土层剪切波原位测试实例分析
刘康和，张剑平
（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）
摘 要： 以实例说明土层剪切波原位测试技术在岩土工程中的应用及成果分析。文章由工程概况、测试技术与方法、成果分析、结语等构成。 关键词： 原位测试；京唐港；剪切波；应用
1 工程概况
京唐港3000万吨煤炭泊位（32#~34#
综合办公楼（9层）和培训中心（18层）两个建筑单体。
砂、细砂、粉质粘土、粉土、淤泥质粘土、粘土等。
根据任务要求，需对该管理中心工程K4(孔深35m) 、K12(40m) 、K13(孔深40m) 等3个钻孔进行剪切波测试，见图1。
2 测试技术与方法 图2 单孔检层法测试示意图
波震相差180试时距孔口3m 单孔检层法测试示意图。
单孔检层法测试弹性波时，由于震源板离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波非纵测线旅行时校正为纵测线旅行时，按式⑴进行计算：
t ' =t
d
d 2+x 2 （1）
式中，t’为纵测线旅行时，s ；t 为非纵测线旅行时，s ；d 为测点孔深，m ；x 为震源板距孔口的距离，m 。
由校正后的纵测线旅行时绘制时距曲线，按其分段斜率求得各测试地层的剪切波速度。
3 成果分析
3.1 剪切波速和动剪切模量
根据上述计算所得各测试段剪切波速按照下述原则求取土层平均剪切波速值：①对厚层土，取其土层范围内测得的有效数据之均值作为该土层的平均剪切波速；②对于现场未测得有效数据的薄层土，利用实测数据及上下土层的平均剪切波速，加权后求得其剪切波速。各测试孔土层平均剪切波速和动剪切模量成果见表1。
由土层剪切波速成果，按式⑵计算其动剪切模量：
G d =ρV S 2 （2）
式中，G d 为动剪切模量，MPa ；V s 为土层平均剪切波速，m/s；ρ为土层天然密度，g/cm3，由现场原状土样通过室内试验取得。
表1 各测试孔剪切波速及动剪切模量成果表
钻孔孔口标编号 高/m
土层名称 粉细砂 细砂 粉质粘土 粉土 淤泥质粘土 粘土 粉土 粉砂 粉质粘土 细砂 粉土 细砂 粘土 细砂 细砂 粉质粘土 粉土 粘土 粉砂 粘土 粉质粘土 细砂 粉土 细砂 粉质粘土 细砂 粉质粘土 细砂
土层标高/m 0.38~-8.22 -8.22~-12.27 -12.27~-14.07 -14.07~-14.72 -14.72~-15.82 -15.82~-17.32 -17.32~-18.87 -18.87~-19.52 -19.52~-22.42 -22.42~-25.02 -25.02~-27.42 -27.42~-31.72 -31.72~-32.52 -32.52~-33.82 -6.33~-11.73 -11.73~-13.43 -13.43~-14.73 -14.73~-15.28 -15.28~-16.33 -16.33~-16.93 -16.93~-18.93 -18.93~-20.63 -20.63~-22.43 -22.43~-25.73 -25.73~-26.93 -26.93~-31.63 -31.63~-32.63 -32.63~-38.93
K4 1.18
地层平均剪切动剪切模编号 波速（/m/s） 量/MPa
171 58.0 ①1
195 76.0 ①2
221 92.9 ②1
204 80.8 217 77.8
205 83.4 ②2
221 95.8 ②4
211 92.7
222 98.3 ②3
249 125.0 ③
231 107.1
222 99.3 ③
293 166.7
298 179.0 ③ ①2
②1 ②2 ②2 ②3 ③ ③ ③ ③
194 217 195 191 193 191 155 220 254 251 246 233 268 259
备注
75.5 94.8 75.0 65.4 该孔 75.0 标高
0m 65.4
～ 52.7
-6.33m K12 0.07 99.3
严重131.7
缩孔，127.0
未能122.4
测试 109.4
143.8 135.2
0~-8.00 178 62.8 粉细砂 ①1 -8.00~-12.80 188 70.0 细砂 ①2 -12.80~-15.00 193 73.1 粉土
-15.00~-19.30 184 67.5 粉质粘土 ②3 -19.30~-27.90 259 135.2 细砂 ③
K13 1.0 -27.90~-28.35 250 123.3 粉质粘土
-28.35~-28.80 248 123.9 细砂 ③ -28.80~-29.15 253 126.3 粉质粘土
-29.15~-31.70 260 136.2 细砂 ③ -31.70~-32.80 255 123.0 粘土
-32.80~-39.00 257 133.1 细砂 ③
整个勘察区地层平均动剪切模量的确定：取各测试孔中相应土层的剪切波速平均值作为地层的平均剪切波速。应用式⑵即可计算该地层的平均动剪切模量。具体成果详见表2。
由表1和表2知：该场地测试深度范围内土层剪切波速一般为155～298m/s，动剪切模量一般为52.7～179.0MPa ；相应地层的总体平均剪切波速和总体平均动剪切模量范围值分别为174～250m/s、60.1～125.9MPa ，且地层编号为①1的粉细砂层动剪切参数最低，而地层编号为③的细砂层动剪切参数最高。
表2 地层平均剪切波速及动剪切模量成果表
地层编号 ①1 ①2 ②1 ②2 ②3 ②4 ③
土层 土层标高
/m 名称 粉细砂
细砂 粉质粘土 粘土 粉质粘土 粉土 细砂
0.38~-12.80 -6.33~-12.27 -12.27~-14.07 -15.82~-17.32 -15.00~-22.42 -17.32~-18.87 -19.30~-39.00
土层厚度/m 4.80~8.66 4.05~5.40 1.80 1.50 2.90~4.30 1.55 0.45~8.60
