5.波速测试讲解
波速测试
④类型：根据测试对象和工作方式的不同，声波探头可 类型：根据测试对象和工作方式的不同， 划分为喇叭型、增压式、弯曲型、测井换能器、 划分为喇叭型、增压式、弯曲型、测井换能器、横波换能器 等多种类型。 等多种类型。
《岩土工程原位测试》 岩土工程原位测试》
第6章 波速测试
第6章 波速测试
学习指导: 了解各种波速测试的方法分类、 学习指导: 了解各种波速测试的方法分类、国家现 行规范对波速测试的要求、波速测试的要点、 行规范对波速测试的要求 、 波速测试的要点 、 资 料整理及成果应用。 料整理及成果应用。 重点： 重点 ： 各种波速测试方法以及国家现行规范对该 试验的要求； 弹性波基本理论；仪器组成； 试验的要求 ； 弹性波基本理论 ； 仪器组成 ； 野外 工作方法； 测试指标及物理意义；适用范围； 工作方法 ； 测试指标及物理意义 ； 适用范围 ； 波 速测试要点；资料整理及成果应用。 速测试要点；资料整理及成果应用。
6.1 概述
3．工程中常用的波：纵波（P波）、横波（S波）、瑞利面波（R波） 工程中常用的波：纵波（ 横波（ 瑞利面波（ 4．用弹性参数表示的波速公式
5．Vp、Vs、VR之间的关系 Vp、Vs、
6.1 概述
6．用波速计算弹性参数的公式
7、基本测试方法 (1)、对穿法 V=L/t
(2)、一发双收测孔 ①换能器结构 ②测试原理
6.3 单孔法
6.3.1 基本原理 2 公式推导 定义坐标系原点为钻孔口， 定义坐标系原点为钻孔口 ， z 轴沿钻孔向下为正， 轴沿钻孔向下为正， x轴向右为 正。 设测点深度为 hi ， 激震点距 钻孔口距离为dx dx。 钻孔口距离为dx。
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。
17
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
23
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。
24
思 考 题
1．单孔法、跨孔法和面波法各自采用什么方式激振？
物理实验中使用波速计测量波速的方法
物理实验中使用波速计测量波速的方法引言波速是物理实验中一个重要的物理量，其测量方法也多种多样。
而在物理实验中，使用波速计测量波速是一种常见的方法。
本文将介绍在物理实验中使用波速计测量波速的几种常用方法。
方法一：弦上的波速测量在弦上的波速测量中，可以使用波速计来直接测量波速。
首先，将细长的弦挂在两个支架上并拉紧。
然后，在弦的一端产生一个振动，使波传播到弦的另一端。
将波速计放在弦的某一点上，测量并记录通过该点的波速。
重复多次实验，取平均值作为该点的波速。
不仅可以在一维弦上测量波速，还可以在二维弦网上进行实验。
在弦网上，振动源放置在某个位置，观察波在弦网上的传播情况，并使用波速计测量波速。
方法二：水中的声速测量在物理实验中，测量声波的速度也是常见的实验之一。
声波是一种机械波，其传播速度可以通过波速计测量。
一种常见的方法是在水中进行声速测量。
在水中测量声速时，可以使用一个声音源和一个水中定位的波速计。
首先，将声音源放入水中，待其稳定后，将波速计放置在水中的特定位置。
观察波速计的指示，并记录下声波通过该点的速度。
多次实验，取平均值作为波速的测量值。
方法三：利用多普勒效应进行测量多普勒效应是描述波源相对于观测者运动时，波波长和频率的变化规律。
该效应可以用于测量波速，尤其适用于测量声速。
在利用多普勒效应测量波速时，首先选择一个已知的速度来源，如一辆车，制造声音源。
同时，将波速计放置在观察点上。
当车以恒定速度通过观察点时，观察到的声音频率将有所变化。
根据多普勒效应的公式，可以通过测量变化的频率和速度，计算出声速的值。
结论在物理实验中，使用波速计测量波速的方法有很多种。
本文介绍了弦上的波速测量、水中的声速测量以及利用多普勒效应测量波速等几种常见方法。
这些方法都可以有效地测量波速，且具有一定的精确度。
然而，不同方法的适用范围和精度也不尽相同，需要根据实验需求和实际情况选择合适的方法。
除了上述介绍的方法外，还有其他方法可以用于测量波速，如光的波速测量等。
波速试验的基本原理
波速试验的基本原理波速试验是一种用来测量材料中的纵波速度和横波速度的非破坏性试验方法。
其基本原理是利用超声波在材料中的传播速度来确定材料的弹性性质。
波速试验是通过将超声波传播到被测材料中并测量其被测功率和时间来测量材料中的声速。
在这个过程中，发射器发出超声波信号，经过材料的传播，然后由接收器接收并记录超声波的波形和时间信息。
波速试验实际上是一种时域方法，它基于超声波在实验装置中的传播时间与被测材料中的声速之间的关系。
根据基本的物理公式v=d/t，其中v是声速，d是超声波在材料中传播的距离，t是超声波传播的时间。
具体而言，在纵波速度测量中，超声波是沿材料的纵向传播的。
通过测量超声波在材料中传播的距离和时间，可以计算出纵波速度v_l。
通常，采用纵波谐振频率模式，即使在多个纵波模式下，可以提供更准确和一致的纵波速度。
在横波速度测量中，超声波是沿材料的横向传播的。
和纵波速度测量类似，通过测量超声波在材料中传播的距离和时间，可以计算出横波速度v_t。
横波速度的确定通常需要更高的频率，因为在材料中横波的传播速度较高，频率较低的超声波会衰减较快。
在进行波速试验时，需要注意以下几点：1.超声波的发射器和接收器需要保持正确的耦合，以确保超声波信号能够有效地传播和接收。
使用耦合剂，例如涂有薄膜的胶水，可以帮助传递超声波信号并减小信号的衰减。
2.测量超声波在材料中传播所需的时间应该尽量准确。
