摘要：波速测试依据弹性理论，对于测定所有种别的岩土体的剪切波以及压缩波或瑞利波波速，据此对岩土体的物理力学性质作出准确的判定，基于此给出合适的场地工程地质评价。本文首先对波速测试的要点、方式、资料处理、成果应用依次进行分析，紧接着归纳概括出波速和岩土体形状的规律。
关键词：弹性波；应用；波速测试；岩土体；岩土工程勘察
波速测试以弹性理论为指导，通过人工方式使岩土介质内形成不同类型的弹性波，并在岩土体中进行传播，之后由特定仪器接收。对接收获得的波动信号进行分析，以此作为判断岩土体力学特性的依据，对小应变情况下的岩土体进行动力参数计算，以此作为分析待建场地的土地使用质性判断依据。目前可以用于测试波速的方法包括跨孔法、单孔法与面波法，其中，波速测试方法可用于测定岩土体的剪切波波速νS、压缩波波速νP以及瑞利波波速νR。
本文主要研究了波速测试的具体方式、资料内容、测试要点、应用成果等。
1 波速测试的几种方法
需要使用的测试设备包括激发与接收装置，其中，激发装置包括电磁型与机械式共两类；接收装置包括放大器、检波器与示波器共三类。通常情况下可以根据工程现场测试需求再选择跨孔法、单孔法或者面波法来完成测试过程。
1.1 单孔法测试
顾名思义，这种测试方式指的是测试过程只在一个钻孔内完成，经专用装置激发、接收，得到的波速是从地表到测试点之间这部分地层范围形成的波速平均值。单孔法通常被用于存在软硬程度显著改变的土层结构。
测试技术：①对地面部分进行激振，并通过孔底进行接收信号；也可以选择孔底部位的激振再从地面进行接收信号，两法依次称为下孔法、上孔法；②测试探头与钻孔方向保持一致可以朝上也可以朝下，下孔法基本都是按照由下往上的方式实施逐点测试。
测试操作要求：①钻孔尽量垂直②将探头与孔壁贴紧，同时置于孔内预定深度。
振源激发装置尺寸要求；常用一块木板作为振源激发装置，将其尺寸设定在2000mm×50mm×300mm，同时要求木板长度中垂线和测试孔进行对准，距孔口一般为1～3m，测试前于其上放置400kg以上的重物。
测试原理：水平锤击打木板两端，重压下木板和地面发生摩擦时将会形成水平剪切波，再从相反的方向进行两次敲击，便可以得到两组反向传播的剪切波。
现场测试应根据土层的性质、层厚确立测点，其垂直间距视地质条件、土层情况取1～3m，层位变化处加密；测试岩体压缩波过程中，测点的垂直间距通常取0.2～0.5m，要求钻孔内有水充盈。对各个位置不同测试点进行重复测试。
1.2 跨孔法测试
跨孔法特别适用于均匀土层，常用于岩土层层数多的场地条件。方法是在场地内选择竖向平行的两个钻孔，择其一孔作激振之用并为孔内不同深度部位设置振源，再从另外一个钻孔同样深度的位置以检波器作接收之用，经激振、接收，通过这种方式测试得到的波速就代表位于两孔间的地层传播速度。
当测试孔深超过15m之后，测试开始前需对各测试孔作倾斜角测试，测量精度应达到0.1°，以保证振源孔与检波孔的平行，从而确保不同深度处孔间距的计算精度。
对孔布置结构进行测试还有另一种选择，即通过一孔作为激发再由其它多个孔进行接收。在普通测试条件下通常为各组设置3个钻孔，并将其分布在一条直线上，测试时为排除振源装置和波传播路径变化情况的影响，应取间隔速度值。通常需要结合测试精度、振源能量、土层均匀性等因素，来确定直线上三个钻孔的间距。应将岩层内的孔距设定在8～15m的合适范围，土层孔距一般取2～5m；当振源具有很大能量且土层厚而均匀情况下，需要略微增大孔间距。
1.3 面波法测试
该测试法主要包括稳态法与瞬态法，两者的最明显差异是使用不同类型的震源。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷面波，并以复频波的形式传播；而稳态法是在激震时产生相对单一频率的瑞雷面波，并以单一频率波的形式传播。
一般根据任务要求及现场实验，进行相关参数的设置，采用锤击或者落锤等，在测线一端激发信号，在仪器上即可观察到采集到的波形。每个探测点位布设测线一条，每条测线以测点为中心由一个排列组成。一般要求振源、一定数量测点布置在一条测线上，道间距需比最小勘探深度对应的1/2波长更小，并使检波器的排列长度比预期面波的1/2最大波长更大，对于偏移距的确定应结合任务要求利用现场试验的方法来确定；推荐5-10m(取决于最靠近激发点道的波形幅度，在不削波的前提下越小越好)
选择瞬态面波法对现场实施测试的时候，可以通过多道检波器进行接收，从而方便比较不同的面波。当锤子对地表形成瞬态激振力作用时，将会形成一个频带较宽的R波，当这些频率不同的R波发生相互迭加的过程中，将按照脉冲信号方式进行传播。
2 现场测试要点
现场测试完成后接着要进行成果分析和解读，由于实际测试常受大量因素影响，造成很低的波形信噪比，不同成分波产生时不会产生明显的显示，解读困难。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆多年测试经验告诉我们，应当尽量减少实际测试中的各种干扰，尽力使测试激发装置与接收装置保持良好工作状态。一般而言，造成波形异常主要有以下几方面因素：
2.1 激发装置和地面耦合存在问题
