鄭思慧 童廣秀 潘興軍 劉康和

(1.天津市地基檢測中心，天津 300384;2.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程概況

某平原型水庫蓄水面積150 km2，圍堤為均質(zhì)土堤，總長54.511 km，堤頂高程 9.0 m，總庫容 5.0 ×108m3，是一座以蓄供水為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的大(2)型水庫。該樞紐工程主要由圍堤、穿堤建筑物以及蓄水建筑物等組成。

勘察深度內(nèi)所涉及的土層均為第四系地層，巖性為素填土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粘土等。

根據(jù)任務(wù)要求，需對該水庫樞紐工程K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)等3個鉆孔進(jìn)行剪切波測試，其相對位置及編號見圖1。

圖1 剪切波測孔編號及相對位置

2 測試技術(shù)與方法

實(shí)測采用單孔檢層的地表激發(fā)孔中接收法。使用叩板震源并雙向激發(fā)，以產(chǎn)生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性來識別剪切波的初至?xí)r間。測試時距孔口3 m處平放置叩板，并用重物壓實(shí)，自下而上逐點(diǎn)測試剪切波旅行時，測點(diǎn)距1.0 m。圖2為單孔檢層法測試示意圖。

圖2 單孔檢層法測試示意圖

單孔檢層法測試彈性波時，由于震源板離孔口尚有一定距離，所以計(jì)算測段內(nèi)地層波速時需將彈性波非縱測線旅行時校正為縱測線旅行時，按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

其中，t′為縱測線旅行時，s;t為非縱測線旅行時，s;d為測點(diǎn)孔深，m;x為震源板距孔口的距離，m。

由校正后的縱測線旅行時繪制時距曲線，按其分段斜率求得各測試地層的剪切波速度。

表1 各測試孔剪切波速及動剪切模量成果表

3 成果分析與應(yīng)用

3.1 剪切波速和動剪切模量

根據(jù)上述計(jì)算所得各測試段剪切波速按照下述原則求取土層平均剪切波速值:1)對厚層土，取其土層范圍內(nèi)測得的有效數(shù)據(jù)之均值作為該土層的平均剪切波速;2)對于現(xiàn)場未測得有效數(shù)據(jù)的薄層土，利用實(shí)測數(shù)據(jù)及上下土層的平均剪切波速，加權(quán)后求得其剪切波速。各測試孔土層平均剪切波速和動剪切模量成果見表1。

由土層剪切波速成果，按式(2)計(jì)算其動剪切模量:

其中，Gd為動剪切模量，MPa;Vs為土層平均剪切波速，m/s;ρ為土層天然密度，g/cm3，由現(xiàn)場原狀土樣通過室內(nèi)試驗(yàn)取得。

整個勘察區(qū)地層平均動剪切模量的確定:取各測試孔中相應(yīng)土層的剪切波速平均值作為地層的平均剪切波速。應(yīng)用式(2)即可計(jì)算該地層的平均動剪切模量。具體成果詳見表2。

表2 地層平均剪切波速及動剪切模量成果表

由表1和表2可知:該場地測試深度范圍內(nèi)土層剪切波速一般為155 m/s～298 m/s，動剪切模量一般為52.7 MPa～179.0 MPa;相應(yīng)地層的總體平均剪切波速和總體平均動剪切模量范圍值分別為174 m/s～250 m/s，60.1 MPa～125.9 MPa，且地層編號為①1的粉細(xì)砂層動剪切參數(shù)最低，而地層編號為③的細(xì)砂層動剪切參數(shù)最高。

3.2 場地類別判定

按照文獻(xiàn)［1］，建筑場地類別應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分，具體分類標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。

表3 建筑場地類別判定標(biāo)準(zhǔn)

表3中用于建筑場地類別劃分的土層等效剪切波速，應(yīng)由式(3)和式(4)聯(lián)合求得。

其中，Vse為土層等效剪切波速度，m/s;d0為計(jì)算深度，m，取覆蓋層厚度和20 m兩者的較小值;t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的垂直傳播時間，s;di為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度，m;Vsi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速度，m/s;n為計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

