波速测试技术在岩土工程勘察中的应用_精品文档.pdf
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波速测试技术在岩土工程勘察中的应用蔡力挺,韩玉庆(山东省地矿局第三地质大队,山东烟台264000)摘?
要:
波速测试技术是地震勘探方法之一,也是一种简便、快速、准确的原位测试技术。
通过波速测试可获得岩土的弹性波速,为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、估算场地卓越周期及场地土的承载力、定量地划分岩石的风化程度、检测地基加固效果等。
简述了单孔检层法等波速测试方法的工作原理及方法。
以工程实例说明了波速测试技术在岩土工程勘察设计中的应用和及其效果。
关键词:
波速测试技术;剪切波;压缩波;单孔检层法;动弹性力学参数;卓越周期中图分类号:
P634.1?
文献标识码:
B?
文章编号:
1004?
5716(2009)03?
0032?
04?
波速测试技术是地震勘探方法之一,也是工程物探技术的一个重要分支,目前已广泛应用于工业与民用建筑、水利水电工程、铁路工程等众多岩土工程地质勘察领域,取得了良好的应用效果。
一般来说,波速测试可原位测定压缩波(P波)、剪切波(S波)在岩(土)体中的传播速度,从而避免了室内测试所带来的误差,它能有效地解决许多地质问题,诸如确定场地土类型、建筑场地类别;提供断层破碎带、估算场地卓越周期及场地土的承载力、评价岩(土)体质量等;并可计算工程动力学参数,如动剪切模量、动弹性模量等,为场地工程地质评价和工程建筑设计提供科学依据。
1?
工作原理波速测试一般采用单孔检层法和跨孔法两种,由于单孔法只需一个钻孔,且测试较简便,故实践常用单孔法。
单孔检层法也称弹性波速度测井,是在一个垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。
按照震源和检波器在钻孔中所处的位置,可分为地表激发孔中接收法、孔中激发地表接收法、孔中激发孔中接收法、孔底法等4种测试方法,常用地表激发孔中接收法。
实测一般采用单孔检层的地表激发孔中接收法,即地面激发以产生弹性波,孔内由检波器接收弹性波。
当地面震源采用叩板时可正反向激发,并产生Sh波(S波的水平分量,其传播速度与S波相等),利用剪切波震相差180的特性来识别S波的初至时间;在孔口附近垂向激发产生P波(见图1)。
根据下式可计算出Vs和Vp值。
Vis=(h2i+1+l2)-(h2i+l2)ti+1-ti
(1)Vip=(hi+1-hi)(tpi+1-tpi)
(2)式中:
hi、hi+1?
测试点i、i+1至孔口的垂直距离;l?
板中心到孔口的水平距离;ti、ti+1?
剪切波波在两个不同深度时的走时;tpi、tpi+1?
纵波在两个不同深度时的走时。
图1?
单孔检层法波速试验示意图?
压缩波(P波)与剪切波(S波)具有以下明显的特征,并根据此特征来识别它们:
32?
西部探矿工程?
2009年第3期
(1)P波传播速度较S波速度快,P波为初至波;
(2)在激振板两端分别作水平激发时,S波相位反向,而P波相位不变;(3)在距井口一定深度后,P波振幅变小,频率变高,而S波幅度相对较大,频率相对较低;(4)最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离,以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。
2?
测试方法现场测试时首先平整场地,将长约2.5m、宽约0.3m、厚约0.1m的激振板置于距井口1.5m左右且使木板中垂线通过井口中心,压上约5001000kg重物,使木板与地面紧密接触,以获得良好的测试效果。
分别敲击木板两端以获得3次清晰S波形为止,然后垂直敲击置于井口一侧的铁板激发P波,测试点距视岩士分层厚度而定(一般为1m)。
记录仪由井中三分量检波器和工程地震仪构成,三分量检波器置于孔中一定深度,接收由震源产生的弹性波信号,并通过连接电缆传输给地震仪,再由地震仪记录并储存以备后期数据处理。
图1为单孔检层法测试示意图。
3?
应用实例3.1?
