剪切波速测量方法

❶ 如何提高剪切波速测试精度

波速测试资料在工程上的应用还是比较广的，主要有：
1、岩土弹性参数的计算：根据横波速度和纵波速度，计算地基土的动弹性模量、动剪变模量、动体积模量等弹性参数；
2、地基刚度和阻尼比计算：根据横波波速计算地基抗压刚度系数和地基竖向阻尼比（用于动力机器基础动力反应分析）；
3、划分土的类型和建筑场地类别：抗震规范里已经写得很细了；
4、计算建筑场地地基卓越周期：在抗震设计中，地基卓越周期是防止建筑物与地基是否产生共振的依据；
5、判别砂土地基液化：《岩土工程勘察规范》条文说明中列出了相应的公式；
6、地震工程：在对场地进行地震动小区划和地震反应谱分析时，均需进行钻孔剪切波速测试，并提供Vs随深度变化的资料，以便根据地层的剪切波速确定土层的最大剪变模量，为土层地震反应分析提供必需参数；
7、检验地基加固处理的效果：在地基加固处理的前后进行波速测试，可作出评价地基承载力的辅助资料。
因为地层波速与岩土的密实度、结构等物理力学指标密切相关，而波速测试的测试效率高，掌握的数据面广，而成本低，若将波速法与载荷试验、静力触探、标贯试验等结合使用，无疑是工程勘察中比较有效的手段。
波速试验可用于下列目的之一：