遇到这种情况，立即重新对地面进行整平，在某些情况下也可以为木板下部铺设砂石，同时提高木板荷载，使激发装置更好地和地面之间形成耦合状态。
2.2 检波器与钻孔孔壁耦合存在问题
测试时若出现下列两种情况：①检波器扩展装置没打开，②检波器所处位置钻孔有垮塌，以致检波器无法贴紧孔壁，接收信号就很成问题。解决的方法是：提起检波器到孔口，另换方位重新放入孔内，在保证扩展装置完全打开后，轻提连接线，查验检波器与孔壁贴合情况，如贴合良好，开始正式测试。
2.3 测试孔深大
如测试孔深度太大，毫无疑问激发能量衰减就大，处于测试钻孔下部或底部的检波器接收到的信号就非常弱。这时解决的办法是：①加大激发能量，②叠加处理信号。具体叠加原理为：在稳定的测试条件与同样的测试对象下，有效信号表现出良好的重复性，噪声信号具有明显的随机特征，是通过多次采集并记录形成的一种叠加状态，从而进一步强化有效信号，并消除随机信号，由此获得更高的信噪比。
2.4 仪器性状不良
问题很可能出在：是否实现了各接口的牢固连接，仪器的指示灯是否能够进行正常显示。经多次测试验证，然后才能开展正式测试。
3 资料分析
对资料进行分析时是分析波传播距离与时间的过程，形成测试成果，包括如下内容：
3.1 确定波的传播时间Δt
对波传播时间进行分析时最关键的内容是要确定波初至时间，要准确识别，就要在平时熟悉和了解各种波的形态、特征差异。波的传播常识告诉我们，压缩波具有比剪切波更大的波速，所以压缩波先于剪切波而到达；剪切波具有比压缩波更大的能量，达到了压缩波的近四倍，所以剪切波峰值明显，但频率较低，因此剪切波波峰相对大而疏，压缩波波峰小而密。为保证信息解读准确，还应分析数据变化特征以及波形规律，反复观察试读，以正确的经验指导解读工作，以获取正确的结果。
3.2 确定波长LR或者波的传播距离Δs
①计算单孔法波的传播距离：根据测点深度到振源和孔口之间的距离进行计算得到；②计算跨孔法波传播距离：对应于测孔的间距，当孔深较大时应对传播距离做出修正调节（通常可以按照钻孔倾斜度及其倾斜方位进行修正）。③确定波长LR：把面波测试得到的数据设置为波数和波长之对应的长度图，对频率相同的各点设置直线或计算平均值，由此计算得到各频率对应的波长。
3.3 波速计算
可以根据瑞利波的波速来反映深度等于波长的地层距离。计算得到波传播时间、距离及频率之后，便可以得到波速。瑞利波具有略微低于剪切波的波速，换算公式为νS＝νR/95×100。
4 波速测试成果应用
4.1 用于岩体完整程度分类
现场孔内测试岩体的压缩波速，并选择具有较高代表性的岩块来进行压缩波速测试，以《岩土工程勘察规范》作为测试标准。当完整性指数被确定后，按上述规范中表3.3.2-2，可进行岩体完整程度分类：完整性指数超过0.75的情况下，表示岩体为完整；0.55～0.75为较完整；0.35～0.55为较破碎；0.15～0.35为破碎；小于0.15为极破碎。
4.2 用于土的类型划分
按照《建筑抗震设计规范》给出的表4.1.3的标准对土的类型进行划分：在实测剪切波速超过800m/s的情况下，代表其属于岩石；在500~ 800m/s之间表示软质岩石；介于250~500m/s之间属于中硬土；介于150~250m/s之间属于中软土；低于150m/s时属于软弱土。
4.3 用于划分建筑的场地类别
《建筑抗震设计规范》在第4.1.5条中提出：土层等效剪切波速为νSe＝d0/t，d0表示计算的深度，单位为m，比较20m与覆盖层厚度的大小并取其中的最小值，根据4.1.4条内容来计算建筑场地的覆盖层厚度；t表示剪切波从地面传播到计算深度所需的总时间。
4.4 计算动力参数
利用实际测试得到的压缩波波速以及剪切波的传播速度，可以计算得到处于小应状态下的岩土动力参数。
5 波速与岩土体性状的关系
波在岩土体内所能达到的传播速度受到岩土体类型、结构面、风化程度、应力等多种因素的共同影响，它们常具有如下关系：
（1）当岩土体的弹性模量减小后，波速相应下降；（2）当岩土体的致密度提高后，波速也更大。（3）受到结构面影响后，波速发生减小，使波在岩土体内的波传过程表现出各向异性的特点，其中与结构面平行的方向可以获得更大的波速；（4）在更高的岩体风化程度下获得的波速更小；（5）沿岩体的压应力方向具有更大的波速；（6）随着孔隙率提高，波速会发生下降。
6 结语
波速测试因其简便、快速、可靠，得以在岩土工程界广泛应用。波速测试及其结果应用范围如下：分析岩土体结构特性、与静载试验建立对应关系后计算地基承载力、岩体完整程度的分类、岩土体动力参数分析等。
参考文献：
[1]廉锐.对岩土工程勘察剪切波速测试技术的研究[J].建材与装饰，2019(01)：238-239.
[2]岩土工程手册编写委员会.岩土工程手册[m].北京，中国建筑工业出版社，2006.
[3]《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001 2009年版）
论文作者:师文斌
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/22
标签：波速论文; 测试论文; 岩土论文; 检波器论文; 钻孔论文; 土层论文; 装置论文; 《建筑细部》2018年第26期论文;