横波(剪切波)波速测试法
一、跨孔法跨孔法测试中须将振源、检波器放在不同钻孔中的同一高程位置上，根据孔水平间距和波传播历时，即可求出相应波速。由于该法的原理简单，测试结果可靠，这一方法一经提出很快在国际上得到了广泛的应用。1.跨孔法波速测试的特点(1)跨孔法波速测试可应用于各种地层，在地下水位以上和地下水位以下都有使用；(2)在振源孔中采用垂直剪切冲击，能够产生水平传播、垂直偏振的剪切波，可在原位上测得土层中剪切波的波速；(3)在钻孔间距适当时，跨孔法波速测试可测定地层中低速软弱夹层的剪切波速值；(4)它在测试中把振源和接收器都埋设在土中，现场测试受外界干扰较少，因此也可以用于在已有的结构物下的波速测试。(5)由于跨孔法测试技术的测试深度较大，因此从理论上讲，可以测试到钻孔所能达到的最大深度。2.跨孔法试验仪器设备跨孔试验主要由钻孔、激振、检波器和记录波信号等环节组成。所需试验仪器设备则包括振源、接收器、放大器、记录器等。(1)振源 在工程中，跨孔试验的主要测试对象是地层所传播的剪切波。这就要求振源产生的S波与P波能量之比尽可能地高。爆炸振源是以往地震勘探中的常用振源。钻孔内(通常充水)的雷管或少量炸药的爆炸，可产生地震波和流体膨胀产生压缩波，作用于孔壁之后传至地层，在地层中可同时产生P波和S波。改变爆炸能量可定量控制S波和P波间的能量分配，爆炸能量越高，S波能量越大，这种效应在浅层更加明显。由于S波是P波的反射波，在上述一个复杂的波序列上识别S波的初始点将比较困难。跨孔法波速测试采用的振源有两种：爆炸振源和机械振源。现在大多用的是机械振源。井下剪切波锤是一种常用的机械型振源(图7-1)，它适用于各类土层。这种装置由一个固定的圆筒体和一个滑动重锤组成。测试时，把该装置放到钻孔某一深度处，通过地面的液压装置将4个活塞推出使筒体紧贴井壁，然后向上拉连接在锤顶部的钢丝绳，使活动重锤向上冲击固定筒体。此时会产生剪切振动。由于振源作用力方向的改变，使接收到的SV波初至相位差180°，这对辨别SV波的初至是有益的。完成一个测点的测试后，可以通过地面的液压装置将4个活塞缩回，再放到另一个深度，继续进行测试。(2)接收器 跨孔法波速测试时，无论什么样的振源，都会产生复合波。这就要求接收器既能观察到垂直振动分量，又能观察到水平振动分量以便更好地识别剪切波到达的时刻。所以一般采用三分量检波器。其中竖向分量主要用来识别SV波。同时，三分量波形记录器还可以进行互相校核资料、分析结果的可靠性。图7-1 井下剪切波锤结构简图(3)放大器 跨孔法波速测试可以采用普通多通道放大器。各通道必须有较一致的相位特性，并配有可调节的增益装置。放大器的放大倍数一般要求大于2000；同时要求内部噪音小；频率特性适宜，抗工频干扰能力强。(4)记录器 跨孔法波速测试所用的记录器要求具有0.2ms的记录、扫描能力，其扫描速率可以调节，以便波形的识别。目前国内常用的有SC-10、SC-16、SC-18型紫外线感光记录示波器。3.现场测试方法(1)测试前的准备工作 测试前的准备工作包括：钻孔数量、钻孔尺寸、钻孔布置方法和钻孔间距的确定和记录、下套管和灌浆、钻孔垂直度测量等方面的工作。(2)现场测试方法 跨孔法波速测试方法有两种：①一次成孔测试法，它是当用于跨孔测试的钻孔数量、深度、孔径和孔距等设计好之后，将所有的钻孔一次性钻完，然后将套管下至距孔底2m处，然后灌浆，待浆液凝固后，便可进行测试；②分段钻进分段测试法，它一般是用三台钻机同时钻进，当钻至预定深度后提出钻具，与此同时，将检波器放入孔底同一标高，用重锤敲击取土器使其产生波。该方法主要用于厚度不太大的第四纪土层。