第一節

概

述1一、基本概念二、聲波測試的適用性三、聲波測試分類四、聲波測試的目的一、基本概念21．聲波測試的定義波速測試(Wave

Velocity

Test)是利用波速確定地基土的物理力學性質或工程指標的現場測試方法；根據彈性波在巖土體內的傳播速度，間接測定巖土體在小應變條件下(10-4～10-6)的動彈性模量等參數。波在地基土中的傳播速度是地基土在動力荷載作用下所表現出的工程性狀之一，也是建(構)筑物抗震設計的主要參數之一。第一

節概述2．幾組概念的區分3體波：在彈性體內部傳播的波；面波：在彈性體表面或不同介質交界面上傳播的波；瑞利波：波的質點在包含波傳播方向的鉛垂平面內振動，質點的振動軌跡為逆時針方向轉動的橢圓，且振幅隨深度呈指數函數衰減，傳播速度略小于橫波。

勒夫波：質點在水平面內振動，質點運動軌跡與波傳播方向垂直。在天然地震中，瑞利波是危害性最大的一種地震波，在人工地震勘探中，瑞利波被視為一種干擾波。所以，在地震減災和常規地震勘探中，都設法減小它的危害

和影響。3）壓縮波：當波傳播時，如果質點振動方向與波的傳播方向一致，稱為壓縮波；4剪切波：當波傳播時，如果質點振動方向與波的傳播方向相互垂直，稱為剪切波；二、聲波測試的適用性及分類由于地下水的存在對剪切波波速不產生明顯的影響（壓縮波影響很大）。所以，通常是測剪切波波速確定土的動力特性。波速測試可以采用單孔法、跨孔法和面波法。三、聲波測試的目的5地基土的波速測試可以應用于以下目的：劃分場地類型，計算場地的基本周期；提供地震反應分析所需的地基土動力參數(動剪切模量、阻尼比、動剪切剛度等)；提供動力機器基礎設計所需的地基土動力參數(抗壓、抗剪、抗扭剛度及剛度系數、阻尼等)；判斷地基土液化的可能性；評價地基土的類別和檢驗地基加固效果。第二節 單孔法6一、概述二、基本原理三、儀器設備組成四、試驗方法五、資料整理單孔法可分為單孔孔下法和單孔孔上法，如圖9—1所示。單孔孔下法是在孔口地面設置振源，在唯一的一個鉆孔中，在需要探測的深度處放置拾振器，主要檢測水平的剪切波(SH波)和壓縮波(P波)的波速。單孔孔上法則是將振源放置在孔內一定深度處，將拾振器放置在地面。第二節單孔法一、概述圖9－1

單孔法波速測試示意圖7最近在靜力觸探試驗中，有人利用安裝在觸探探頭內的拾振器觀測由地面錘擊引起的剪切波的速度。同時得到錐頭阻力、摩擦比和剪切波速度等資料。這種試驗稱為振動觸探試驗(Seismic

Cone

Penetration

Test，簡稱SCPT)，裝置如圖9－2所示。圖7－1

典型的旁壓曲線8二、基本原理1．基本假定地下介質采用水平層狀地層模型；剪切波速在水平方向為均勻分布，在垂直方向隨深度變化。2．公式推導設測點深度為hi，激震點距孔口距離為dx，則：（1）正演公式

對于第1個測點：剪切波達到測點1的走時：9對于第2個測點：同理，剪切波到達測點3的走時：根據以上推導，可得剪切波到達任意測點的走時：10（2）反演公式根據正演公式變形得到：11三、儀器設備組成單孔法測試所需儀器設備一般包括以下兩部分：震源：指的是彈性波激發裝置。彈性波接收裝置：包括檢波器、放大器及記錄顯示器。圖9－4震源示意圖121．震源人工激發是一種最簡單的方法，用得也最普遍。

常用的振源激發裝置是尺寸為2500mm×300mm×50mm的木板，木板的長度方向中垂線應對準測試孔中心。

孔口與木板的距離宜為1～3m，其上放置400kg的重物(圖9－4)。當用錘水平敲擊木板端部時，木板與地面摩擦而產生水平剪切波。將檢波器用擴展裝置固定在孔

內的不同深度處以接收剪切波。測試應自下而上進行。在每一個試驗深度上，應重復試驗多次。應該說，激震板越長，剪切波的頻率越低；壓重越重，剪切波能量越大。132．彈性波接收波速法測試時，無論選擇什么樣的振源，一般都會產生復合波，這就要求接收器既能記錄到豎直振動分量，同時又能記錄到兩個水平方向的振動分量，以便更好地識別到剪切波到達的時刻。所以，一般采用三分量檢波器。三分量檢波器是由3個傳感器按相互垂直的方向固定并密封在一個無磁性的圓筒內制成的，如圖9－5所示。這種檢波器自振頻率較高，對方向性不敏感，即使埋置傾斜，也能有效的進行波動測試。143．放大器和記錄儀目前國內波速測試所采用的記錄器主要有SC－1型、