可以使用高精度的计时器或其他精确测量时间的设备来进行测量。
3.要选择适当的频率和模式来传播超声波。
纵波和横波的频率和模式的选择应根据材料的弹性性质来确定，以确保测量结果的准确性。
4.在进行波速试验之前，应先了解被测试材料的基本性质和结构，以便选择适当的测试方法和参数。
总的来说，波速试验是一种通过测量超声波在材料中传播的时间和距离来确定材料中纵波和横波速度的方法。
这种试验方法广泛应用于材料科学、工程和非破坏性测试领域，可以帮助人们了解材料的弹性、结构和性能。
5 波速测试
m 波器，前者的固有频率为4.5Hz，后者为100Hz。
18m 第 l 期检测区
b. 测线的布置及测点编号
-
观测系统示意图
瑞雷波探测的工程实例
——漳州后石电厂地基强夯效果的检测
有效探测深度和工作频段的控制 按 f = VR / R， VR =200 ms-1 考虑
Geophone for time break Source P- and Swaves No.1 No.2 Boreholes Receiver 1 P- and Swaves No.3 Receiver 2
t / ms
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
P
S S
A
P P
B
C
S
-6 -3 Βιβλιοθήκη 3 6 9 12 15 18 横波波速 VS
VS
式中， — 拉梅常数； — 介质密度； — 剪切模量；E — 杨氏模量
岩土体弹性波速的意义
弹性波波速与介质物理参数的关系
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
— 泊松比
将以上表达式代入弹性波速公式得：
VP
E (1 ) (1 )(1 2 )
频散曲线是描述相 度随波动频率变化 速 群速度（group velocity） 度 与 波 动 频 率 的现象 单一频率成分的波 （波长、波数）之 频散特征是指相速 频 散（dispersion） 动传播所对应的波 间关系的曲线 度与波动频率之间 速，称为相速度 各种频率成分的波 关系的其变化 频散曲线（curve of dispersion） 动相干叠加后的宏 频散特征（feature of 观波动传播速度， dispersion) 称为群速度
波速测试
波速测试(wave velocity testing)观测、研究地震波在岩土中的传播速度的工程地震勘探方法。
人工激发的地震波(纵波、横波和面波)在岩土中的传播速度与岩土的形变有直接关系，传播速度的大小，特别是横波速度的大小反映了岩土的状态、结构和物理力学性质。
只要测得岩土的纵波速度v p、横波速度v s和密度ρ值，即可计算岩土的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd、动压缩模量Kd和动泊松比舶μd不少学者还用v p,v s值与岩土的主要物理力学参数建立相关关系，因而，可以通过波速测试间接得到这些参数；或直接用岩土的波速值来评价岩土的物理力学性质和强度，评价地基加固效果。
20世纪80年代末，工程地球物理勘探界利用先进的地震波层析成像技术对岩体进行全面细致的质量评价，圈定地质异常体取得显著效果，为波速层析成像技术开拓了新的前景。
波速测试常用的方法有：地面直达(折射)波法、单孔法、跨孔法和瑞雷波法。
(1)地面直达(折射)波法。
在地面、探槽、坑道等岩土露头上，激发、观测直达(折射)波中的纵、横波在岩土中的传播速度。
观测方法有：剖面法和透视法。
利用传播时间和距离计算岩土体的纵、横波速度。
横波激发和接收是测试结果质量的关键，即：横波激发方向应与横波传播方向垂直，接收横波检波器的最大灵敏度轴与质点振动的方向一致。
直达波法使用的仪器设备有大锤或其他震源、检波器、浅层地震仪(见工程地球物理勘探仪器)。
(2)单孔法。
可以在钻孔附近地面上用叩板法激振，孔内不同深度处用三分量检波器接收纵波和横波；也可以在孔内不同深度处用爆炸或井下剪切波锤激振，在钻孔附近地面用三分量检波器接收纵波和横波。
用传播时间与路程之比计算各层纵波和横波速度。
单孔法使用的仪器设备有井下剪切波锤或其他激振设备、三分量检波器和浅层地震仪。
(3)跨孔法。
用井下剪切波锤或其他激振设备在一孔内激发，用井下三分量检波器在另一孔或多孔内接收纵波和横波。
用孔间距与到达时间之比计算地层的纵波和横波速度。
波速试验的基本原理
波速试验的基本原理
波速试验是用来测定材料内部声速的实验方法，允许进行非破坏性检测，以评估材料的强度、刚度、密度和其他物理特性。
它是一种简单、快速、经济、精确的测量方法，被广泛应用于工业制造、建筑结构、材料研究和医学等领域。
波速试验的基本原理是使用压电晶体发生器产生连续高频电信号，信号通过传感器或探头输入到样品中。
样品内部的介质会对信号产生衰减和反射，从而形成了回声波，此时探头会接收到与发射信号相似的反射波，将信号传输到波速仪器进行分析。
波速试验是利用弹性波对材料品质进行评估的一种方法，而弹性波是在物体受到力量作用后，从物体中传导的一种能量。
物体中的所有材料都会对弹性波的传播产生影响，形成不同的波速。
波速的变化受到材料性质的影响，如材料的密度、弹性模量、声学冲击值等，因此，通过测量弹性波的传播速度，可以推断出材料的某些性质。
在波速试验中，声波在材料中的传播速度由两个主要因素决定：材料的密度和弹性模量。
因此，在测试中，通过测量声波传播的时间和距离，能够得到材料的波速，从而推断出其密度和弹性模量。
这个过程需要使用一台含有计时器和测量距离的波速仪器，通过对一系列测试数据进行分析，能够得出材料的平均波速和其他物理参数。