4.资料整理(1)波形记录的现场识别 波形识别是跨孔法波速测试的重要工作。跨孔法波速测试中所记录的波动信号曲线主要由体波组成。一般分三个阶段：第一阶段是从零时开始至直达波能量的到达，其信号除受外部干扰出现毛刺外，基本上是一条接近于直线的平稳段；第二段从波的第一个初至起至第二个初至止，此段属于P波段，振幅小，频率高；第三段是以S波为主的部分，振幅大，频率低。(2)波形的室内判读 室内判读主要是精确地判读出P 波初至时间和第一个 S 波到达的时间。(3)数据的整理和计算 完成波形识别工作后，记录两接收孔间 P波和S波的传播时间tP、tS。根据振源孔和测试孔之间的距离，以及钻孔垂直度量测结果，求出直达波的传播距离L，并由式(7-5)分别求出P波和S波的波速tP、tS：土体原位测试与工程勘察式中：υP，υS为分别为P波和S波的波速(m/s)；L为直达波的传播距离(m)；tP，tS分别为P波和S波的传播时间(s)。同一测点P波和S波的波速的测试误差，应控制在5%～10%之内，否则必须分析原因或者重新测试。二、单孔法单孔法波速测试是在一个垂直钻孔中进行波速测试的方法。按激振和检波器在钻孔中所处的位置不同，单孔法又可分为四种：①地表激发，孔中接收(下孔法)；②孔中激发，地表接收(上孔法)；③孔中激发，孔中接收；④孔中激发，孔底接收。1.测试设备除了振源外，单孔法波速测试的其他仪器设备与跨孔法基本相同。单孔法波速测试常选用的振源为剪切波振源，其优势波为SH波(SH波是一种剪切波，其质点振动方向平行于地面)和SV波，具有可重复性和可反向性。一般采用(图7-2)所示的激振方式：图7-2 单孔法的测试工作原理示意图2.测试方法现场测试工作包括如下内容：钻孔、设置振源和检波器、确定测点间距。(1)钻孔：钻孔附近地面应尽可能干净，钻孔时应尽量减少孔壁土扰动，待测孔钻到预定深度时，如地层软弱应下套管护壁，套管与孔壁间用灌浆和填砂法处理。(2)设置振源：用敲板法作振源时，在距孔口1.0～3.0m处放置一长度2.0～3.0m的木板或混凝土板，并与地面贴紧，上压5kN左右的重物，以防止板的滑移。板的中垂线应通过孔口，用锤沿板纵轴从两个相反方向水平敲击板端以产生水平剪切波。当板中心的高程与孔口相差较大时，应量测并记录下来，以便作修正之用。(3)设置检波器：当检波器在孔内不同深度处接收剪切波时，应将其固定在孔壁。当只需测定地层中的P波时，检波器就不一定要和孔壁贴紧，但在这种情况下，孔中必须注满水或泥浆。有时为了整理资料上的方便可将两只检波器同时放入孔中。根据它们的间距，用两个检波器接收同一激振下初至波传播的时差来计算波速，提高分析精度。(4)测点间距的确定：测点间距原则上应使相邻两点时间差大于记录上可读精度。对于土层，一般以0.5～2.0m为宜。当有较薄夹层时，应适当调整测点间距使得薄夹层中至少布置两个测点。3.测试资料的整理单孔法波速测试时，P波和S波识别方法与跨孔法相同。但当振源激发点距孔口距离较大时，应作修正。其方法是将实测斜距行走时间(t)按式(7-6)换算成垂距行走时间(t′)：土体原位测试与工程勘察式中：t′为修正后的垂距行走时间(s)；t为在记录上读取的斜距行走时间(s)；h为孔中检波点距孔口距离(s)；x为孔口距振源激发点的距离(s)。
剪切波波速测试的剪切波波速测试
