田 偉 新

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

在建筑工程中，剪切波速是評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)巖土體介質(zhì)的重要參數(shù)之一。剪切波速測(cè)試結(jié)果較直觀，可直接反映巖土體的某些特性，同時(shí)剪切波速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的操作較便捷，測(cè)試反應(yīng)速度較快，因此利用剪切波速測(cè)試來評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)巖土體介質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于工程施工中。

同時(shí)對(duì)于地震工程而言，剪切波并非一個(gè)孤立的量，剪切波測(cè)試的微小誤差都會(huì)反映在地震動(dòng)計(jì)算結(jié)果中。進(jìn)而影響到工程現(xiàn)場(chǎng)地震安全的評(píng)價(jià)工作，甚至?xí)?duì)工程施工環(huán)境、施工安全性產(chǎn)生影響。

剪切波速作為物理量的一種，其測(cè)試結(jié)果必然存在相應(yīng)的誤差。這也是長(zhǎng)期以來專家學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)剪切波速測(cè)試結(jié)果的可靠性保持懷疑態(tài)度的主要原因。然而剪切波速測(cè)定存在不可避免的誤差，為此要采取反復(fù)測(cè)試、精確計(jì)算的方式將剪切波速測(cè)試誤差予以排除，使其更加接近準(zhǔn)確值。

1 現(xiàn)場(chǎng)剪切波速測(cè)試的方法

1.1 單孔法

在測(cè)試地點(diǎn)鉆取垂直測(cè)試孔，剪切波振源可采用錘擊木板的方式，木板上承重應(yīng)大于400 kg，木板長(zhǎng)向中垂線應(yīng)與測(cè)試孔中心相對(duì)應(yīng)，孔口與木板的距離保持在1 m～3 m左右，木板應(yīng)與地面直接接觸。測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖土體分布情況，選擇合適的間隔距離布置測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試剪切波速時(shí)傳感器應(yīng)在測(cè)試孔內(nèi)預(yù)定位置固定，沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相反的兩組剪切波波形。測(cè)試結(jié)束后可從所有測(cè)試點(diǎn)中隨機(jī)抽選幾個(gè)測(cè)試孔進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，通過反復(fù)觀測(cè)的方式來縮小測(cè)試誤差。

1.2 跨孔法

跨孔法適合觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)較平坦的地區(qū)，測(cè)試孔內(nèi)設(shè)置振源并在一條直線上布置兩個(gè)接收孔。需注意的是，測(cè)試孔在土層中的間距應(yīng)保持在2 m～5 m左右，巖層中應(yīng)保持在8 m～15 m，測(cè)試時(shí)每隔1 m～3 m確定一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。若測(cè)試深度大于15 m，則應(yīng)對(duì)所有測(cè)試孔的傾斜度和傾斜方位進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試結(jié)束后可從所有測(cè)試點(diǎn)中隨機(jī)抽選幾個(gè)測(cè)試孔進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，通過反復(fù)觀測(cè)的方式來縮小測(cè)試誤差。

1.3 測(cè)速誤差產(chǎn)生原因

導(dǎo)致剪切波速測(cè)試結(jié)果誤差的原因可概括為主觀因素和客觀因素。主觀因素主要是指操作人員的技術(shù)水平和設(shè)備精密程度，此類因素會(huì)反映在剪切波速測(cè)試結(jié)果中，對(duì)結(jié)果的精度和可靠性產(chǎn)生影響，但此類因素可通過人為干預(yù)獲得改善。

客觀因素主要包括：剪切波穿過地區(qū)的巖性、孔隙度以及空隙填充物差異的影響。地質(zhì)結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的結(jié)構(gòu)層，剪切波穿過不同的結(jié)構(gòu)速度會(huì)發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)測(cè)試孔選擇的位置差異、高程差異都會(huì)改變剪切波穿過的地層結(jié)構(gòu)，使測(cè)試結(jié)果發(fā)生變化。

2 剪切波速的測(cè)試和計(jì)算

2.1 剪切波速測(cè)試原理

當(dāng)S波穿過地層時(shí)，由于地層構(gòu)造的非連續(xù)特征，在不同的基面會(huì)發(fā)生不同的反射和折射，并引發(fā)偏振現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貙訕?gòu)造不同時(shí)，反射和折射的情況也會(huì)存在差異。如發(fā)生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為SH波。當(dāng)巖石顆粒在巖波傳播方向的豎直平面里運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種S波稱為SV波。SH波水平偏振橫波。質(zhì)點(diǎn)在垂直于入射平面的方向上振動(dòng)的波叫水平偏振橫波。SV波垂直偏振橫波。質(zhì)點(diǎn)在入射平面內(nèi)且與傳播方向垂直振動(dòng)的波叫垂直偏振橫波。根據(jù)剪切波觀測(cè)儀器接收到的波形、波速信息判斷地質(zhì)構(gòu)造的具體情況。

2.2 剪切波速的計(jì)算方法

2.2.1斜距校正

利用水平傳感器監(jiān)測(cè)并記錄剪切波從振源到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，并將收集到的時(shí)間數(shù)據(jù)通過斜距公式進(jìn)行校正。公式如下：

T=KTL，

其中，T為剪切波從振源到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)后通過斜距校正得到的時(shí)間數(shù)據(jù);TL為剪切波從振源到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)得時(shí)間;K為斜距校正系數(shù);H為觀測(cè)點(diǎn)深度;H0為振源到觀測(cè)孔口的高度差，若振源高程低于孔口高程，可為負(fù)值;L為剪切波速測(cè)定時(shí)所用木板中心到觀測(cè)孔的水平距離。