1划分场地土类型、计算场地卓越周期、判别地基土液化的可能性，提供地震反应分析所需的场地土动力参数。

2计算设计动力机器基础和计算结构物与地基土共同作用所需的动力参数。

3判定碎石土的密实度，评价地基土加固处理的效果。

4利用岩体纵波速度与岩石单轴极限抗压强度对比划分围岩类别，确定岩石风化程度，并初步确定基床系数，围岩稳定程度。

❷ 剪切波的剪切波现场测试方法

1、 振源
（1）振源的特点：
· 激发出的优势波为SH和SV波
· 具有可重复性和可反向性
（2）常用振源的介绍：
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：
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。
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。
2、 信号接收换能器
（1）信号接收换能器的特点
为速度型检波器，有三个分量，一个垂直，两个水平。三个分量互相垂直，其中两个水平分量在一个平面内相互夹角为90°。这样的夹角可以保证检波器放在孔中任意地方，总有一个检波器与剪切波信号的方向小于或等于45°，以达到采集波形良好的效果。
（2）常用信号接收换能器的介绍
· 气囊式井中三分量检波器
通过充气管给气囊充气使检波器与钻孔壁紧密接触藕合，藕合情况的好坏，对采集波形的影响很大。采用这种检波器可以任意选择是从钻孔底往钻孔口测试还是从钻孔口往钻孔底测试。
· 杠杆式井中三分量检波器
通过电池给电磁铁通电吸合杠杆，将检波器放入钻孔中，断开电池使杠杆弹开与钻孔壁紧密接触藕合。由于断开电池后无法将杠杆再次吸合，因此采用这种检波器只能选择从钻孔底往钻孔口测试。
3、 仪器设备
（1）RSM系列产品技术指标
· 4道独立瞬时浮点24位A/D
· 采样间隔：10—65536微秒
· 最大增益为25600倍
（2）RSM—24FD浮点工程动测仪：
分体机：
一体机： 1、钻孔的情况：
钻孔附近地面应尽可能平整，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，套管与孔壁间应用灌浆和填砂法处理。
2、振源的放置：
用敲板法做振源时，在距孔口1—3米处放置长度2—3米的木板应与地面贴紧，上压500Kg左右的重物以防木板的滑移，木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，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做修正之用。
3、检波器的放置：
当井中三分量检波器在孔内不同深度处接收剪切波时，应将其固定在孔壁上。当使用检波器作触发信号时，记时触发检波器应置于木板边中心（勿压木板下）。
4、检波器与仪器连接：
将井中三分量检波器的连接电缆连接好（不要接仪器），将适配线上的夹子分别接12V电池的两级借助外力吸合杠杆，把井中三分量检波器放进钻孔底，松开夹子弹开杠杆支撑孔壁。然后将适配线上的相应接头与仪器后面的六合一连线连接，将有红标签的接头接到六合一连线中长线标号为4的接头上，将另两个接头分别接到六合一连线中长线标号为2、3的接头上，然后把地面上用做触发的检波器接到六合一连线中长线标号为1的接头上。
5、信号的采集：
（1）测点间距的选择：
测试时，应使相邻两测点间的时差大于记录上的可读精度。对于土层一般以每隔1—2米布置一个测点为宜，并宜自下而上按预定深度进行测试。当有较薄夹层时，应适当调整，使得薄夹层中至少布置两个测点。
（2）剪切波波形的取得：
测试时，应将井中三分量检波器固定在预定深度，沿木板纵轴方向分别敲击其两端，记录极性相反的两组剪切波波形。 为获得高质量的波形记录，测试前应调整好仪器设备，保证各设备可靠连接。另外，现场要注意以下的问题。
1、作为振源的木板应选用弹性和韧性均好的木板，不宜用铁板或水泥板。木板锤击的两头可包上铁皮，或用一块比木板截面稍大的铁板垫在木板两头以便多次使用。
2、井孔应与木板长轴线垂直，即井孔到木板两头的距离应相等，这是保证木板两面敲击后，剪切波恰好反向的一个基础。孔源距应是井孔到木板中心的垂直距离。
3、木板与表土层藕合的好坏直接关系波形采集的好坏。现场可在选定放木板的地方撒一层砂子，放上木板来回磨动，然后拿开木板，藕合好坏一目了然，在有空缺处再撒砂子，反复数次可达最佳效果。
4、现场可将汽车直接压在木板上。无汽车可用重物。重物的重量应保证锤击时没有大的位移，另外重物应尽可能在木板上均匀分配。
5、测剪切波时，锤击力要尽量保持水平。锤击要干净利索，避免二次或多次击打。
6、每次放下或提升换能器到一个新深度应保留十几秒钟后再测，这样可避免泥浆扰动干扰。
7、在换能器上要配接吃力拉绳。根据经验，最好是细钢丝绳，细钢丝绳伸缩性小，抗拉性强，不宜缠绕。
8、测有泥浆护壁的钻孔，最好从孔底测起，避免因泥浆沉淀引起卡换能器和测量深度不够情况。
9、剪切波不能在水中传播，但根据实测经验，在有浓泥浆护壁的钻孔中，可以在换能器不与钻孔壁紧密接触的情况下测得很好的S波震相，为测量提供了方便。另外泥浆浓可以减少塌孔的可能性。
10、测有套管的钻孔，要避免钢丝绳与套管直接接触。
11、测量时如遇塌孔卡换能器，在人力拉不动的情况下，最好将钻机用不带钻头的钻杆放到合适深度，用冲洗的方法慢慢的提升，这样可保住换能器。
12、在用气囊式换能器时，用高压气筒慢慢打气，打一下停一下，看是否已藕合，如提不动，则藕合好。切忌连续打气，将气囊胀破。 1、剪切波震相确认：
（1）波形记录的现场识别：
现场采集的波形一般由三部分组成：
第一部分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；
第二部分从波的第一个初至起到第二个初至止，此段属于P波段，振幅小，频率高；
第三部分是以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第一个S波到达的时间。对不同方向激振所记录下来的波形图，根据正反向激发S波极性相反的特点，确定S波的初至，并以触发信号的起点为零时刻，读取第一个剪切波到达的时刻。如右图中的ts所示。
2、剪切波速的计算方法：
（1）走时随斜距的校正：
当振源距孔口距离较大时，应按下列公式进行斜距校正：
T’：剪切波从孔口到达测点的时间（s）
T：剪切波从振源到达测点的实测时间（s）
H：测点深度（m） H0：振源与孔口的高差（m）
L：从板中心到测试孔的水平距离（m）
（2）剪切波速计算：
Vi=hi/(ticosαi—ti-1cosαi-1)
Vi：第i层土的剪切波速
hi：第i层土的厚度
ticosαi：剪切波从孔口到达第i层土底面的时间
Ti-1cosαi-1：剪切波从孔口到达第i层土顶面的时间

❸ 什么是剪切波速(土木工程结构抗震)

剪切波速是指震动横波在土内的传播速度，单位是m/s。可通过人为激震的方法产生震动波，在相隔一定距离处记录振动信号到达时间，以确定横波在土内的传播速度。测试方法一般有单孔法、跨孔法等。
剪切波速是抗震区确定场地土类别的主要依据。

