浅谈桥梁基础地质勘察中钻孔剪切波的应用

赵定宇

摘 要：随着我国交通的快速发展和一带一路政策的推动，铁路工程建设发展的速度不断加快，在高铁的建设中，桥梁工程占全线的比重越来越大，大型桥梁工程建设项目做好地质勘察工作对桥梁整体结构和基础的设计尤为重要。桥梁基础勘察中，钻孔剪切波的应用十分广泛，通过该方法可以有效地判别场地的类别，为工程基础和整体的抗震设计、承载力设计有重要的意义。本文通过介绍桥梁基础勘察中场地钻孔剪切波具体测量方法、原理，并探讨了如何进行场地类别的划分，此外，本文借助钻孔剪切波在花塘村特大桥项目地质勘察中的应用，进一步论证了其该方法的适用性。希望通过本文的研究，能够为桥梁基础地勘提供指导和参考。

关键词：钻孔剪切波；波速；场地类别；基础设计

中图分类号：P624 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0141-02

近年来，随着我国铁路的大规模建设，大型桥梁类工程越来越多，科学的地质条件勘察是工程建设的先决条件。怎样做好大型桥梁项目的场地类别判断就要求全面探讨钻孔剪切波测试在工程实践中的应用[1～2]。场地的地質条件、类别等划分能够有效为桥梁工程地基处理与主体结构设计等提供直接的依据，也是当前工程物探的一项重要研究课题之一。本文根据单孔层检法对工程实践中剪切波的测试应用进行了分析，并探讨了工程实践中场地钻孔剪切波测试的具体应用原理、方法以及实际工程项目的应用等[3]。

1 工程概况

工点位于金华至建德铁路浙江省兰溪市境内，有乡村道路通过，交通较为便利。全长2357.71m。桥式为67-32.6m简支梁+1-24.6m简支梁+4-32.6m简支梁。工点地貌为兰江冲积平原及剥蚀丘陵。工点范围内地层岩性主要为第四系全新统人工堆积素填土，湖积淤泥，冲积粉质黏土、粉砂、细圆砾土、粗圆砾土；下伏基岩主要为白垩系上统方岩组砂质泥岩、砂岩，侏罗系上统劳村组粉砂岩、凝灰岩、砂岩。通过地质调查和采用钻探、物探、原位试验等勘探测试手段，结合室内试验，详细查明了桥址范围内的地层分布、岩性、地下水分布规律等地质情况。

2 勘察方法选取及数据收集处理

2.1 桥梁地勘中钻孔剪切波检测的方法和机理

花塘村特大桥工程地质勘察过程中，主要通过剪切波测试仪器来完成剪切波速和相关参数的测定，此外，也可以选用浅层地震仪来检测。通过配合井下三分量检波设备来完成对剪切波的检测。

桥梁基础勘察常用的剪切波检测方法为层检法，具体顺序如下：

第一步，在井口附近位置做好平整场地处理，并放置厚木板（通常选用板厚为10cm到20cm），随后将重物放置在木板之上起到压紧木板的作用。注意木板的放置方位，要尽可能保持木板中心位置与井口能够跟木板的长轴方向相互垂直，通常将板控制在距离孔口1m到5m的位置。

第二步，使用大锤（尽可能选取木锤）顺着水平方向敲打，敲打位置位于木板的两端部分，同时把相同检波器所获取的两张剪切波记录进行对比，根据二者相位为反相特征，对剪切波（S波）的初至时间进行判断。

采用上述方法检测具有一定的优势，如受区域和场地条件的影响较小，对于城市市区、郊区等地的勘察都能够顺利实施。此外，该方式能够直接找出隐蔽层所在的位置，同时还能判断该层的厚度和传播波速。

但使用该方法也有一定的限制条件，具体如下：（1）检波器必须紧紧依贴孔壁，同时保证木板要紧贴地面；（2）确保重锤敲打木板过程中要顺着水平方向完成敲打；（3）要尽量避免在检测波速过程中存在干扰信号的问题，由于干扰振动等造成的检测失真问题是该方法测试剪切波所禁止的。