波速试验无需对样品做改变，又能够对材料进行快速，准确和非破坏的测量。
因此，它被广泛应用于工业制造、建筑结构和材料研究等领域。
同时，由于其测量结果受到的影响由材料密度和弹性模量的因素决定，该测试方法也被用于评估医学上的骨量和骨密度等问题。
总之，波速试验是一种极具应用前景的实验方法，广泛应用于不同领域，可以提供准确、精细的数据，为人们提供了一种有效的材料评估方法。
波速测试
摘要一般来说，波速测试可原位测定压缩波(P波)、剪切波(S波)和瑞雷面波(R波)在岩(土)体中的传播速度，从而避免了室内测试所带来的误差，它能有效地解决许多地质问题。
波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果作为地基土动力特性测试项目之一，自80年代以来广泛用于重大工程、高层建筑等一级建筑及有特殊要求的二级建筑中。
通过波速测试可获得岩土体的弹性波速，为工程设计提供所需的动弹性力学参数、划分建筑物场地类别、评价地震效应、进行场地地震反应分析和地震破坏潜势分析等。
文中简述了面波法与单孔法等波速测试方法的工作原理、现场施测技术以及数据处理和资料分析过程。
以工程实例说明了波速测试技术在岩土工程勘察设计中的应用和及其效果。
关键词：弹性波波速测试单孔法跨孔法面波法岩土动力参数第一章绪论波速测试技术是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技术的一个重要分支，目前已广泛应用于水利水电工程、石油工程、铁路工程、冶金工程、工业与民用建筑等众多岩土工程地质勘察领域，取得了良好的应用效果。
如果回顾一下历史，可以发现随着弹性波理论研究的不断发展，波速测试技术不断得到完善，其领域也在不断拓宽。
1821年,C.-L.-M.-H.纳维建立了弹性体平衡和运动的一般方程，弹性波的研究随之展开。
1829年，S.-D.泊松在研究弹性介质中波的传播问题时,发现在远离波源处有纵波和横波两种类型的波。
到1845年，弹性波传播的数学理论已经发展成熟，G.G.斯托克斯证明纵波是胀缩波，1849年又证明横波是畸变波。
后来学者们对拉压、扭转和弯曲三种类型的无限长弹性杆中弹性波的传播问题进行了研究，并得到了精确解。
瑞利、H.兰姆等人给出了无限平板中的波动方程的解。
兰姆在1904年建立了半无限弹性体表面和内部由于扰动线源和点源的作用而引起的波动问题的理论，并得到了问题的解，故该问题称为兰姆问题。
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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。
3
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 法的现场测试情况如图51所示。
岩土工程原位测试技术
第5章 波速试验
1
第5章 内 容
5.1 试验设备和方法 5.2 基本测试原理 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。
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
12
（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： （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；
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；
（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；
11
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。 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；
13
（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。
14
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。
接收孔互换的方法进行复测。
8
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10
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。
（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；
5
（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。
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
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 的钻孔内放置接收检波器，如图5-2。
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：
6
激振控 制器
记录仪
7
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5m；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