波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，可根据任务要求，采用单孔法、跨孔法或面波法。利用铁球水平撞击木板，使板与地面之间发生运动，产生丰富的剪切波，从而在钻孔内不同高度处分别接收通过土层向下传播的剪切波。因为这种竖向传播的路径接近于天然地层由基岩竖直向上传播的情况，因此对地层反应分析较为有用。波速试验作用：1）划分场地类型2）计算场地基本周期3）提供地震反应分析所需的地基土动力参数4）判别地基土液化可能性5）评价地基处理效果 测试前的准备工作应符合下列要求：（1）测试孔应垂直；（2）当剪切波振源采用锤击上压重物的木板时，木板的长向中垂线应对准测试孔中心，孔口与木板的距离宜为1～3m；板上所压重物宜大于400kg；木板与地面应紧密接触；（3）当压缩波振源采用锤击金属板时，金属板距孔口的距离宜为1～3m.测试工作应符合下列要求：（1）测试时，应根据工程情况及地质分层，每隔1～3m布置一个测点，并宜自下而上按预定深度进行测试；（2）剪切波测试时，传感器应设置在测试孔内预定深度处固定，沿木板纵轴方向分别打击其两端，可记录极性相反的两组剪切波波形；（3）压缩波测试时，可锤击金属板，当激振能量不足时，可采用落锤或爆炸产生压缩波。测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%。操作原理 单孔法波速测试采用的振源很多，如：爆破、空气压缩枪、弹簧式S波激发装置、火箭筒等 等。但在一般的场地剪切波速测试中最常用的是敲击板激振源。 敲击板激振源：剪切波的测试设备—敲击板激振源将一块弹性好的木板（木板长约2米，宽约0.4—0.5米，厚约0.1米）受锤击的两头包上铁板，放在平整的地面上，上面压上重物，使木板与地面紧密接触，然后敲击木板两侧，这样木板就给地面一个水平冲击力，激起土层的剪切振动。激发的振动主要为SH波。敲击板激振源： 剪切波的测试设备—敲击板激振源在敲击冲量一定的条件下，激发的SH波振幅随木板上重物重量的增大而增大，但超过一定值后影响会有所减少；长板效果比短板好；板与地面的接触条件对激振效果影响较明显，板底钉有钉齿、地面上泼水或水泥浆以增大木板与地面接触的紧密程度可改善激振效果。 测试场地宜平坦；测试孔宜设置一个振源和两个接收孔，并布置在一条直线上。测试孔的间距在土层中宜取2～5m，在岩层中宜取8～15m；测试时，应根据工程情况及地质分层，每隔1～2m布置一个测点。钻孔应垂直，并宜用泥浆护壁或下套管，套管壁与孔壁应紧密接触。测试时，振源接收孔内的传感器应设置在同一水平面上。测试工作可采用下列方法：（1）当振源采用剪切波锤时，宜采用一次成孔法；（2）当振源采用标准贯入试验装置时，宜采用分段测试法。当测试深度大于15m时，必须对所有测试孔进行倾斜度及倾斜方位的测试；测点间距不应大于1m.当采用一次成孔法测试时，测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%；也可采用振源孔和接收孔互换的方法进行检测。
岩土工程勘察波速测试 需要实验室吗
要求岩土工程勘察甲级资质的企业应当具备以下技术设备：1、钻机5台（标准贯入、动力触探设备相应配套）或有固定的工程勘察劳务资质（工程钻探）企业队伍。2、室内试验设备需满足下列两种技术装备配备要求之一：（1）高压固结仪10台，中低压固结仪20台，三轴剪力仪2台，四联直剪仪、无侧限抗压仪、渗透仪各1台；（2）膨胀仪器、万能材料试验机、压力试验机、岩石三轴仪各1台。3、原位测试仪3台：载荷试验设备、静探设备、旁压设备、岩石点荷载试验设备、现场剪切设备等设备中任选3类。4、物探测试检测设备2台：波速检测仪、工程检测仪、地下管线探测仪等设备中任选2类。5、经纬仪2台、水准仪5台，并提供仪器的检定证书或校准证书。6、计算机等其它仪器设备，且软件配套齐全。
岩石超声波测试和动态参数