由實(shí)測剪切波速成果(見表1)，按照式(3)和式(4)計(jì)算得出:K4，K12，K13鉆孔埋深20 m范圍內(nèi)等效剪切波速分別為192 m/s，191 m/s，186 m/s，取建筑場地覆蓋層厚度大于 50 m，對比表3判定該建筑場地類別為Ⅲ類。

3.3 地基土液化判別

按照文獻(xiàn)［2］，可用剪切波速判別地面下15 m范圍內(nèi)飽和砂土和粉土的地震液化，即按式(5)計(jì)算地層的臨界剪切波速(Vscr)，當(dāng)實(shí)測地層剪切波速小于Vscr時該地層被判為液化，否則為不液化。

其中，Vscr為飽和砂土或粉土液化剪切波速臨界值，m/s;VS0為與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本區(qū)地震烈度為7度，地基土為砂土?xí)r取65 m/s，地基土為粉土?xí)r取45 m/s;ds為剪切波速測點(diǎn)深度，m;dw為地下水深度，m;ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3。

計(jì)算結(jié)果表明，在土層標(biāo)高－6.33 m～－12.27 m范圍內(nèi)，地層編號為①2的細(xì)砂層實(shí)測Vs＜Vscr，即判定為液化層。

3.4 場地卓越周期求取

當(dāng)建筑場地未進(jìn)行常時微動測試時，可按場地土層實(shí)測剪切波速近似求取卓越周期，一般采用:1)加權(quán)平均波速法，見式(6);2)子層周期求和法，見式(7)。

其中，Tg1，Tg2均為場地卓越周期，s;Vsi為第i層土的剪切波速，m/s;di為第i層的土層厚度，m;n為土層數(shù)

有關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明:加權(quán)平均波速法推算的場地卓越周期一般比真值小10%～20%左右，而子層周期求和法推算的結(jié)果則偏大，約比真值大10%～20%左右，所以對二者進(jìn)行平均計(jì)算較接近場地卓越周期真值。盡管這兩種簡單易行的推定方法的計(jì)算結(jié)果都與場地卓越周期真值存在一定誤差，但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑場地地層不存在軟弱夾層時，對于工程建筑來說，其推算結(jié)果的精度已經(jīng)足夠了，這也是我國應(yīng)用此法計(jì)算場地卓越周期較廣的原因之一。

根據(jù) K4(孔深35 m)，K12(孔深40 m)，K13(孔深40 m)實(shí)測結(jié)果，由此估算場地卓越周期見表4。

表4 場地卓越周期估算成果表

4 結(jié)語

彈性波在巖土層中的傳播速度是反映巖土體的動力特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，根據(jù)實(shí)測巖土體的彈性波速，能為抗震設(shè)計(jì)提供巖土體的動力參數(shù)、劃分建筑場地類別、評價地震效應(yīng)、進(jìn)行場地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢分析等。

波速測試作為淺層地球物理勘探的原位測試技術(shù)，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、分辨率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到工程技術(shù)人員的青睞和使用。我們相信隨著電子技術(shù)、信號分析、數(shù)據(jù)處理等手段的廣泛運(yùn)用，必將為工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測等諸方面提供更多的參數(shù)和可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［3］ 王鍾琦.地震區(qū)工程選址手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［4］ 林在貫.巖土工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［5］ 常士驃.工程地質(zhì)手冊［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［6］ 劉康和，童廣才.場地原位試驗(yàn)的工程應(yīng)用［J］.國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1996(6):31-32.

［7］ 童廣才，劉康和.場地卓越周期的確定［J］.電力勘測，2000(2):65-66.

［8］ 丁伯陽.土層波速與地表脈動［M］.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，1996.

［9］ 劉康和，練余勇.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報［M］.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，2010.