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剪下波波速測試，採用單孔法、跨孔法或面波法，利用鐵球水平撞擊木板，用於測定壓縮波、剪下波或瑞利波的波速。

基本介紹

中文名：剪下波波速測試
用於測定：壓縮波、剪下波或瑞利波的波速
採用：單孔法、跨孔法或面波法
利用：鐵球水平撞擊木板

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方法介紹

波速測試適用於測定各類岩土體的壓縮波、剪下波或瑞利波的波速，可根據任務要求，採用單孔法、跨孔法或面波法。利用鐵球水平撞擊木板，使板與地面之間發生運動，產生豐富的剪下波，從而在鑽孔內不同高度處分別接收通過土層向下傳播的剪下波。因為這種豎向傳播的路徑接近於天然地層由基岩豎直向上傳播的情況，因此對地層反應分析較為有用。

波速試驗作用：

1）劃分場地類型

2）計算場地基本周期

3）提供地震反應分析所需的地基土動力參數

4）判別地基土液化可能性

5）評價地基處理效果

單孔法

測試前的準備工作應符合下列要求：

（1）測試孔應垂直；

（2）當剪下波振源採用錘擊上壓重物的木板時，木板的長向中垂線應對準測試孔中心，孔口與木板的距離宜為1～3m；板上所壓重物宜大於400kg；木板與地面應緊密接觸；

（3）當壓縮波振源採用錘擊金屬板時，金屬板距孔口的距離宜為1～3m.

測試工作應符合下列要求：

（1）測試時，應根據工程情況及地質分層，每隔1～3m布置一個測點，並宜自下而上按預定深度進行測試；

（2）剪下波測試時，感測器應設定在測試孔內預定深度處固定，沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相反的兩組剪下波波形；

（3）壓縮波測試時，可錘擊金屬板，當激振能量不足時，可採用落錘或爆炸產生壓縮波。

測試工作結束後，應選擇部分測點作重複觀測，其數量不應少於測點總數的10%。

操作原理　單孔法波速測試採用的振源很多，如：爆破、空氣壓縮槍、彈簧式S波激發裝置、火箭筒等　等。但在一般的場地剪下波速測試中最常用的是敲擊板激振源。　敲擊板激振源：剪下波的測試設備—敲擊板激振源將一塊彈性好的木板（木板長約2米，寬約0.4—0.5米，厚約0.1米）受錘擊的兩頭包上鐵板，放在平整的地面上，上面壓上重物，使木板與地面緊密接觸，然後敲擊木板兩側，這樣木板就給地面一個水平衝擊力，激起土層的剪下振動。激發的振動主要為SH波。

敲擊板激振源： 　剪下波的測試設備—敲擊板激振源在敲擊衝量一定的條件下，激發的SH波振幅隨木板上重物重量的增大而增大，但超過一定值後影響會有所減少；長板效果比短板好；板與地面的接觸條件對激振效果影響較明顯，板底釘有釘齒、地面上潑水或水泥漿以增大木板與地面接觸的緊密程度可改善激振效果。

跨孔法

測試場地宜平坦；測試孔宜設定一個振源和兩個接收孔，並布置在一條直線上。

測試孔的間距在土層中宜取2～5m，在岩層中宜取8～15m；測試時，應根據工程情況及地質分層，每隔1～2m布置一個測點。

鑽孔應垂直，並宜用泥漿護壁或下套管，套管壁與孔壁應緊密接觸。

測試時，振源接收孔內的感測器應設定在同一水平面上。

測試工作可採用下列方法：

（1）當振源採用剪下波錘時，宜採用一次成孔法；

（2）當振源採用標準貫入試驗裝置時，宜採用分段測試法。

當測試深度大於15m時，必須對所有測試孔進行傾斜度及傾斜方位的測試；測點間距不應大於1m.

