m3)
压缩波波速vp(m/s)
剪切波波速vs(m/s)
湿粘土
18.0
1500
150
天然湿度的黄土
18.7
800
260
密实的砾石
17.0
480
250
细砂
16.5
300
110
中砂
16.5
550
160
圆砾
18.0
750
180
4.1.5面波仪测试资料应用
(1)西藏驻成都办事处医院ZK15孔面波测试资料
测试仪器采用国产sws-1A型多功能面波仪(厂家北京物研所),数据处理采用csp-Ⅱ地震数据处理系统。
波速测试采用24磅重锤锤击作为激振源,用12道检波器接收,检波器之间间距为1m,迭加次数2-3次,通过频谱分析,功率谱计算,作出深度-速度频散曲线反演图(图4-9),然后算出地面以下各岩土层的剪切波速和场地卓越周期Tg。
图4-9 西藏驻成都办事处医院ZK15孔面波仪测试vs-Z频散曲线反演图(Fitness=0.919061)
表4-4 西藏驻成都办事处医院拟建场地ZK15号孔波速测试综合成果表
地层
序号
孔深
(m)
岩性
纵波速度
vp(m/s)
横波速度
vs(m/s)
动泊松比
μd
动剪切模量
Gd(MPa)
动弹性模量
Ed(MPa)
H1
0.00-3.40
土层
367
156
0.39
43
118
H2
3.40-4.20
粉土层
436
185
0.39
60
167
H3
4.20-8.40
砂层
550
242
0.38
102
283
H4
8.40-14.40
卵石层
723
338
0.36
228
621
H5
14.40-17.60
卵石层
907
476
0.31
487
1276
H6
17.60-20.00
卵石层
750
378
0.33
300
798
场地卓越周期Tg=0.297(s)
土层等效剪切波速vse=269(m/s)(计算深度20m)
(2)四川某高填方工地填石强夯试验区波速检测结果
在本区选取3个孔进行单孔法测试,测点深度为1、2、3、4、5、6、7、8m,激振板离孔口1m,木板上压重物,用铁锤从两个方向敲击木板端部,使木板与地面产生剪切波,用地震仪接收记录波形。
绘制剪切波vs、压缩波vp与深度关系曲线图(图4-10)。
图4-10a填石强夯区Vs波速与深度图4-10b填石强夯区Vp波速与深度
关系曲线图 关系曲线图
从曲线可看出强夯前、后在4m范围内的浅表部地层地基土波速显著提高,夯前vs波速平均为188m/s,夯后vs波速平均为423m/s;夯前vp波速平均为501m/s,夯后vp波速平均为885m/s。
但4m以下地层波速提高不太大,说明强夯处理对较深土体无显著夯实加固效果,与重型动力触探结果相吻合。
另从波速测试成果可看出,动弹性模量Ed强夯前为299MPa,夯后为822MPa;动剪切模量Gd强夯前为116MPa,夯后为324MPa;动泊松比μd强夯前为0.394,强夯后为0.375。
根据平均剪切波速划分,强夯前场地类型为中软场地,强夯后为中硬型场地(参见表4-1场地类别划分)。
4.2桩的波速测试
桩的测试主要解决两个问题:
桩的质量检测和桩的承载力大小。
桩的质量问题主要有断裂、蜂窝状、桩径变化(缩径、扩径)、离析等缺陷,并需推断缺陷所在位置。
测桩的方法见下表:
桩的动测法是在与单桩竖向静载荷试验对比基础上发展起来的,通过对桩顶进行冲击、振动等动能来进行测桩。
按桩身入土与周围土的相对位移量可分为小应变和大应变,一般小应变法适用于桩身结构完整性检测,而估算承载力稍差;大应变法估算承载力的可靠性较好。
动能激振可分为瞬态(动能为冲击动力即锤击,水压冲击,它的作用时间只有几毫秒)和稳态(动能为振动动力,用激振器振动,作用时间较长)。