9.2.1 影响超声波传播的主要因素岩石的弹性波速度受到其矿物成分、结构、孔隙、含水、压力和温度等许多因素的影响。文献［4］对有关研究成果进行了详细介绍。9.2.1.1 岩石构成对超声波传播的影响火成岩中矿物紧密结合在一起，孔隙空间很小，弹性波速主要由矿物成分决定。纵波速度随石英含量增大而降低。而酸性火成岩的密度比基性岩小，因而火成岩的纵波速度与密度具有明显的正相关性，可以用线性关系进行回归。不过，不同研究者测试的岩石不同，给出的经验公式差别很大。如Birch给出的关系［10］是υP=2.76ρ-0.98而Volarovich和Bajuk给出的关系［11］是υP=3.25ρ-3.46式中，波速单位为km/s；密度单位为103kg/m3。火成岩的横波速度与密度也大致呈线性关系。沉积岩不仅含有更多的孔隙，而且组成成分远比火成岩丰富、复杂。因此，沉积岩中波速与密度的关系远不如火成岩那样清楚。图9-1给出几类主要火成岩、变质岩和沉积岩的弹性波的平均值及变化范围，从中可以清楚地看出，沉积岩波速低于火成岩，且同类岩石的波速变化范围也较大。图9-1 几类主要火成岩、变质岩和沉积岩的弹性波的平均值及变化范围［4］9.2.1.2 孔隙对超声波传播的影响沉积岩中有许多孔隙，孔隙内的空气对纵波的衰减极大，即使被水饱和，水中纵波速度也低于岩石骨架（matrix）中的速度；而横波只能在固体中传播。因而可以预期岩石中孔隙的增加将导致波速的降低。这对火成岩同样成立。文献［12］给出的水饱和砂岩试样的测试结果表明，纵波和横波的速度都大致以线性规律随孔隙率而降低。9.2.1.3 温度和压力对超声波传播的影响在压力作用下，岩石内部裂隙闭合，随着压力的增大孔隙也将逐步减小。因而在压力增加初期，声波速度增加很快，而高压力下速度则增加较慢。随着温度增加，岩石内的波速则有降低的趋势。对于随着深度增加，地壳岩石承受的压力和温度都将同步增加，因而波速随深度的变化比较复杂。浅部受压力影响较大，波速随深度增加；深部受温度影响较大，波速随深度增加而减小；其间也有波速保持不变的情况。在大陆地区的地壳底部，纵波速度都归化为8km/s左右。对于沉积岩中含泥质成分多、孔隙率大的岩石，波速受温度和压力的影响大；反之则较小。9.2.2 岩样尺寸与超声波参数的选取波速υ是岩石的特性参数，波长λ是波速υ与频率f的比值，λ=υ/f。因而在进行岩石试样的超声波测试时，为了能利用公式（9.1）和（9.2）计算弹性波的速度，必须选择合适的试样尺寸和换能器的频率。具体地说，就是波长必须大到可以忽略颗粒界面等的影响，能将岩石视为均匀弹性介质；同时波长必须小到可以将试样视为无限介质；而试样的直径与长度相比要大到可以忽视试样边界的影响。不过对试样尺度和波长的具体选取要求各个规程并不完全相同。国际岩石力学学会标准化委员会（ISRM）规定：D≥10λ，λ＞d，L≥10d。美国实验和材料学会（ASTM）规定：D≥5λ，λ＞3d，5D≥L≥10d。D为试样最小横向尺寸；L为试样长度；d为岩石颗粒的平均尺度［2］。水利水电工程岩石试验规程要求，测试所用换能器的频率应根据试件直径与材料性质在50 kHz至1 MHz选用，并满足D≥2λ［9］。其对试件尺度的要求是，圆柱体直径或方柱体边长宜为48～54mm，直径或边长应大于最大颗粒尺寸的10倍；试件高度与直径或边长之比宜为2.0～2.5。9.2.3 岩石动静态参数的区别杨氏模量、泊松比系数是岩石的重要参数，其确定方法在试验规程和教科书中均有详细说明，一般需要对圆柱试样进行单轴压缩试验。另一方面，由于超声波测试非常方便，且对岩石材料没有任何的损伤，通常在压缩试验之前都会对岩样进行超声波测试。