當採用一次成孔法測試時，測試工作結束後，應選擇部分測點作重複觀測，其數量不應少於測點總數的10%；也可採用振源孔和接收孔互換的方法進行檢測。

波速試驗現場

孔剪測試

天然地基，常常不是單一的勻質土體，而是具有多層結構的非勻質土體，為了解地基土層的空間分層變化情況，提供與波速相關的岩土動力學參數、計算土層的剪下模量、了解地基的軟弱地層、分析地基土的類型和建築物場地類別，進行地震土的地震反應計算等，必須使用波速測井這種地球物理方法。

單孔波速測試的原理

當 S波穿過地層時，他們遇到構造不連續界面時會發生折射或反射，並使其振動方面發生偏振。當發生偏振的 S波的岩石顆粒僅在水平面中運動時，稱為 SH 波。當岩石顆粒在岩波傳播方向的豎直平面里運動時，這中 S波稱為 SV 波。SH 波水平偏振橫波。質點在垂直於入射平面的方向上振動的波叫水平偏振橫波。SV 波垂直偏振橫波。質點在入射平面內且與傳播方向垂直振動的波叫垂直偏振橫波。

利用直達波的原理，由振源產生的壓縮波（又稱 P波）和剪下波（又稱 SH 波），經過岩（土）體，被放置在孔中的三分量檢波器接收，根據波傳播的距離和走時計算出場地土的波速，進而評價場地土的工程性質。原位測定壓縮波（P波）、剪下波（SH 波）在岩（土）體中的傳播速度，從而避免了室內測試所帶來的誤差。

優點：直接對地層測試、結果相對精確且不需要任何場地（只要能成孔）。

當地面振源激發產生剪下波信號時，剪下波信號便從震源發出穿過地層介質，到達井下三分量探頭，探頭中的檢波器，經過機電轉換把地震的振動信號轉換成電信號，通過電纜傳送到波速測試儀，由測試儀器記錄並顯示剪下波波形。

（1）.在測井工作中，井口、震源、測井探頭三點構成了一個直角三角形。

（2）.在測井過程中只要知道了兩個測點的深度和剪下波的傳播時間則兩點間的深度之間地層介質的平均波速滿足：

注意事項

對鑽孔的要求：測試剪下波的鑽孔有一定的要求，主要如下：

對孔徑的要求：按測井探頭口徑的需要，鑽頭一般經常使用 50～60mm、90~105mm、110~130mm，根據測井需要，鑽孔直徑應該比測井探頭直徑大 3～125px。

對鑽孔井壁的要求：井壁要求光滑，井徑變化較小，上下一致。在鬆散和結構複雜的地層鑽井，除了更換鑽具外，鑽進的速度也要適當控制以保證鑽孔質量。井孔的傾斜要求不能超過 5°，否則測井資料的可靠程度大大降低。尤其跨孔法，對鑽孔的要求更嚴，否則誤差較大。

測井對鑽孔時間的要求：一般測井的時間要求比較特殊，受到終孔時間的限制。一般來說，在鑽機打完井後，馬上對鑽進進行擴孔、泥漿護壁等工作，這些工作完成後立即開始進行測井。打鑽工作一般在白晝進行，在完工後 24 小時以內，應該完成波速測井的工作，為了防止周圍環境和人文干擾，測井有時要在夜深人靜時進行，尤其受人文、交通干擾較大的地區，選擇合適的時間測井也是一種很好的防干擾措施。

鑽孔附近地面應儘可能平整：鑽孔時應儘量減少孔壁土層擾動，待測孔鑽到預定深度時，如地層軟弱應立即下套管護壁，套管與孔壁間應灌漿和填砂法處理，以保持套管與孔壁間的緊密接觸。

關於使用各種套管的問題：測量有套管鑽孔的剪下波速度，實踐證明還是比較不容易的。儘管有的文獻曾給出有套管鑽孔的剪下波速度和無套管測量結果是一致的，但沒有指出是如何測量，如何處理才能得到與沒有套管時測井的一致的結果。

對振源的要求：剪下波振源應採用錘和上壓重物的木板，壓縮波振源宜採用錘和金屬板。對木板激振源的一般尺寸要求：木板長約 2.5 米，寬約 0.3－0.5 米，厚約0.1 米。受錘擊的兩頭報上鐵板；通過敲擊木板兩側，這樣木板就給地面一個水平衝擊力，激起土層的剪下振動。大錘的要求：8 磅或 10磅。

