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波速土体监测工程建筑推断的运用

2012/11/10 阅读:

作者:周昌贤郑邵鹏单位:厦门地震勘测研究中心

1波速测试的基本原理及现场工作方法

波速测试是利用波速在不同传播介质下的差异性来获取地基土的物理力学特质以及工程指标信息的一种现场测试方法,其应用目的主要集中在判断工程场地地基土液化的可能性、划分工程场地类型、计算工程场地的基本周期、评价地基土的类别和检验地基加固效果、提供工程施工过程中所需的地基土动力参数等诸多领域。波速测试工作的主要原理是根据弹性波在岩、土体内的不同传播特征与速度,间接测试岩、土体在技术标准条件下的一系列参数,如动剪切模型、动弹性模量、动泊松比等。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001),对波速测试在工程场地判别的应用方面提出了以下技术要求,即采用单孔法、跨孔法或面波法测试各类岩、土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速,在波形记录上识别压缩波与剪切波的起始、结束时间,根据波的传播时间与距离确定波速,为工程场地的判别提供可行性建议。

2基于波速测试的工程场地的判别指标

2.1工程场地地基评价参数在地基与工程场地的震动反映分析中,需要预先实测以确定工程场地地基物理力学性质的多种动力参数,波速受一系列因素的影响,该种因素主要还是与岩、土体的物理力学性质密切相关。根据弹性波理论,声波在工程场地地层介质中传播时,波速与岩土的物理力学参数有一定的函数关系,波速测试正是利用这个基本原理来测试分析岩、土体的工程力学指标以判别工程场地类别的。在工程场地判别的波速测试方程分析中,以下参数都是衡量场地优劣的重要指标,如表征弹性体特性的弹性模量E,划分地层与确定土层特征的剪切模量G与横波度Vs,反映场地土体变形性质的泊松比属弹性泊松比等。在描述工程场地的参数特征中,特别需要注意波在不同类型岩土的传播速度与强度的差异性。同时,横波速度与纵波速度在真实反映土体的性状方面是不同的,波速随着土体饱和度的不断增加,土骨架对纵波速度的影响力逐渐减弱,因此根据波动方程求出的弹性模量并不能保证能够真实反映土体的性状,但横波是不受土体含水量的影响的,其特性可以作为衡量土体性质的一个重要指标。

2.2工程场地土类型及类别确定工程场地的类别划分,应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为判别标准。一级场地。亦称复杂场地,是指工程场地地形地貌复杂,地质环境已经或者有可能遭受严重破坏,存在安全隐患,天然具有多重影响工程进度的诸如多层地下水等复杂的水文地质条件,需要专门研究的工程场地;二级场地。亦称中等复杂场地,是指地形地貌较为复杂,地质环境已经或者有可能遭受一般性破坏,部分地段存在不利的施工隐患,不良地质作用一般发育,基础位于地下水位以下的工程场地;三级场地。亦称简单场地,是指地形地貌简单,地质环境基本保持天然状态,地段具有较好的施工环境,不良地质作用不发育,地下水对工程进度没有不利影响。工程场地的三个判别级别,从一级场地开始,向二级场地、三级场地逐级推定,以最先满足条件的为准。针对不同的工程场地级别,随着难易程度的差异性逐渐提升,采取的波速测试方法与侧重点亦有所不同。

2.3工程场地脉动卓越周期由于工程场地与其所在的地基构造密切相关,当震波的卓越周期与场地的固有周期呈一致性趋势时,产生共振的可能性就会大大增加,导致工程施工进度的延缓与危险系数的上升。卓越周期通常采用子层周期求和法获取,这是因为波速测试所得的横波速度隶属于工程场地土在满载条件下对震波传播特征的真实反应;亦可以通过工程场地地脉振动的测试统计分析获得,这是由于工程场地脉动在地层传播中的规律与特点所决定的,同时亦与地层条件以及场地地基的固有振动特征密切相关。

2.4工程场地液化势判别及震害评价采取剪切波速方法研究地基液化以判别工程场地是应用波速测试技术的一个重要领域,工程场地的软土淤泥层受到强烈振动后,易产生软化变形现象,其会使原有地基承载力的丧失概率大大提高。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)有关规定,在VII度地震烈度条件下,工程场地是不会发生塌陷事故的。

3波速测试在工程场地判别上的应用成果

3.1计算工程场地地基土的动力参数在工程场地的判别中,国际上通用的做法是借助于波速测试方法来计算地基土的动力参数。根据实测纵波与剪切波值,经过统计分析计算可以获取工程场地土的一系列动力参数。计算公式如下:

3.2饱和砂土与粉土的液化判别饱和砂土与粉土是工程场地判别的重要指标,场地土液化现象是显著的工程震害形式之一,严重时可导致地面沉降变形、滑移等后果,造成工程场地地基的不稳定或失效,进而加大建筑物的破坏程度、损失倍增。因此,波速测试在工程场地判别的应用中必须考虑场地土液化的影响,利用剪切波速可对场地地基土液化进行衡量。计算公式如下:按照以上公式,可计算得出精确的Vscr值,当其值大于实测地层剪切波速时,该工程场地地层才会被判别为液化;当Vscr值小于实测地层剪切波速时,该工程场地地层则会被判别为不液化。

3.3工程场地卓越周期的近似计算工程场地卓越周期的测定,是波速测试在其判别中的的一项重要环节。工程场地的卓越周期除了通过实测手段来获取外,亦可以通过地层剪切波速度的计算得到。计算公式如下:利用以上公式可以精确地计算出工程场地的卓越周期,特别需要注意土层累积厚度H的计算,因为其值直接关系到卓越周期的测试效度与信度。同时,采用剪切波方法进行工程场地卓越周期的分析时,不同深度的岩基面的计算,其实测与计算的卓越周期差异不同,为保证测试实际值的接近,一般选取20m左右时为宜。

4波速测试在工程场地判别应用中应注意的事项

4.1不同的工程场地岩、土体特性,测试出的弹性系数不同,因此振动频率亦有所不同。若岩、土体采样频率选择不科学,则获取不到清晰可辨的振波,只有采集到有说服力的岩、土体样本,才可提高波速测试的精度与效度。否则,缺乏针对性与可操作性的样本采集会提高了分辨剪切波的难度,而这正是造成波速测试不准确的主要原因。同时,测试出的波速值误差大,偏离实际数值的可能性越大,亦与岩、土体采集样本的频率选择有密切关系。

4.2通过在工程场地边坡基岩面上测试研究发现,相对于地层平面的测试值,同一类型地层速度值在沟谷边坡会明显变小,其量值约为平面内测试值的三分之一左右。同时,研究发现振波在不同空间维度的传播速度亦有所不同,这就对波速测试在工程场地判别的应用上提出了更高的要求。

4.3由于波速测试仪器对工程场地薄层波速分辨率的局限性,特别是对几十厘米厚的薄层波速测试还有理论上的困惑与实践上的困境,尤其是在单孔法、跨孔法与面波法的理论研究与实际应用方面亦有很多不成熟的方面,这些都对工程场地判别过程中的波速测试造成了一定程度上的阻碍。

波速土体监测工程建筑推断的运用

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