朱春亮　江蘇科信巖土工程勘察有限公司

剪切波在高層建筑場地類別劃分中的應用

朱春亮江蘇科信巖土工程勘察有限公司

本文利用剪切波對徐州市一居住小區(qū)穎都城市花園高層建筑兩鉆孔進行了地基土測試，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和資料分析整理，得到了兩個鉆孔地面下20m內(nèi)土層的等效剪切波速值。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011－2001）對該建筑場地的類別進行了劃分，結(jié)果與該場地的鉆孔資料和靜力觸探資料的分析結(jié)果是基本一致的。

剪切波；高層建筑；場地類別

1.引言

隨著對土層彈性波性質(zhì)的深入了解，人們認識到對于軟弱土層和完整性較差的巖體，采用取樣和室內(nèi)試驗方法不僅繁瑣，而且測試精度也難以保證，目前以分辨率高著稱的波速測試法成為測定地層動力參數(shù)的一條簡便有效的途徑［［朱春亮（1979-2） 男， 2003年畢業(yè)于安徽理工大學地質(zhì)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察工作。E-mail：xzdzkt@163. com］］。剪切波是波速測試方法的一種，地層剪切波速值是工程場地分類及地震小區(qū)劃分的一個很重要的參數(shù)，在工程實踐中，也是評價場地土動力特性的重要指標［2］。波速測試作為地基土動力特性測試項目之一，自80年代以來廣泛用于重大工程、 高層建筑等一級建筑及有特殊要求的二級建筑之中。通過對場地土剪切波速的測試，可以對地基土的類別進行評價、檢測地基加固效果，并且為建筑物的抗震設計提供依據(jù)［3］。本文結(jié)合剪切波在徐州市穎都城市花園高層建筑地基勘察中的應用這一實例，分析了剪切波在高層建筑場地類別劃分中的應用。

2.剪切波測試基本原理

根據(jù)彈性理論［4-5］，當固體介質(zhì)受到外力沖擊時，介質(zhì)受到應力作用而產(chǎn)生應變，在作用于介質(zhì)的應力消失后，應變和應力失去平衡，應變就在介質(zhì)中以彈性波的形式由介質(zhì)中的質(zhì)點依次向周圍傳播，這種彈性波成分比較復雜，既有面波又有體波，體波又分為壓縮波（P波）和剪切波（S波）。各種波在同一介質(zhì)中傳播的特征和速度一般是各不相同的。在建筑工程勘察中，由于土中含水量的影響，剪切波比其它波速值更易真實地反映土的動力特性，故通常測試地層的剪切波速度，測試的方法主要有檢層法、跨孔法和瑞雷波法等，其中以檢層法中的單孔檢層法使用最為簡單和實用，應用也最多［6-8］，本文使用的就是這種方法。

3.本工程所用的單孔檢層法

3.1震源設備與測試儀器

測試方法采用單孔法，它是將長2-3m，寬0.3m，厚0.05m左右的激振板放在離孔口約1-3m處的地面上，木板與地面要接觸良好，木板上需壓一定量的重物，通常為大石頭、汽車輪胎等重物。利用已經(jīng)鉆好的鉆孔，使其中點與井口的連線垂直于起振板，用木錘或鐵錘水平敲擊木板兩端，木板與地面產(chǎn)生剪切力，使地層產(chǎn)生剪切波，并通過置于井內(nèi)的三分量傳感器將土的振動歷程輸入儀器，經(jīng)電腦分析，獲得各測點剪切波到達時間，經(jīng)計算可得到各土層的剪切波速值。測試裝置詳見圖1：

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集使用的儀器是中國科學院武漢巖土力學研究所智能儀器室生產(chǎn)的RSM-24FD浮點工程動測儀，采集的數(shù)據(jù)是由井中的三分量傳感器通過儀器記錄兩道波形，經(jīng)與電腦連接后將儀器中的數(shù)據(jù)傳送到電腦中，處理后得到各土層的剪切波速，進而確定建筑地基的場地類別。