現場測試注意事項：為獲得高質量的波形紀錄，測試前應調整好儀器設備，保證各設備可靠連線。另外，現場要注意以下的問題：

1. 作為振源的木板應選用彈性和韌性較好的木板，不宜用鐵板或水泥板。木板錘擊的兩頭可包上鐵皮或用一塊比木板截面稍大的鐵板墊在木板兩頭以便多次使用。

2. 井孔應與木板長軸線垂直，即井孔到木板的距離相等，這是保證木板兩面敲擊後，剪下波恰好反向的一個基礎。孔源距應是井孔到木板中心的垂直距離。

3. 木板與表土層耦合的好壞直接關係波形採集的好壞。現場可在選定放木板的地方撒一層砂子，放上木板來回磨動，然後拿開木板，耦合好壞一目了然，在有空缺處再撒砂子，反覆數次可達到最佳效果。

4. 現場可將汽車直接壓在木板上。無汽車可用重物。重物的重量應保證錘擊時沒有大的位移，另外重物應儘可能在木板上均勻分配。當重物質量有限時，在木板地面加帶鋼釘的鐵板或木板打孔插鋼筋。

5. 測剪下波時，錘擊力要儘量保證水平。錘擊要乾淨利索，避免二次或多次擊打。

6. 每次放下或提升換能器到一個新深度應保留十幾秒後再測，這樣可避免泥漿擾動干擾。

7. 在換能器上要配接吃力拉繩。根據經驗，最好是鋼絲細繩，細鋼絲繩伸縮性小，抗拉性強，不易纏繞。探頭帶鋼絲最好）

8. 測有泥漿護壁的鑽孔，最好從孔底測起，避免因泥漿沉澱引起卡換能器和測量深度不夠情況。

9. 剪下波不能在水中傳播，但根據實測經驗，在有濃泥漿護壁的鑽孔中，可以在換能器不與鑽孔壁緊密接觸的情況下測得很好的S波震相，為測量提供了方便。另外泥漿濃可以減少塌孔的可能性。

10. 測有套管的鑽孔，要避免鋼絲繩與套管直接接觸。

11. 測量時如遇塌孔卡住換能器，在人力拉不動的情況下，最好將鑽機用不帶鑽頭的鑽桿放到合適深度，用沖洗的方法慢慢的提升，這樣可保護換能器。

12. 在用氣囊式換能器時，用高壓氣筒慢慢打氣，打一下停一下，看是否已耦合，如提不動，則耦合好。切忌連續打氣，將氣囊脹破。槓桿式可將換能器提到一定高度後，放鬆電纜後，看是否下滑。

13. 隨著測試深度的增加，有效信號的頻率會有所降低，對數據的準確讀取有一定的影響（可選在有效波起跳點或第一波峰處）。

14. 隨著測試深度的增大，S波信號能量逐漸減小。為提高有效信號的幅度，單純增加激發能量也會增大噪聲的干擾。在選擇適當激發能量的同時，採用多次疊加的方法不僅能提高有效信號能量，還可壓制噪聲。

剪下波波速試驗現場及成果圖

規範重點

類型和波速

註：為由載荷試驗等方法得到的地基承載力特徵值（kPa）；vs為岩土剪下波速

剪下波速值

註：1、本表系10米以內的值，深度大於10米時，應適當加大

2、根據土層深度、標貫擊數、平均粒徑、空隙比、液性指數等綜合分析選擇表中所列的剪下波速值。

3、黏土、粉質黏土、粉土可按內插取值

來源：

《鐵路工程抗震設計規範》（GB50111-2006）

湖北岩土值

岩土層的剪下波速

粘性土的剪下波速

粉細砂的剪下波速

以上兩表內N為標貫錘擊數平均值

淤泥質土、粘性土的剪下波速

上表Vs數據乘以1.1的係數為粉土的剪下波數值

以上兩表內Ps為比貫入阻力的平均值

來源：《湖北省地方標準 DB42 /169-2003 岩土工程勘察工作規程》

覆蓋層厚度

應符合下列要求：
1 一般情況下，應按地面至剪下波速大於500m/s，且其下臥各岩土的剪下波速均不小於500m/s的土層頂面的距離確定。
2 當地面5m以下存在剪下波速大於相鄰上層土剪下波速2.5倍的土層，且該層和其下臥岩土的剪下波速均不小於400m/s時，可按地面至該土層頂面的距離確定。
3 剪下波速大於500m/s的孤石、透鏡體，應視同周圍土層。
4 土層中的火山岩硬夾層，應視為剛體，其厚度應從覆蓋土層中扣除。

來源：

《建築抗震設計規範》(GB50011--2010)

剪下波波速測試