波速層的劃分，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況，按時(shí)距曲線上具有不同斜率的折線段確定。

2.2.2剪切波速計(jì)算

1)單孔測(cè)速法。

在每一個(gè)波速層剪切波的波速可參考以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，V為該波速層剪切波波速;H為波速層厚度(可根據(jù)觀測(cè)結(jié)果波形間距離進(jìn)行判斷);T為剪切波穿過波速層的時(shí)間差。

2)跨孔法。

振源到達(dá)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的距離，按照測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

ΔS=S2-S1。

其中，VS為剪切波波速;TS1為第一個(gè)觀測(cè)孔測(cè)得剪切波到達(dá)時(shí)間;TS2為第二個(gè)觀測(cè)孔測(cè)得剪切波到達(dá)時(shí)間;S1為振源到第一個(gè)觀測(cè)孔的水平距離;S2為振源到第二個(gè)觀測(cè)孔的水平距離;ΔS為兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的水平距離差。

3 剪切波測(cè)試誤差對(duì)地震動(dòng)的影響

首先，剪切波測(cè)試誤差對(duì)特定地震波作用下的加速反應(yīng)譜有明顯影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，此類影響主要受到地震波特性的限制。堅(jiān)硬土和軟巖質(zhì)土對(duì)高頻成分極為敏感，對(duì)低頻成分的敏感度較低。在中硬土和中軟土場(chǎng)地中，波速隨深度增加而衰減，對(duì)低頻成分極為敏感，但對(duì)高頻成分敏感度較低。而若下墊面為軟弱土，對(duì)低頻成分的敏感度達(dá)到最大值。由于振源輸入的震動(dòng)信號(hào)頻率成分不同，測(cè)得的卓越周期與地震波周期相近，這提示場(chǎng)地內(nèi)會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)。

從整體上來說，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)地震動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在5個(gè)方面：

1)剪切波速測(cè)試誤差可反映在加速度反應(yīng)譜中。

2)波速取極小值時(shí)，反應(yīng)譜偏差峰值最高。

3)地震動(dòng)和模量、阻尼比確定時(shí)，反應(yīng)譜偏差受波速測(cè)定誤差影響較大。

4)當(dāng)?shù)卣鸩ㄖ芷谂c現(xiàn)場(chǎng)卓越周期相近時(shí)，測(cè)速時(shí)容易引起場(chǎng)地內(nèi)共振，會(huì)增幅剪切波速測(cè)試誤差的反應(yīng)譜變化。

5)特定下墊面場(chǎng)地會(huì)對(duì)特定頻率的波形成明顯反應(yīng)，并反映在反應(yīng)譜中。

其次，幾乎在所有巖土層中，剪切波速測(cè)試誤差的增加均伴隨著PGA影響的概率的提高。若均值在0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)的波速測(cè)試誤差看做無影響的話，約62%的波速測(cè)試誤差會(huì)對(duì)PGA產(chǎn)生影響。隨著波速測(cè)試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA的影響概率逐漸提升。但波速測(cè)試誤差均值達(dá)到2.0時(shí)，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA產(chǎn)生影響的概率達(dá)到最高。同時(shí)，不同巖土體結(jié)構(gòu)剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA產(chǎn)生影響的概率無較大差別(均值特定的前提下，均值通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，Vs(mean)30次測(cè)試結(jié)果的算數(shù)平均值為均值)。

此外，隨著剪切波速測(cè)試誤差的增加，對(duì)反應(yīng)譜烈度的影響概率逐漸增加。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，若均值在0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)的波速測(cè)試誤差看做無影響的話，約62%的波速測(cè)試誤差會(huì)對(duì)SI產(chǎn)生影響。隨著波速測(cè)試誤差均值的提高(從0.5向1.0提高)，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)SI的影響概率逐漸提升。但波速測(cè)試誤差均值達(dá)到2.0時(shí)，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)SI產(chǎn)生影響的概率達(dá)到最高。剪切波速測(cè)試誤差對(duì)反應(yīng)譜烈度的影響與對(duì)PGA相似。

從整體上來說，剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA和反應(yīng)譜烈度的影響具有以下特點(diǎn)：

1)剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA和SI(SI是什么意思，是不是應(yīng)該是Sa)均有影響，且隨誤差增大而增大。

2)剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA的影響更容易受到場(chǎng)地巖土體結(jié)構(gòu)特性的影響。堅(jiān)硬土(淺硬場(chǎng)地)高頻波成分導(dǎo)致的PGA偏差更大，底層降低、波速降低，對(duì)低頻成分的敏感性逐漸增加。

3)反應(yīng)譜峰值烈度與輸入的地震動(dòng)關(guān)系較小，主要受剪切波速測(cè)試誤差影響。

4)標(biāo)準(zhǔn)差在1倍以內(nèi)時(shí)剪切波速測(cè)試誤差對(duì)PGA影響超過10%的概率為38%，對(duì)PGA影響超過20%的概率為13.3%，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到2倍時(shí)，對(duì)PGA影響超過20%的概率可達(dá)到39.9%。

5)標(biāo)準(zhǔn)差在1倍以內(nèi)時(shí)剪切波速測(cè)試誤差對(duì)SI影響超過10%的概率為20.7%，對(duì)SI影響超過20%的概率為13.3%，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到2倍時(shí)，對(duì)SI影響超過20%的概率可達(dá)到43.4%。