❹ 剪切波波速测试仪的操作原理

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。
现场测试如图所示。
1-场地振动测试仪
2-重物
3-木板
4-外触发传感器
5-三分量探头
6-探头信号传输线
7-外触发传感器信号线
8-钢丝绳（或尼龙绳）
图4 单孔波速测试示意图
测试步骤：
1、平整场地，使激振板离测试孔的水平距离为1～3m，上压重物500Kg以上或将卡车双后轮压在木板上；
2、将外触发传感器（一般用锥形杆38Hz地震速度检波器）插入激振板中间地面，紧靠激振板，信号线另一端与仪器的CH4通道联接；
3、将三分量检波器信号线接头与仪器的数据总线接口连接，并开机在地表实测几次，检查一下整个测试系统是否正常；
4、将钢丝绳（或尼龙绳）与探头吊环连接好；
5、将探头放入孔内某一位置，测试时，提绳宜紧贴孔壁拉住探头，电缆处于松弛状态，防止电缆的振动影响测试结果；
6、参数设置：采样间隔和延迟时间宜随测孔的深度变化而有所改变，一般以能读到初至时间为准，采样间隔宜小不宜大；出厂默认的采样间隔为200us（适合20米以内测试）。
7、用适宜的铁锤水平敲击木板的一端，地表产生的剪切波经地层传播，由孔内三分量检波器的水平向检波器接收SH波信号，然后反向敲击木板的另一端，孔内三分量水平向检波器同样接收来自相反方向的SH波信号，通过正反两方向的实测波形，找出波形交叉点，读取初至波传播时间；
8、一点测完后,用提升绳上拉或下放探头，到待测点位置停下，再进行第二点测试，测完后继续往上拉或下放。重复以上步骤，依此进行逐个点测试，直至测试点完成。
9、纵波波速的测试与SH波的测试有所不同，其振动频率更快，采样间隔较小，敲击时应竖向敲击放在孔口的铁板或木板。

❺ 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S_V波初至相位差180°，这对辨别S_V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S_V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t_P、t_S。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t_P、t_S：

土体原位测试与工程勘察

式中：υ_P，υ_S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)；t_P，t_S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S_H波(S_H波是一种剪切波，其质点振动方向平行于地面)和S_V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)。

❻ 剪切波的单孔波速测试的原理

单孔波速测试：由震源产生压缩波（又称P波）和剪切波（又称S波），经过土层，由在孔中的三分量检波器接收，根据波传播的距离和走时计算出场地土的波速，进而评价场地土的工程性质。

❼ 剪切波波速测试的相关公式

压缩波或剪切波从振源到达测点时间的确定，应符合下列规定：
（1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形；
（2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。
压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进行斜距校正：

式中 T ——压缩波或剪切波从振源到达测点经斜距校正后的时间（s）（相应于波从孔口到达测点的时间）；
TL ————压缩波或剪切波从振源到达测点的实测时间（s）；
K ——斜距校正系数；
H ——测点的深度（m）；
H0 ——振源与孔口的高差（m）,当振源低于孔口时，H0为负值；
L ——从板中心到测试孔的水平距离（m）。
时距曲线图的绘制，应以深度H为纵坐标，时间T为横坐标。
波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率的折线段确定。
每一波速层的压缩波波速或剪切波波速，应按下式计算：

式中 V——波速层的压缩波波速或剪切波波速（m/s）；
△H——波速层的厚度（m）；
△T——压缩波或剪切波传到波速层顶面和底面的时间差（s）。 压缩波或剪切波从振源到达测点时间的确定，应符合下列规定：
（1）确定压缩波的时间，应采用水平传感器记录的波形；
（2）确定剪切波的时间，应采用竖向传感器记录的波形。
由振源到达每个测点的距离，应按测斜数据进行计算。
每个测试深度的压缩波波速及剪切波波速，应按下列公式计算：
式中 VP——压缩波波速（m/s）；
VS——剪切波波速（m/s）；
TP1——压缩波到达第1个接收孔测点的时间（s）；
TP2——压缩波到达第2个接收孔测点的时间（s）；
TS1——剪切波到达第1个接收孔测点的时间（s）；
TS2——剪切波到达第2个接收孔测点的时间（s）；
S1——由振源到第1个接收孔测点的距离（m）
S2——由振源到第2个接收孔测点的距离（m）
△S——由振源到两个接收孔测点距离之差（m）。
《高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72－2004》条文说明

