波速测试

（ 1 ） A 、 B 检波器的距离一定要小于 1 个波长的距离。这是因 为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器 间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度； （2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔；
（ 3 ）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦 激振波加以调制； 13
式中 m——波速比，m=vP/vs。
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5.3 试验成果的整理分析
1. 单孔法
确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，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。 由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量 记录，应选最佳接收的记录进行整理。 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： T=KTL
岩土工程测试与监测
第5章 波速试验
1
第5章 内
5.1 试验设备和方法 5.2 基本测试原理
容
5.3 试验成果的整理分析 5.4 试验成果的应用 讨 论
2
5.1 试验设备和方法
5.1.1 试验设备 试验设备一般包含激振系统、信号接收系统（传感器）和信
号处理系统。
测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。 5.1.2 测试方法
s
VR
s
（5-19） （5-20）
0.87 1.12 1
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5.4 试验成果的工程应用
根据岩土体中的弹性波波速，可以判定场地土的物理力学
性质和地基承载力，评价场地土的液化可能性，计算场地土的 卓越周期，检测地基处理的效果。
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思 考 题
1．单孔法、跨孔法和面波法各自采用什么方式激振？
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vP
E (1 ) (1 )(1 2 )
（5-1） （5-2）
vs
E 2 (1 )
引入拉梅常数、M，
E (1 )(1 2 ) E M 2(1 )
（5-3） （5-4）
（5-1）和（5-2）可以写为下列简洁的形式：
vP
K H H0 L (H H0 )
2 2
（5-10） （5-11）
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L
H0 H
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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：
v H T
（5-12）
（ 4 ）根据实际情况调整频率变化速率（步长），一般仪器中 都设置了频率自动降低设备，可以任意选择，但步长太小，作业时 间长；步长太大，又会影响观测精度。
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5.2 基本测试原理
弹性波速法以弹性理论为依据，通过对岩土体中弹性波（速度、
振幅、频率等）的测量，提出岩土体的动力参数并评价岩土体的工 程性质。
2．波速法可以测试地基土的哪些动参数？
3．波速法为何能确定土层的物理力学参数并检测地基处理的效 果？
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法的现场测试情况如图51所示。
4
对准备工作的要求：
（1）钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套 管，套管壁与孔壁应紧密接触；
（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；
vs S Ts 2 Ts1
（5-13）
（5-14）
（5-15）
S=S2-S1
3. 面波法
瑞利波波速应按下式计算： 2fL VR Φ
（5-16）
地基的动剪变模量和动弹性模量，应按下列公式计算：
Gd Vs2
E d 2(1 ) Vs2
（5-17） （5-18）
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Vs
（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； （4）应检查三分量检波器各道的一致性和绝缘性。 测试工作要求：
（ 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 并予以固定；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；
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（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%。 2. 跨孔法 跨孔法有双孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得较多。跨孔
法测试精度高，可以达到较深的测试深度，因而应用也比较普遍，
但该法成本高，操作也比较复杂。三孔法是在测试场地上钻三个具 有一定间隔的测试孔，选择其中的一个孔为振源孔，另外两个相邻
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测试设备由激振系统和拾振系统组成。
激振系统一般多采用电磁式激振器。系统工作时由信号发生器 输出一定频率的电信号，经功率放大器放大后输入电磁激振器线圈，
使其产生一定频率的振动。
拾振系统由检波器、放大器、双线示波仪及计算机四部份组成。 检波器接收振动信号，经放大器放大，由双线示波仪显示并被记录。
整个过程由计算机操作控制。
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3. 面波法 瑞利波是在介质表面传播的波，其能量从介质表面以指数规律 沿深度衰减，大部份在一个波长的厚度内通过，因此在地表测得的 面波波速反映了该深度范围内土的性质，而用不同的测试频率就可 以获得不同深度土层的动参数。 面波法有两类测试方式，一是从频率域特性出发，通过变化激 振频率进行量测称为稳态法；另一种从时间域特性出发，瞬态激发 采集宽频面波，这种方法操作容易，但是资料处理复杂。本章仅介 绍稳态法。 稳态法是利用稳态振源在地表施加一个频率为 f的强迫振动， 其能量以地震波的形式向周围扩散，这样在振源的周围将产生一个 随时间变化的正弦波振动。通过设置在地面上的两个检波器 A和B 检出输入波的波峰之间的时间差，便可算出瑞利波速度VR。
的钻孔内放置接收检波器，如图5-2。
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激振控 制器
记录仪
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跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。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，沿深度方向每隔1~2m布置一个测点。 钻孔时应注意保持井孔垂直，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，振源与接收孔内的传感器应设置在 同一水平面。 现场测试方法： （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复测。
一般而言，介质的质量密度越高、结构越均匀、弹性模量越大，
则弹性波在该介质中的传播速度也越高，同时我们又知道该介质的 力学特性也越好。故弹性波的传播速度在通常的情况下能反映材料
的力学和工程性质。
根据弹性理论，当介质受到动荷载的作用时将引起介质的动应 变，并以纵波、横波和面波等形式从振源向外传播。当动应力不超 过介质的弹性界限时所产生的波称为弹性波。岩土体在一定条件下 可视为弹性体，依据牛顿定律可导出弹性波在无限均质体中的运动 方程。相应的波速为：
由于土中的纵波速度受到含水量的影响，不能真实地反映土
的动力特性，故通常测试土中的剪切波速，测试的方法有单孔法 （检层法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。
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1. 单孔法 单孔法是在一个钻 孔中分土层进行检测， 故又称检层法，因为只
需一个钻孔 ，方法简便 ，
在实测中用得较多，但 精度低于跨孔法。单孔
2. 跨孔法 确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，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。 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 TP 1
面波法不需要钻孔，不破坏地表结构物，成本低而效率高，是 一种很有前途的测试方法。
测试工作可按下述方法进行：
（1）激振设备宜采用机械式或电磁式激振器； （ 2 ）在振源的同一侧放置两台间距为 l 的竖向传感器，接收 由振源产生的瑞利波信号；
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（3）改变激振频率，测试不同深度处土层的瑞利波波速； （ 4 ）电磁式激振设备可采用单一正弦波信号或合成正弦波信 号。 因为瑞利波在半无限空间中是在一个波长范围内传播的。低频 激振时，波长变长，可测出深层瑞利波速度。由低向高逐渐改变激 振频率，波长由长变短，探测深度由深变浅，从而得出不同深度的 弹性常数。 测试过程中要注意如下几点：
vs
2M
M
（5-5） （5-6）
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如果测试出了岩土体中的弹性波波速，可以由上列公式推出岩
土体的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和动泊桑比 如下：
Ed
2 vP
(1 )(1 2 ) 1
Gd v s
2
kPa
（5-7）
kPa
（5-8）
（5-9）
m2 2 2( m 2 1)