判别该场地场地土类型、场地类别以及用波速估算场地的卓越周期烟台火车站改造改建项目:
烟台火车站北临黄海,地貌上属于山前冲积加海积相的平地。
工程场地地层自上而下依次为素填土、粉砂、粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、强风化云母片岩。
由于该项目为公共事业建筑,作为抗震设计考虑,应勘察单位的委托,要求用波速测试法判别该场地场地土类型、场地类别以及用波速估算场地的卓越周期。
本次采用波速测试单孔检层法,共做Z2-17#孔和Z2-23#孔(测试结果见图2、图3),根据!
建筑抗震设计规范#GB5001?
2001表4.1.3及表4.1.6,确定建筑的场地土类型及场地类别,判定结果如下:
Z2-17#孔和Z2-23#孔的等效剪切波速分别为206m/s、203m/s,覆盖层厚度分别为28m、30m,由此可得出该场地土类型为中软土、场地类别为%。
用T=4H/Vse(式中T为卓越周期,Vse为相应孔的等效剪切波速,H为覆盖层厚度、当H大于20m时取20m)估算场地的卓越周期分别为T=4&20/206=0.3883s、T=4&20/203=0.3941s。
地脉动法测试Z2-17#孔和Z2-23#孔的卓越周期结果分别为:
T=0.3867s和T=0.3927s,由此可看出通过估算值与测试值较吻合。
大量工程实践证明该式是一种快速有效的确定工程场地卓越周期的方法。
?
注:
图2、图3两孔震源距孔中心均1.5m。
图2?
烟台火车站站房项目Z2-17#孔波速测试成果图3?
烟台火车站站房项目Z2-23#孔波速测试成果3.2利用波速法计算岩土的动力参数根据实测获得的弹性波速(剪切波速Vs和压缩波332009年第3期?
西部探矿工程?
速Vp)即可计算岩(土)体的动弹性力学参数,为工程设计提供参考。
计算公式如下:
?
=V2p-2V2s2(V2p-V2s)(3)Ed=?
V2p(1+?
)(1-2?
)(1-?
)(4)Ed=2?
V2s(1+?
)(5)Gd=?
V2s(6)式中:
?
介质密度,g/cm3;Vp?
压缩波速度,m/s;Vs?
剪切波速度,m/s;?
泊松比;Ed?
动弹性模量,GPa;Gd?
动剪切模量,GPa。
如烟台通世路隧道工程,作为抗震及稳定性考虑,设计要求用波速法测定风化云母片岩的各动弹性参数。
该测试采用单孔检层孔内激发孔内接收法,测试结果见表1。
表1?
5#孔各层岩石动弹性参数岩土名称测试深度Vs平均(m/s)Vp平均(m/s)Ed(GPa)Gd(GPa)?
d?
(g/cm3)全风化云母片3.53376860.60920.22710.34092.0强风化云母片12.064612782.66091.00160.32842.4中风化云母片20.01330250011.98194.59910.30262.6微风化云母片25.01868332024.78539.77040.26842.8未风化云母片30.02442413041.116516.69740.23122.83.3利用剪切波速法估算岩土的承载力基本值根据大量工程实践得出烟台地区岩土的剪切波速值Vs与对其应的承载力基本值R(t/m2)关系见表2。
表2?
岩土剪切波速值与其对应的承载力基本值关系表Vs(m/s)R(t/m2)岩土名称608034一般为淤泥10013079淤泥质软弱土140180912软塑粉质粘土、粉土、松散的砂2002201416软塑粉质粘土、稍密中细砂2502801821硬塑粉质粘土、中密中粗砂3003602428硬塑粉质粘土、密实中粗砂、砾砂软质岩全风化层4004503035密实中粗砾砂、砾砂、全风化岩硬质岩全风化层50040强风化岩3.4?
砂性土地震液化势判别按地震基本烈度度考虑,对场地15m深度范围内的砂性土层依据!
岩土工程勘察规范(GB50021?
2001)标准进行判定,当砂性土层的剪切波速度实测值大于由式(7)所计算的临界剪切波速度时,则判定该砂性土层不液化。
Vscr=Vs0ds-0.0133ds2&(1-0.185dwds)&3?
c(7)式中:
Vscr?
剪切波速度临界值,m/s;Vs0?