❽ 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。

❾ 　现场波速测试

现场原位波速测试可为工程抗震设计和研究土的动力特性提供具体参数。这对高层建筑日益增多和多地震的我国来讲，具有特别重要的意义。波速测试的传统方法，是先用钻机开孔，后在孔中作波速测试，可分单孔法和跨孔法。波速静探为新的波速测试方法，同时又可做静探测试；本节还介绍地脉动测试。它们都是为工程抗震设计提供必要参数的。

（一）波速静力触探测试

波速静力触探仪（seismic cone penetrometer）由美国人Ertec Western研制，并由加拿大R.G.Campanella等人改进而成。我国南京建工学院已研制成功，由浙江南光地质仪器厂生产。它是在电测静力触探仪的基础上加上一套测量波速的装置（见图7—1），即在静力触探头上方装一检波器，在地面放置一条厚钢（木）板，可用大铁锤敲击钢（木）板，使板与地面产生剪切力，土层振动产生弹性波。大铁锤和检波器分别和地面的示波仪相连，可测得弹性波（主要是压缩波和剪切波）到达检波器的时间，从而测得波速等参数。

1.试验设备

（1）静探压入装置；

（2）激振钢（木）板：板尺寸一般为250cm×30cm×5cm，上压＞500kg重物；

（3）探头：单、双桥静探探头及安装其上方的三分量检波器；

（4）大铁锤；

（5）触（激）发器；

（6）孔口（地表）接收或放大记录仪器：主要采用多道地震仪，要有增强叠加功能，如SDZ-01地震仪、Es125地震仪或SC20型—SC16型光线示波仪。

可根据地层情况、试验要求及各单位具体条件，灵活选用压入设备及试验仪器。

2.试验原理

波速静探和钻孔波速法一样，都是利用直达波。做检层法时，以孔口敲板作为振源，利用孔口及孔中检波器测出波传播这段路程的时间，即可求得波速。其计算原理如图7—2示。因激发板离孔口有一段距离（2—4m），地震波行走的路程是斜距（一般按直达波考虑）而不是垂距。因此，采用垂距（地层厚度）计算波速时，应将斜距读时校正为垂距读时，其公式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：t′——垂距读时；

t——斜距读时（实测）；

S——激发板到孔口距；

H——垂直距离。

图7—1单孔波速静力触探测试示意图

设测点D位于层面（图7—2），波通过层面时会产生折射，为简化计算，将波传播的行程ABC折线简化为直线AC（直达波），则C、D层的剪切波速V_s等于

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，

、

为剪切波分别到达土层（或某一深度间隔）顶、底面的时间；其它符号见图7—2所示。

敲击激振板产生的波也会从探杆中传播到孔内检波器中，从而产生干扰。为了减少这种干扰，可采取一些措施来解决，如水平敲击可使探杆中向下滑行的波能量变得很小；激振板和探杆之间不接触或隔振；在波在探杆上滑行的起始深度（一般在0.5m以内）内加大孔径。

图7—2土层波速计算示意图

水平敲击激振板，板与地面间产生相对剪切滑动，这时在土层中激发出剪切波S和压缩波P，且V_p＞V_s。为了能准确辨认出第一个剪切波到达的时间，从而准确计算V_s，就要求振源能产生优势的剪切波（水平敲击）；同时，为正确识别剪切波与压缩波，要求振源是可重复的，且能反向（图7—3）。

图7—3P、S波的识别

在波速测试中，分别测定压缩波P和剪切波S初始到达检波器（拾震器）的时间是试验的中心环节。其方法如下：

首先在各测点的原始波形记录上识别出P波和S波序列。第一个起跳点即为P波的初至点。然后根据下列特征识别出第一个S波到达点。

（1）波幅突然增至为P波幅值的2倍以上（图7—3a）。

（2）周期较P波周期至少增加2倍以上（图7—3b）。

若在钢（木）板的两端分别敲击，一般压缩波的初至极性不发生变化，而第一个剪切波到达点的极性则产生180°的改变。因此，极性波的交点即为第一个剪切波的到达点；此交点的横坐标即为剪切波初至时间t。这种示波仪可和计算机相连，把波形讯号贮存到简易磁盘上，可随时取出，将同一深度的两个极性波重叠显示在示波仪荧光屏上，则极性曲线的第一个交点便很容易在荧光屏上识别出来，从而可精确测定时间t（图7—4）。