3.2單孔法測試過程

在場區(qū)內(nèi)選擇2個具有代表性的7號和13號鉆孔，采用單孔剪層法在孔中進行土層剪切波速測試。按規(guī)范［9］要求，每一土層都有一個測點，當某一土層厚度較大時，每2米左右測一個點。本次測試每1米左右測一個點，單孔法剪切波測試現(xiàn)場連接如圖1所示。測試時，將傳感器放至孔底后，自頂部向下依地層界面測試。地面上用鐵錘水平敲擊木板兩端，敲擊所產(chǎn)生的剪切波經(jīng)地層傳播到達測試點 ，孔中水平檢波器接收橫波信號，經(jīng)電纜送入地震儀進行放大、儲存和記錄。測試點的間隔根據(jù)地層界面情況平均1.0m一個測試點，界面處的測試點需重復測試。這種測試方法的好處：一是測試時帶有深度記號的電纜（或細鋼絲繩）不彎曲，保證測試深度的準確性，二是便于追蹤剪切波的初至，保證相位不錯。正反敲擊木板兩端時，所產(chǎn)生的剪切波波形相位相差180°，這一特征十分有利于剪切波的分辨，意味著我們能夠在不同界面點準確測定剪切波的到達時間，可靠求出各層的波速值。在一個測試深度上重復測試多次，獲得各孔土層剪切波速度隨深度分布，根據(jù)這些數(shù)字繪制成土層剪切波速—深度曲線。

3.3測試結(jié)果

擬建的穎都花園位于徐州市淮海西路南側(cè)［［ 徐州市城鄉(xiāng)建筑設計研究院編. 徐州市穎都花園二期巖土工程勘察報告（勘察編號：CXK2006-033）. 2006年6月］］，徐州市規(guī)劃局對過，人流、物流暢通，交通便利，位置優(yōu)越。本工程主要建筑物包括主樓一棟、會所一座、地下室一座。主樓高度23+1層平面形態(tài)為矩形，軸線間東西向長74.60m，南北向?qū)?4.00m；會所高度4層，外周邊平面形態(tài)為矩形，軸線間東西向長20.24m，南北向?qū)?1.240m；地下室高度2層，地下車庫一層。建筑物結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎型式未定。具體測試結(jié)果見圖2和表1。

3.4結(jié)果分析

由表1和圖2可分別看出所測試的兩孔在地面以下20米內(nèi)的剪切波速曲線大體上是一致的，這說明該場地的土和巖石的各分層厚度變化相差不大，隨著深度的增加剪切波接收時間和剪切波速均相應地增大，地面下20m時的剪切波速7號孔為350m/s、13號孔為342m/s。這與鉆孔資料所揭露的各層相應厚度是基本一致的。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2001）4.15條公式［9］：

式中：Vse-土層等效剪切波速（m/s）；d0-計算深度（m），取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；t-剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間（s）；di-計算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）；Vsi-計算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）；n-計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù).

由上面的公式，可計算出7#孔和13#孔的剪切波速分別為177.3 m/s和180 .5m/s，場地土類別為中軟土。根據(jù)1/5萬邳縣幅區(qū)域地質(zhì)圖，本場地覆蓋層厚度小于50米；根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）第4.1.6條，建筑場地類別為劃分為Ⅱ類場地。

4.結(jié)語

在剪切波速測試基本原理的基礎上，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和資料分析整理，得到了穎都花園二期高層兩孔的各相應土層的等效剪切波速值，分別為177.3 m/s和180 .5m/s。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2001）對該建筑場地的各土層性質(zhì)進行了劃分，可得出該建筑場地類別應為Ⅱ類，這與該場地所施工的10個鉆孔和10個靜力觸探孔所揭露的地層情況在對應層段劃分上是基本一致的。

［1］王俊茹.波速測試在高層建筑地基勘察中的應用［J］. 物探與化探，2000，24（3）：219-225.

［2］朱術(shù)云，劉健，姜振泉.剪切波在建筑場地劃分中的應用［J］.安徽建筑.2005，5：148-149.

［3］劉平和，孫靈潔董喜茹. 場地剪切波速的測試［J］. 黑龍江交通科技，2004，123（5）：59-61.

［4］頓志林，高家美.彈性力學及其在巖土工程中的應用［M］. 煤炭工業(yè)出版社，2003.

［5］徐芝綸. 彈性力學簡明教程［M］.高等教育出版社，2002.

［6］王恩福，凌宏，張國宏，等. 剪切波速度測量及其在工程中的應用［J］.東北地震研究.1994，Vol.10，No.4：59-66

［7］高玉峰，劉漢龍.合肥膨脹土剪切波速的特征分析［J］.巖土工程學報.2003，Vol.25，No.3：371-373

［8］于新春，焦孟良.建筑場地類別對地震作用效應的影響［J］.山西建筑.2004，Vol.30，No.6：23-24.

［9］建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2001）

注釋： 來自徐州市城鄉(xiāng)建筑設計研究院編.徐州市穎都花園二期巖土工程勘察報告（勘察編號：CXK2006-033）. 2006年6月

朱春亮（1979.2-），男，2003年畢業(yè)于安徽理工大學地質(zhì)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察工作。