与烈度、土类有关的经验系数,砂取65m/s;粉土取45m/s;ds?
剪切波速度测点深度,m;dw?
地下水深度,m,本测区为4m;?
c?
粘粒含量百分率,当小于3或为砂土时,采用3。
根据上述判定标准对烟台火车站站房项目地基砂性土层进行判别,其结果见表3。
表3?
砂性土剪切波速度统计表孔号孔深(m)岩性剪切波速度(m/s)实测值Vs临界值Vscr液化势判别Z2-17#5.08.7粉砂107176115143部分液化8.710.5粉土256106不液化Z2-23#4.07.0粉砂133256104123不液化7.09.0粉土21928894.5101不液化注:
Z2-17#、Z2-23#两孔深20m范围内地层岩性均为粘土和粉质粘土,故不做液化判别。
?
由表3可知在深度15m范围内:
粉砂层剪切波速度实测值均部分小于相应剪切波速度临界值,初判为部分液化土层;粉土层剪切波速度实测值均大于相应剪切波速度临界值,初判为不液化土层。
4?
结论
(1)以上通过工程实例说明了单孔检层法在工程勘察中的应用是有效的,同时也说明波速测试在工程勘察中有着广阔的应用前景。
(下转第37页)34?
西部探矿工程?
2009年第3期表4?
石膏层渠段盐块溶解试验成果汇总表盐块编号易溶盐(g/kg)盐块碾散后3min振荡浸提溶解速率(g/min)冲蚀水含盐量(g/kg)1020mm水头下蒸馏水冲蚀盐块溶解速率(g/min)中溶盐(g/kg)123平均值123123/TK18.811.611.40.2600.040/0.169/426.7TK311.811.411.40.2300.1430.1040.1310.0900.0700.066399.3TK410.111.411.40.2800.0340.0240.0540.1860.1050.149377.5TK511.611.611.40.2400.035/0.103/417.6TK611.411.611.40.2700.0280.1260.1180.1230.1890.138433.8TK712.211.611.40.2400.0270.0920.0340.0900.1070.090395.83?
石膏溶蚀对渠道稳定性影响由于石膏溶蚀对水工建筑物基础岩体的变形、不均匀沉降、抗滑稳定性都有很大的影响,对于水库甚至形成渗漏的通道或因石膏溶蚀引起岩体架空进而造成大坝沉降拉裂,另外,石膏溶蚀后环境水富含硫酸盐,对混凝土具有强烈的腐蚀性。
1由本工程试验成果可看出:
(1)呈透镜体分布的含盐富集层,是渠基土层内的不良土层,干密度较小,盐份溶蚀后的干密度仅为非含盐砂砾石层干密度的79%86%,渠基砂砾石层中的盐层(或盐块)在工程运行期间逐渐溶蚀后,渠基土形成架空或溶陷,承载力降低造成渠道破坏,必须进行工程处理。
(2)粒状含盐层中的盐份主要为砂砾石层形成以后充填于砂砾孔隙间,其溶蚀后不会对砂砾石结构形成大的影响,不会造成承载力降低、溶陷等工程危害,可不进行工程处理。
4?
石膏溶蚀的防治处理措施根据本工程的特点,工程处理措施以换填法较为有利,因为:
(1)地层以强透水的砂砾石层为主,耗水量大,加之水源较远,成本较高;
(2)含盐成份主要为中溶盐,溶蚀速率较慢,处理工期长,采用换填可避免硫酸盐对混凝土的腐蚀作用;(3)换填料场可就近开采,且满足工程土料填筑指标要求。
根据本工程渠道类型和石膏富集层的分布,建议对石膏富集层采用半挖半填和全挖渠段,换填砂砾石处理,挖深一般1.53m,最大挖深6m,局部过沟段为填方渠道,填方高度一般24m,局部68m。
换填厚度为垂直边坡80cm;对填方和部分深挖渠段可不做处理。
同时料场从开挖、运输及填筑碾压过程中,含石膏集层会离散并与低含盐层混合,平均含盐量将小于试验指标,可保障工程的安全。
参考文献:
1?
韩同春.百家岭隧道混凝土腐蚀的评价J.中国铁路,1999(8):
29?
31.(上接第3
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