在波速静探测试中，应变幅较小（10^-5—10^-7），不及强震时的应变值（10^-3—10^-4）。因土的模量值随应变增加而呈非线性降低（图7—5），故此法测得的动剪切模量（G_d）是最大值，应用时应注意。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：ρ——土层密度（g/cm³）;

G_d——土的动剪切模量（kPa）;

V_s——S波波速（m/s）。

图7—4示波仪上显示的极化S波讯号图

还可根据G_d计算出土的动弹性模量E_d。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，μ_d为土的动泊松比；其它符号意义同前。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

二式中：V_p——地层的压缩波速度（m/s）;

V_s——地层的剪切波速度（m/s）；

ρ——地层的密度（t/m³）;

G_d、E_d——分别为地层的动剪、动弹性模量（kPa）。

图7—5动剪切模量Gd和剪应变γ的关系

综上所述，可将配有触探车和计算机的波速静力触探试验步骤归纳如下。

（1）把条形厚钢（木）板置于离孔位2.5m左右远的地面上，清除钢板下方的石子等物，并将触探车压在钢板上（可将钢（木）板用液压装置安放在车底座后下方，以便自由升降和固定），以使钢（木）板紧贴地面。

（2）将联接波速静力触探头的电缆和大铁锤的导线与示波仪相连；注意触探杆和车身不得接触，以免波通过触探杆先期到达检波器。

（3）将触探头压入，同时测记锥头阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力。

（4）到预定深度后停止压入，调整示波仪旋纽到测试状态。

（5）用大锤敲击钢（木）板一端激振，并将波形讯号贮存在与示波仪相连的计算机简易磁盘上；然后，用大锤敲击钢（木）板另一端，同样把波形讯号贮存在磁盘上。

（6）为取得最佳效果或求得平均时间值，可放大讯号或重复步骤（4）和（5）。

（7）如继续进行试验，可重复步骤（3）—（6）。

波速静力触探试验的优点有：

（1）同时做静力触探试验和波速试验，互不干扰，效率高，应用面广。

（2）做波速试验时，比通常的跨孔波速试验可节省一个探孔，大大节省测试时间和费用。

（3）检波器紧贴孔壁，位置固定，测试精度高。

实践证明，波速静力触探法的有效测试深度已达40m，最浅不得小于0.5m，最佳测试深度范围为3—30m。其测试成果见图7—6。

图7—6波速静探成果曲线（据袁灿勤等，1990）

波速静力触探所测剪切波速资料是非常有用的，是地基抗震设计不可缺少的。在土的物性中，对地震反应起决定作用的是剪切波速。地面运动的卓越周期和加速度（速度、位移）幅值均与覆盖土层的剪切波速有关，如（7—6）式。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：T₀——地震波的卓越周期（s）；卓越周期指地震波组成中出现次数最多的周期。

H——上覆土层的厚度（m）；其余符号意义同前。

用

波长法则可计算地基固有周期，见（7—7）式，与地脉动测试（见后）的卓越周期T₀相当。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：H_i——第i层厚度；

V_si——第i层S波速；

一般应计算到V_s＞500m/s的地层。T₀单位为秒。

（二）波速测试综述

1.直达波测试

在进行工程勘察时，浅层地震勘探具有明显的优点，其精度和分辨率较高。波速测试就是浅层地震勘探的一种。由震源出发，直接到达各接收点的波称直达波。它反映了浅层介质的弹性特点，广泛用于了解地基岩土的弹性模量、泊松比等动力参数；也可根据动静参数对比，进一步求出静力参数。

与纵波相比，横波的特点是波速低。在用敲击大板作为振源的条件下，横波还具有振幅大、衰减慢、频率低的特点；如果进行正、反向敲击时，直达横波还具有反相位特点（图7—4）。但是，对于反射横波来说，因受反射面条件的影响，正、反向敲击的相位关系则比较复杂，并不总是反相位。对横波勘探资料解释，首先要对横波的时间剖面进行解释，并计算出各层波速，然后利用波速计算出弹性参数。