SC－16型、SC－18型紫外線感光記錄示波器，工作頻率范圍為0～270Hz。走紙速度可根據波形情況加以調節。15四、試驗方法161．現場布置在指定測試點打鉆孔，垂直度要求與一般的勘探孔一樣。離開孔口1～1.5m布置激震裝置。如孔內檢波器沒有在孔壁上固定的裝置，則需要鉆機協助；否則除非鉆孔可能塌孔，在聲波測試前可把鉆機移走。2．孔內測點布置原則一般應結合土層的實際情況布置測點，測點在垂直方向上的間距宜取1～3m，層位變化處加密。具體布置遵循以下原則：每一土層都應有測點，每個測點宜設在接近每一土層的頂部或底部處，尤其對于薄土層，更不能將測點設在土層的中點。若土層小于1m，可忽略；若大于4m，須增加測點，通常可以每間隔1～2m設置一個測點。測點設置必須考慮土性特點。若土層相對均勻，可考慮等間隔布置；否則，只能根據土層條件按不等間隔布置。173．測試步驟（1）放置檢波器。向孔內放置三分量檢波器，在預定深度固定于孔壁上，并緊貼孔壁。檢波器貼壁的效果將直接影響到信號接收效果。按照檢波器貼壁方法的不同，可以將檢波器分為充填式、彈跳式和磁吸式等3種。充填壁式是通過檢波器上安裝的氣囊充氣膨脹后將檢波器固定在鉆孔中，缺點是測試時如果不注意充氣壓力的大小，氣囊很容易脹壞，另外也容易被一些堅硬的物體刺破。彈跳式是通過機械彈力將檢波器貼在孔壁；而磁吸式則是通過磁力將其吸附在孔壁。18我國目前批量生產的充填式檢波器有3種，其技術指標見表9－1。表9－1

充填式檢波器的技術指標第三節試驗方法

與技術要求19（2）布置測點。根據最小測試深度h1，測點間隔dh和測點個數n，可確定各測點的坐標為：20hi＝h1＋(i-1)dh(i=1，2，3)激發。一般采用地面激震，距孔口為dx處埋設一厚木板，用大錘分別錘擊木板的兩端，產生正、反向的剪切波。接收。采用三分量檢波器，在鉆孔的不同深度hi處分別記錄正反向剪切波的波形，檢查記錄波形的完整性及可判讀性。如發現接收儀記錄的波形不完整，或無法判讀，則須重做，直至正常為止。五、資料整理211．波形鑒別僅講剪切波達到時間的判斷方法。在測試巖土體剪切波速時，波形鑒別的目的是要確定剪切波到達的正確位置。由于外界干擾以及敲擊時在激板內產生的壓縮波向地下折射，實際得到的波形記錄往往是剪切波和壓縮波復合在一起的記錄，這就給剪切波的鑒別帶來了很大困難。但是，我們可以根據剪切波和壓縮波的不同特點把它們區分出來。區分的標志是：波速不同。壓縮波速度快，剪切波速度慢。因此，壓縮波先到達，剪切波后到達。波形特征。壓縮波傳遞的能量小，因此波峰小；剪切波傳遞的能量大，因此峰值大。頻率不一致。當剪切波到達時，波形曲線上會有個突變，以后過渡到剪切波波形。22壓縮波記錄的長度取決于測點深度。測點越深，離開振源越遠，壓縮波的記錄長度就越長。圖9－6

b)中波形是在離孔口5m深處記錄所得，其壓縮波記錄長度要短得多。如在孔口記錄，波形中就不會出現壓縮波。當測點深度大于20m或更深時，由于壓縮波能量小，衰減較快，一般放大器有時候測不到壓縮波波形，記錄下來的波形圖只有剪切波，這樣就更容易鑒別了。23圖9－6

波形圖242．資料整理與應用（1）參照以上波形鑒別方法，在波形記錄上識別壓縮波和剪切波的初至時間。對于單孔法，確定壓縮波的時間應當采用垂直向傳感器記錄的時間，確定剪切波的時間應當采用水平向傳感器記錄的時間；對于跨孔法，確定壓縮波的時間應當采用水平向傳感器記錄的時間，確定剪切波的時間應當采用垂直向傳感器記錄的時間。25（2）根據波的傳播時間，利用公式確定各土層波速。（3）根據各層Vsj、ρj或γj計算剪切模量Gj（j為土層序號）：g為重力加速度，g＝0.00981km/s226計算場地土層平均剪切模量（20m內，但不超過土層覆蓋層厚dov）確定場地覆蓋層厚度dov（Vsj>=500m/s）計算場地土層平均剪切波速Vsm（15m內，但不超過覆蓋層厚度dov）計算場地的卓越周期T（覆蓋層厚度dov內）27（8）計算場地指數1）剛度指數，當