基于弹性波理论，在测量岩石中纵波（P波）速度υP、和横波（S波）速度υS后，可以确定岩石的动态弹性模量和动态泊松比系数。记 R=υP/υS，由公式（9.1）、（9.2），求得泊松比系数νd=（R2-2）/2（R2-1） （9.4）由波速比值R唯一确定，且随之增大而增大；继而求得弹性模量岩石的力学性质又由公式（9.1）得到岩石的力学性质通常将由超声波速度确定的参数称为动态参数，而压缩试验得到的称为静态参数。大量试验证明，岩石材料的动态参数与静态参数并不相同［3，4］，因而寻求二者之间的换算关系成为研究的目标。不过岩石种类繁多，内部存在不同的空隙、裂纹等微观结构，动态和静态参数之间的统一关系可能是不存在的。而超声波通过试样时岩石的变形极小，与实际工程中岩体的变形也完全不同。如果试样内存在具有一定粘聚力、贯通整个试样的大倾角弱面，则单轴压缩强度和杨氏模量都会很低，但超声波速度仍可以很高。超声波测量时探头与试样端面之间的耦合，即润滑脂（纵波）或锡箔（横波），就是一个显著的弱面，但它们并不影响超声波的传播。另一方面，类似的张开裂隙可以阻止超声波的传播，而轴向压缩时裂隙能闭合承载，对平均模量和强度的影响并不显著。9.2.4 动态泊松比从式（9.4）可以看到，纵横波速比值R较小时不仅νd较小，而且其变动对νd的影响也较大（图9-2）。R小于 2时，得到的动态泊松比成为负值。由于岩石不是完全线弹性材料，负值泊松比完全可能的。但这并不意味着岩石在纵向发生压缩时横向也同样发生压缩。文献［13］通过大量试验数据的比较，得到动态与静态泊松比系数没有关系的结论。毫无疑问，由于岩石的非均质性，以及横波速度存在测量偏差，动态泊松比的适用程度需要研究。文献［2］对纵横波速比值R 小于 2的片岩和粉砂岩等七段岩心进行了单轴压缩试验，在轴向压缩初期侧向变形减小，并依据泊松比与体积模量K、剪切模量G的关系ν=（3K-2G）/（6K+2G）（9.7）从而认为泊松比的取值范围是-1≤ν≤0.5，出现负值是可以理解的。图9-2 纵波、横波速度之比与动态泊松比不过岩石并非均匀、各向同性和线弹性，并不能完全用上述公式描述，且实际测得的侧向变形都很小。因而负值的泊松比是否表示了岩石的真实行为，值得怀疑。下面仅就作者所得到负值泊松比的几种情形作一说明。9.2.4.1 动态泊松比系数为负值动态泊松比系数完全由纵波与横波的速度之比确定，而影响超声波速度的因素众多。岩样初期的非线性变形表明其内部存在裂隙，而裂隙使纵波速度降低。而测试横波时需要施加相当的接触荷载，有时可以减少裂隙等的影响。这也是某些岩石试样的动态模量低于其静态模量的根本原因［5］。9.2.4.2 利用应变片测量变形在岩样侧面粘贴应变片测量轴向和侧向变形是传统的方法。由于岩石结构的非均质性和屈服破坏的局部性，因此应变片测量的结果通常会随粘贴位置而不同。特别是，在试验机球形压头与岩样二者的轴线不一致，则加载初期岩样内变形将随位置显著变化。即岩样在受到压应力的同时，还承载一定的弯矩，某一局部产生轴向拉伸、侧向收缩变形是完全可能的，即结构力学上所称的大偏心受压。因而最好能在岩样外侧相隔120°粘贴三组应变片，而不是两组［9］，以检查加载是否均匀。9.2.4.3 利用位移计测量作者使用的RMT-150 B试验机，利用两个位移计测量岩样侧向变形。岩样端面加工质量、传感器的安装等原因，轴向加载时岩样位置可能发生宏观移动。而位移计没有与岩样固定为一体，其读数并不完全是岩样的侧向变形。这在前面第1章1.7.1节已经进行了讨论。显然动态泊松比系数不能作为一个力学参数来表示岩石材料的变形特性。