动测法轻便、快速、经济,是桩测试的发展方向。
在桩的动测法中,小应变瞬态激振法中的反射波法、动力参数法是较常用的两种方法,也是测桩仪设计中主要采用的方法。
本书主要介绍反射波法(桩的质量检测)和动力参数法(确定桩的承载力)。
4.2.1反射波法
在桩顶锤击(垂向激振),弹性波从桩顶向桩底传播。
由于桩底与桩底土之间或桩身缺陷处密度的差异而存在明显的波阻抗的差异,在差异的界面处,波将反射回桩顶。
根据弹性波(完态桩和有缺陷桩)的不同历时,可计算出波速,判定桩身的完整性和桩身混凝土质量(图4-11)。
图4-11 桩底反射波与缺陷反射波
4.2.2动力参数法(频率法)
在桩顶锤击(垂向激振),激起桩身及桩周围土作轻微竖向的自由振动,由波形获得自振频率fv。
根据振动理论,在纵向振动情况下,将桩及周边土的竖向自由振动看作单自由度的质量-弹簧体系模型(图4-12),则弹簧刚度Kv与自振频率fv关系可表示为:
式中Q-桩的折算重量Q1(取均质弹性杆件总重的1/3作为折算重量)与参加振动的土体重量Q2之和。
再依据静载荷测桩试验与Kv之间对比研究获得单桩的极限承载力PU值。
图4-12 质量-弹簧体系模型
4.2.3试验方法与应用
(1)试验设备:
两类测试法皆由激振器(一般用锤击)、接收器(测桩拾振器)和接收仪三部分组成,图4-10。
接收仪主要进行波形整理,放大,示波和打印。
(2)试验步骤:
(A)将桩顶面以砂浆抹平,将测桩拾振器平置于桩顶上(用黄油等藕合,以保证拾振器与桩顶接触良好)。
(B)将接收仪电缆线分别与激振小锤和测桩拾振器连线。
(C)打开接收仪,输入日期、通道等参数。
按下反射波法功能键,等候测试;或按下动力参数法功能键,等候测试。
(D)试验,在桩顶中心敲击激振小锤,要求敲击时平稳,不可重复敲击。
接收仪便记录下波形。
(3)姿料整理:
(A)反射波法:
(a) 计算桩体平均波速
:
式中:
L-桩身长(m);
tR-桩底反射波到达时间(s)。
(b) 若桩有缺陷,计算缺陷处的位置L0
式中:
L0-从桩顶到缺陷处桩长(m);
-缺陷处反射波到达时间(s);
-通过桩底反射波而计算出的桩体平均波速(m/s)。
(c) 桩体级别判定:
根据“第二届应力波理论在桩基上的应用国际专业会议”建议,参见表4-4。
表4-4
桩体级别
桩体平均波速(m/s)
优
>4120
良
3300-4120
尚可
2750-3300
较差
1920-2750
差
<1920
(B)动力参数法:
(a)根据实测波的时距曲线(图4-13),计算单桩竖向自振频率fv。
式中:
fv-单桩竖向自振频率(HZ);
λ-主波波长,取前面的1-2个主波段中的一个主波(mm);
v-记录纸移动速度(mm/s)。
图4-13时距曲线
从图上可以量出λ=8.5mm,tλ=22ms=0.022s,
故vj=8.5/0.022=400mm/s,fv=400/8.5=47.06Hz
(b)计算单桩抗压刚度KZ。
式中:
ξ-单桩抗压刚度修正系数,ξ=2.365;
Q-桩的折算重量Q1(KN)与参加振动的土体重量Q2(KN)之和。
;输入桩的全长L0(m),桩入土深度L(m),桩横截面积为A(m2),桩的重度γ1(KN/m3)。
;输入桩尖以上1/3范围内土的重度γ2(KN/m3)和土的内摩擦角φ,桩径d(m)。
(c) 确定单桩极限承载力pu和单桩竖向承载力pa。
式中:
η-静载荷试验极限承载力与动力测试抗压刚度之间的系数;
K-安全系数,一般取2。
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