>30Mpa,當

≤30Mpa2）厚度指數，當dov≤80m,

當dov>80m3）場地指數，當

≤500Mpa或dov>5m，當

>500Mpa或dov≤5m28（9）液化判別（如果15m內的土層有飽和粉土或砂土）用剪切波波速臨界值判別：砂土：粉土：判別準則：若Vsj>Vscr，則可不考慮液化；否則，土層可能液化。ds為砂土層或粉土層中剪切波測試點深度(m)；k為計算系數，按下表取值。表9－2

計算系數k（10）波速測試最終成果最終成果以表格和曲線的形式表達出來。29第三節 跨孔法30一、基本概念二、儀器設備構成三、試驗方法四、資料整理一、基本概念跨孔法，就是利用相隔一定間距的兩個平行鉆孔，一個孔設置激震器，作為震源，另一個孔放置檢波器，接收信號。主要檢測豎向剪切波(Sv波)和壓縮波(P波)波速。跨孔法的原理仍然是直達波原理。但是其震源產生的剪切波質點振動方向是垂直的，波的傳播方向為水平向。第

三節跨孔法跨孔法聲波測試示意圖31二、儀器設備構成跨孔法波速測試采用的振源有兩種：爆炸振源和機械震源。機械振源一種是井下剪切錘，另一種是用穿心錘敲擊取土器。后一種振源裝置攜帶方便，操作簡單，缺點是不能進行堅硬密實地層的跨孔法波速測試。32井下剪切波錘是一種常用的機械性振源，可用于各類土層。這種裝置由一個固定的圓筒體和滑動重錘組成。測試時，把該裝置放到鉆孔某一深度處，通過地面的液壓裝置將4個活塞推出使筒體緊貼井壁，然后向上拉連接在錘頂部的鋼絲繩，使活動重錘向上沖擊固定筒體，就會在簡體和孔壁間產生剪切振動，松開鋼絲繩，滑動重錘自由下落沖擊固定筒體。同樣也會產生剪切振動。由于振源作用力方向的改變，實際受到的Sv波初至相位差180°，這對鑒別Sv波的初至是有益的。完成一個測點的測試后，可以通過地面的液壓裝置將4個活塞縮回、再放到另一個深度，繼續進行測試。33用穿心錘敲擊取土器，也可激發剪切波，這種振源裝置攜帶方便，操作簡單，缺點是不能進行堅硬密實地層的跨孔法波速測試，并且需要一邊鉆進一邊測試，不能一次成孔。34三、試驗方法35跨孔法的試驗方法與單孔法主要區別在于將振源置于另一個鉆孔代替地面激振。1．測孔布置試驗方法是在試驗場地上打3個成一直線排列的鉆孔,1個振源孔，2個接收孔。鉆孔應垂直，當孔深大于15m時，應對鉆孔的傾斜度和傾斜方位進行量測，量測精度應達

到0.1°，以便對激振孔與檢波孔的水平距離進行修正。測試孔的間距在土層中宜取2～5m，在巖層中宜取8～15m。測試時，根據工程情況和地質分層，每隔1～2m布置一個測點。當測試深度大于15m時，測點間距應不大于

1m。2．孔內測點布置測點垂直間距宜取1～2m，近地表測點宜布置在0.4倍孔距深度處，震源和檢波器應置于同一地層的相同標高處。不應將測點布置在軟硬土層的交界面處。因為在軟土層中，剪切波通過硬土層界面折射后，可能比直達剪

切波要先到達檢波器，造成測到的是折射剪切波的波速，而不是軟土層剪切波速。363．測試步驟將激發器與接收器同時分別放入兩個孔內至預定的測點標高，并予以固定。調整儀器至正常狀態。驅動錘擊激發器，接受信號儲存，算出剪切波在土中的傳播時間。當采用一次成孔測試時，測試工作結束后，應選擇

部分測點作重復觀測，其數量不應少于測點總數的10％。也可采用振源孔和接收孔互換的方法進行檢測。在現場應及時對記錄波形進行鑒別判斷，確定是否可用；如不合格，在現場可立即重做。37四、資料整理38參照波形鑒別方法，在波形記錄上識別壓縮波和剪 切波的初至時間。對于跨孔法，確定壓縮波的時間應當采用