剪切波测试技术在输水管道工程勘察中的应用

刘国华

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

剪切波速是评价岩土动力特性的主要参数，单孔检层法是剪切波速度测试最为常用的一种方法，可较精确地给出各分层的波速值，能较好地改善标准贯入法进行砂土液化判别不能反映土层的整体液化性状［1］，剪切波速值的大小直接反映了地层的软硬程度，具有快速、连续、经济等独特的优越性。

1 剪切波测试方法

剪切波测试的单孔检层法就是利用直达波的原理，由振源产生的剪切波（SH波），经过岩（土）体，被放置在孔中的三分量检波器接收，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。

本次使用的设备为RSM-SW剪切波测试仪和RSM-JQⅥ三分量速度检波器（其固有频率为25Hz），仪器参数设置为：采样间隔200μs，记录长度1024点，高通10Hz，低通240Hz。测试所用震源激震叩板规格：长2.0m、宽0.3m、厚度0.1m，板压重物大于500kg，激震锤4.54kg。激震叩板和检波器布置如图1。

图1 剪切波测试示意图

在距孔口中心O点适当距离的地面上A点放置叩板，使板的走向与叩板中心点至孔口中心点的连线相垂直，水平方向锤击叩板两端产生剪切波；当地面振源激发产生剪切波信号时，信号便从震源发出，穿过地层介质，到达井下B处放置三分量探头，探头中的检波器，经过机电转换把地震的振动信号转换成电信号，通过电缆传送到波速测试仪，由测试仪器记录并显示自A点震源途经L到达B点处的剪切波，由检波器接收后，以数据文件的形式存入微机，一般观测点距为1m。

为从实测波形记录上准确地获取计算波速的初至时间，采用了波形曲线重叠显示技术，将同一测点上正反两个方向锤击叩板的波形记录曲线重叠放置在一起显示。利用正反两个方向锤击所接收到的剪切波相位相差180°特性，来识别剪切波的初至相位，读取其初至时间ts值。因为该时间是从B点传到A点的时间，而实际测定地层的时间是B点传到O点的时间，因此应对ts值利用式（1）进行时间校正，确定剪切波速及动剪切模量。

式中 H为测点深度；X为震源点偏离井孔距离；ts为剪切波原始斜距初至时间；△h为相临两观测点的垂距；△t′s为相临两观测点的剪切波垂向初至时间差；ρ为土体的密度（g/cm3），经岩土试验获得土约为1.76g/cm3，中砂约为2.50g/cm3；Gd为土体的动剪切模量（MPa）。

2 测试结果

利用单孔波速测试软件，结合地质资料，对现场采集的剪切波波形数据进行分析处理，确定各层的平均剪切波波速，图2为CSYZ46钻孔的测试成果图，该段输水管道的剪切波测试成果如表1～表2。

表1 地层平均剪切波速

表2 地层加权平均剪切波速

图2 CSYZ46孔剪切波测试成果

3 测试结果的分析

利用土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度确定建筑场地的类别。土层的等效剪切波速的计算公式为：

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

根据各土层的厚度和剪切波速，按式（4）及式（5）进行计算，所得各个钻孔的等效剪切波速结果如表3。

表3 测区等效剪切波速

从表3中可以看到，5个钻孔等效剪切波速vse值都大于250m/s、小于500m/s，且覆盖层厚度大于5m，依据参考文献［1］判定元氏—赵县输水管道段建筑场地类别为Ⅱ类。

利用土层的平均剪切波速判定砂土液化情况判定公式为：

式中 vst为上限剪切波速（m/s）；KH为地面最大水平地震加速度系数，赵县测区为7度区，取KH=0.10；Z为土层深度（m）。

其中，深度折减系数rd的计算式为：

rd=1.1－0.02Z （Z=10～20m）

利用式（6）计算出待判别土层内各观测点的上限剪切波速，然后将需判别土层的实测剪切波速vs与同深度的上限剪切波速vst相比较，并做如下判别：

vs≤vst地震液化

vs>vst地震不液化

赵县段属于地震基本烈度Ⅶ度区，需进行土的液化判定。CSYZ46、CSYZ53号孔地震液化判定结果如表4。

表4 砂土液化判定成果

元氏县段位于地震基本烈度Ⅵ度区，CSYZ7、CSYZ15、CSYZ30号钻孔不需要地震液化判定。

4 结语

在输水管道工程勘察中，利用了剪切波测试技术成功地完成了建筑场地类别及砂土液化的判定，为设计部门提供了可靠的第一手资料，对建筑物的安全运行起到了至关重要的保障作用。

［1］王德咏，罗先启.基于表面波法的剪切波速测试与场地土液化判别［J］.世界地震工程，2010（1）.

［2］GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［3］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［4］姚姚，詹正彬，钱绍湖.地震勘探新技术与新方法［M］.武汉：中国地质大学出版社，1991.

［5］石家庄市水利水电勘测设计研究院.石家庄市南水北调配套初步设计第一设计单元工程地质勘察报告［R］.2013.