依不同的现场条件和设备条件，以及欲测动力参数，可选择不同的方法进行直达波（波速）测试。在同一个试验深度上，应重复试验，以保证测试质量。

（1）单孔法：利用单一钻孔，孔内激发地面接收或地面激发孔内接受直达波，测得地表至测点间地层的平均波速。

单孔法多用地面激发，激发装置应尽量靠近孔口，以减少测量误差。由于波会随深度衰减，因而单孔法的测试深度有限，一般不超过80m。波速静力触探测试中的波速测试，就属于单孔法。它自行钻孔，检波器紧贴孔壁，测试精度高，费用低，速度快，适宜用在层次少或土层软硬变化大的场地。

单孔法也常先用钻探一次成孔，然后下入塑料套管；在套管壁与孔壁之间的孔隙中填入砂子，并加以密实；然后将电缆、检波器及空气囊一起放入套管；达到预定测试深度后，立即对气囊充气，以便将检波器固定贴紧在套管壁上。然后在地表用大锤敲击压有重物的厚木板，用地震仪（或动测仪）接受，和波速静力触探测试波速方法类似。从孔底向上，按预定测试深度依次作完。如果在不会塌孔的硬粘性土等地层中测试，也可不下套管，用泥浆护壁进行测试，测试精度比下套管要好。由于单孔法多在地面激振，波会随深度增加而衰减，使接受讯号变弱。因此，单孔法测试深度有限，浅层效果好，最深不超过80m。测试深度与激振能量有关。

（2）跨孔法：在相距4—5m的两个平行钻孔的相同深度上，在一孔中激发，在一孔中接收直达波。从波形图上读到从激发讯号至横波初至信号之间的时间差，除以两钻孔的中心距，即可求得该地层的横波波速。宜布置两个检波孔，以便校核平均。

跨孔法测试深度较大，且须试前钻2—3孔，测试成本较单孔法高。在求分层波速上，精度高于单孔法。

2.地脉动测量

随着我国高层建筑物的日益增多和抗震法规的执行，一般都要求进行地脉动测量，以提供建筑物抗震设计参数。

在非人为因素的自然条件下，地表每时每刻都以微小的振幅不停地振动着，振幅一般仅有数微米，振动周期一般为0.05s至数秒。地脉测量选择没有干扰的时候（一般为深夜或凌晨）进行，连续观测5min以上，用放大1000倍以上的专用地震仪观测。原始记录及其处理后的曲线见图7—7。在此图的微震记录中，以零线作为时间轴，可得波形与零线交点，取相邻两交点时差△t的两倍，就是波的周期T。一般取2min的连续记录进行统计，数出各种周期出现的次数（即频度），于是可得图7—7c的周期频度曲线，曲线上频度最高的周期，即为卓越周期，以To表示。图7—7b是地基微动频谱曲线，振幅最高的为卓越振幅。地基土的卓越周期是反映地基土抗震条件的最主要参数，须避免建筑物自振周期和场地卓越周期相同。

图7—7确定卓越周期图

（三）波速资料的应用

1.划分建筑场地抗震类别

我国工业与民用建筑抗震设计规范（TJ₁₁-78修订本及GBJ₁₁-89）中将场地按覆盖层厚度H和平均剪切波速

分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，如表7—1所示。

表7—1建筑场地的抗震分类

注：f_k为地基承载力标准值。

按表7—1的场地条件分类，既抓住了影响地面运动特性的两个主要因素，又考虑了过去的经验，比较简便合理。

表7—1中的场地土类别分两种情况，当为单一土层时，土的类别即为场地区类别；当为多层土时，场地土类别，应根据地面下15m，且不深于覆盖层厚度范围内各土层的类别和厚度综合判定。按厚度加权平均的方法求土层平均剪切波速

，按（7—8）式计算，再按表7—1划分抗震类别。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

场地覆盖层厚度应按地面至V_S＞500m/s的土层或坚硬顶面的距离确定。该顶面以下各土层V_S均大于500m/s或皆为坚硬土，薄的夹层或孤石应包括在覆盖层之内。

建筑场地抗震分类是利用设计反应谱（见抗震规范）计算地震荷载的必要条件。

2.求土的工程性质指标

许多单位和个人把弹性波速同土的工程性质指标建立起相关经验式。现摘录一些V_s与其它指标之间的关系式。如日本Tovouchik经验式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

上四式中：K₀——基床系数（100kPa）;

q_u——无侧限抗压强度（100kPa）;