土的天然重度/(kN/m3) 19.45 19.67 18.64 19.45 19.55 19.22 19.75
件数 /件 2 3 2 3 3 1 11
平均剪切波速/(m/s) 174 192 219 195 187 221 250
动剪切模量/MPa 60.1 73.7 91.2 75.5 69.7 95.8 125.9
注：表中土层标高范围为参与统计计算的相应地层所出现的最小层顶标高和最大层底标高；土层厚度为参与统计计算的地层厚度范围值。
3.2 场地类别判定
按照文献⑴，建筑场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分，具体分类标准详见表3。
表3 建筑场地类别判定标准
覆盖层厚度/m
等效剪切波速/(m/s)
Ⅰ类场地 Ⅱ类场地 Ⅲ类场地
V se ＞500 0 500≥Vse ＞250 ＜5 ≥5 250≥Vse ＞140 ＜3 3～50 ＞50 V se ＜140 ＜3 3～15 15～80
表3中用于建筑场地类别划分的土层等效剪切波速，应由式⑶求得。
Ⅳ类场地 ＞80
V se =
式中，V se 为土层等效剪切波速度，m/s；d 0为计算深度，m ，取覆盖层厚度和20m 二者的较小值；t 为剪切波在地面至计算深度之间的垂直传播时间，s ；d i 为计算深度范围内第i 土层的厚度，m ；V si 为计算深度范围内第i 土层的剪切波速度，m/s；n 为计算深度范围内土层的分层数。
由实测剪切波速成果(见表1) ，按照式⑶和式⑷计算得出：k4、k12、k13钻孔埋深20m 范围内等效剪切波速分别为192m/s、191m/s、186m/s，取建筑场地覆盖层厚度大于50m ，对比表3判定该建筑场地类别为Ⅲ类。
d 0
t （3） n
d t =∑i
i =1V si
3.3 地基土液化判别
按照文献[2]，可用剪切波速判别地面下15m 范围内饱和砂土和粉土的地震液化，即按公式（4）计算地层的临界剪切波速(Vscr ) ，当实测地层剪切波速小于Vscr 时该地层被判为液化，否则为不液化。
V scr =V S 0d s -0. 0133d
(
20. 5
s
)
⎡⎛d w ⎫⎤⎛3⎫⎢1. 0-0. 185 d ⎪⎪⎥ ρ⎪⎪
⎝s ⎭⎦⎝c ⎭ （4） ⎣
0. 5
式中，V scr 为饱和砂土或粉土液化剪切波速临界值，m/s；V s0为与烈度、土类有关的经
验系数。本区地震烈度为7度，地基土为砂土时取65(m/s)，地基土为粉土时取45(m/s)；d s
为剪切波速测点深度，m ；d w 为地下水深度，m ；ρc 为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；
计算结果表明，在土层标高-6.33~-12.27(m)范围内，地层编号为①2的细砂层实测V s ＜V scr ，即判定为液化层。
3.4 场地卓越周期求取
当建筑场地未进行常时微动测试时，可按场地土层实测剪切波速近似求取卓越周期，一般采用加权平均波速法（见式（5））和子层周期求和法（见式（7））求取。
n
4d 4D
T g 2=∑i T g 1=
V s （5） ； i =1V si （6）
式中，T g1、T g2为场地卓越周期，s ；V si 为第i 层土的剪切波速，m/s；d i 为第i 层的土
D =
i =1i =1层厚度，m ；n 为土层数；；。 有关资料的统计计算结果表明：加权平均波速法推算的场地卓越周期一般比真值小20%左右，而子层周期求和法推算的结果则偏大，约比真值大20%左右。所以对二者进行平均计算较接近场地卓越周期真值。尽管这两种简单易行的推定方法的计算结果都与场地卓越周期真值存在一定误差，但研究发现，当建筑场地地层不存在软弱夹层时，对于工业与民用建筑来说，其推算结果的精度已经足够了，这也是我国应用此法计算场地卓越周期较广的原因之一。
根据K4(孔深35m) 、K12(孔深40m) 、K13(孔深40m) 实测结果，由此估算场地卓越周期见表4。
表4 场地卓越周期估算成果表
∑d
n
i
V s
1=D
∑V
n
si
d i
钻孔编号 K4 K12 K13
场地卓越周期T g (s) 土层标高
/m 加权平均波速法T g1 子层周期求和法T g2 平均值[(T g1+T g2)/2] 0.38~-33.82 0.64 0.66 0.65
0.59 -6.33~-38.93 0.58 0.60
0~-39.00 0.70 0.73 0.715
4 结语
弹性波在岩土层中的传播速度是反映岩土体的动力特性的一项重要参数，根据实测岩土
体的弹性波速，能为抗震设计提供岩土体的动力参数、划分建筑场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。
波速测试作为浅层地球物理勘探的原位测试技术，具有简便、快速、经济、准确、分辨率高、应用范围广等优点，受到工程技术人员的青睐和使用。我们相信随着电子技术、信号分析、数据处理等手段的广泛运用，必将为工程设计、施工、监测等诸方面提供更多的参数和可靠的设计依据。
参考文献：
[1] GB50011—2001, 建筑抗震设计规范[S]. [2] GB50021—2001, 岩土工程勘察规范[S].
[3] 王锺琦, 等. 地震区工程选址手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1994. [4] 林在贯, 等. 岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1994. [5] 常士骠. 工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社. 1992.
[6] 刘康和, 童广才. 场地原位试验的工程应用[J].国外地质勘探技术,1996. [7] 童广才, 刘康和. 场地卓越周期的确定[J].电力勘测,2000.
[8]丁伯阳. 土层波速于地表脉动[M]. 兰州:兰州大学出版社, 1996.