2.2 花塘村特大桥收集数据与数据处理

（1）收集剪切波的运算。

根据野外实体检测的剪切波设备所记录的剪切波的特性，并按照地层厚度完成检测土层的各部分剪切波（Vsi）。

上述公式中：表示检测土层的厚度大小，单位为m；

表示的是检测土层的第i层土层的埋置深度，单位为m；

通过上述公式可以计算出不同土层的平均剪切波速Vs，运用该方法在花塘村特大桥检测各土层的剪切波速Vs见表1所示。

（2）场地等效剪切波速的运算。

上述公式中：表示测试土层的等效剪切波速的大小；

表示的是土层的计算深度大小，同时要参照规范要求确定；

t表示的是剪切波从地面到计算深度部分之间传播所需要的时长；

表示的是计算土层埋深范畴之内，第i层土体的厚度大小；

表示的是在一定深度范围之内，第i层体的剪切波传播速度大小；

通过上述公式对华唐村特大桥项目的钻孔土层进行计算结果见表1所示。

（3）卓越周期的计算Tg。

关于卓越周期主要运算方式包括两种，即各子土层的求和方式和加权平均计算方式，具体介绍如下：

①运用子层计算的方式进行周期求和。

子土层求和计算的公式如下：

各项参数可以根据表1中的计算结果选取，并计算出Tg大小。

②运用加权平均法求土层的卓越周期。

均值法计算地层卓越周期的公式如下：

各项参数可以根据表1中的计算结果选取，并计算出Tg大小。

3 项目场地类别的判断

通常判断桥梁建设项目的场地类别方法多式多样，各种方法均有其所适用的范畴和注意事项。对于桥梁工程的场地类别判断主要根据等效剪切波速Vse和场地的特征周期进行判断，同时还参考剪切波速的均值来判断其场地的种类见表2所示。

（1）根据计算深度内地层的等效剪切波速度值划分铁路工程的场地类别：

属于Ⅰ类场地土的情况：通常为岩石和密实的碎石类土，如块石土、岩石等，等效剪切波速。

属于Ⅱ类场地土的情况：通常为中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂、的粘性土和粉土、坚硬黄土，等效剪切波速在之间的。

属于Ⅲ类场地土的情况：通常为稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，的粘性土、粉土，和可塑性黄土（），等效剪切波速在之间的。

属于Ⅳ类场地土的情况：通常为淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土、粉土和流塑黄土，f的填土，等效剪切波在以下。

根据计算结果，花塘村特大桥建设项目的覆盖土层的剪切波速大小在250m/s～500m/s之间，由此可见，该项目所在场地属于II类场地。

（2）卓越周期（TG）判断法：

通过子层周期求和的方法对Tg进行求解，通过数据运算可得：

TG2=0.3485s；TG7=0.3242s；TG11=0.3106s；TG17 =0.3088s。

根据上述公式运算，该项目的Tg在之间，因此可以判断该项目所在的仓底为II类场地类型。

由此可见，在采用上述两种方法受到限制时，可以根据周边项目的等效剪切波速、覆盖层厚度等信息来判断场地的类别。

4 结语

现代大型桥梁工程项目建设对地质勘察的准确性要求越来越高，综合性的地质勘察能够更详细了解工程项目的地基土层条件，钻孔剪切波在地勘中的应用越来越广，根据地勘钻孔剪切波速的大小来对项目所在的场地类别进行划分，进一步保证项目的基础设计、抗震设计等符合项目上部结构和规范的需求。对于钻孔剪切波检测的具体方法、原理和场地类别的划分，本文通过花塘村特大桥项目进行了具体分析和计算，准确的判断了该项目所在区域的场地类别。希望本文的研究能够为类似项目提供一定的参考。

参考文献

[1]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.

[2]王振东.浅层地震勘探应用技术[M].北京：地质出版社，1988.