P₁——屈服压力（100kPa）；

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：N——标贯击数；

V_s——剪切波速（m/s）。

国内有的单位还将V_s与e、C、I_L、Φ、γ等建立了关系式。应用上述经验式时，须结合当地土质情况进行验证。

3.判别砂土或粉土的地震液化

剪切波速越大，土越密实，土层越不易液化。据此，国内、外都在应用V_s来评价砂土或粉土的地震液化问题。

（1）天津TBT1-88规范：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：V_scri——临界波速（m/s）;

K_v——地震系数，烈度为7度时，取42;8度时，取60;

d_s——饱和砂土或粉土所处深度（m）。

如实测的V_si＞V_scri不液化

V_si＜V_scri液化。

（2）国家地震局工程力学所判别式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：K_v——地震系数，烈度为7、8、9时，分别取145、160、175;

d_w——地下水埋深（m）；

其它符号意义同前。

当V_si＞V_scri时，土层不会液化；反之，会液化。

（3）美国西特公式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：Z——饱和粉土或砂土埋深（m）；

γ_d——土的非刚性修正系数，地表为1,12m深处为0.85；

其它符号意义及判别方法同前。

（4）根据国内、外研究，对于大多数粉土和砂土，产生液化的临界应变量γ_cr=2×10^-4，可进行室内测试。现场波速试验的剪应变量很小，一般为10^-6级。

4.根据（7—14）—（7—18）式可计算土层的动剪切模量G_d、动弹性模量E_d和动泊松比μ_d。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，V_s、V_p、V_R分别为剪切波速、压缩波速和瑞利波速；

其它符号意义同前。

动泊松比可通过V_p或V_s值换算，也可按经验值取用。

❿ 剪切波波速测试的规范重点摘录

岩土名称 岩土性质或基本承载力
（kPa） 剪切波速值
VS （m/s） 填土 100～200 淤泥、淤泥质土或软土 <100 90～140 黏土、粉质黏土 100≤≤400 120～400 粉质黏土、粉土 100≤≤400 100～380 黄土、黄土质土 130～300 粉砂、细砂 稍松 100～130 中等密实 130～200 中砂、粗砂 稍松 110～160 中等密实 160～250 粗砂、砾砂 200～350 粗、细圆砾土，粗、细角砾土，卵石土，碎石土 松散 200～300 中等密实 300～400 密实 >400 岩石 弱风化 500～1000 未风化、微风化 >1000 注：1、本表系10米以内的值，深度大于10米时，应适当加大
2、根据土层深度、标贯击数、平均粒径、空隙比、液性指数等综合分析选择表中所列的剪切波速值。
3、黏土、粉质黏土、粉土可按内插取值
来源：
《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006） 岩土层的剪切波速 土
分
类 人 工填 土 一般粘性土 淤泥质土 粉土 粉细砂 粗砾砂 砂砾卵石 老粘性土 强风化岩 Vs范围值（m/s） 90
～
180 130
～
240 100
～
180 140
～
250 170
～
340 280
～
440 350
～
450 210
～
400 340
～
880 Vs平均值（m/s） 140 170 130 180 240 350 390 310 560 粘性土的剪切波速 土类 一般粘性土 老粘性土 N 3 5 7 9 11 13 18 23 26 29 32 Vs（m/s） 160 180 200 220 230 240 280 300 320 340 360 粉细砂的剪切波速 N 10 150 20 25 30 35 40 Vs（m/s） 200 230 250 260 270 280 290 以上两表内N为标贯锤击数平均值
淤泥质土、粘性土的剪切波速 土类 淤泥质土，一般性粘性土 老粘性土 Ps（MPa） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 Vs（m/s） 130 170 210 230 24 250 270 300 330 上表Vs数据乘以1.1的系数为粉土的剪切波数值 Ps（MPa） 4 5 6 7 8 9 10 12 Vs（m/s） 170 190 210 230 250 270 290 310 以上两表内Ps为比贯入阻力的平均值
来源：《湖北省地方标准 DB42 /169-2003 岩土工程勘察工作规程》 应符合下列要求：1 一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s，且其下卧各岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶面的距离确定。2 当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层，且该层和其下卧岩土的剪切波速均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。3 剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。4 土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。
来源：
《建筑抗震设计规范》(GB50011--2010)