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剪切波速测试值差异性特征及对场地类别划分的影响研究

2024-07-17 20 上传者：管理员

摘要：剪切波速测试是评估场地土层特性及其对地震波传播影响的关键手段，其测量值的差异性特征对场地类别的划分具有显著影响。通过对青岛某码头工程的岩土工程进行勘察，采集了剪切波速测试数据，并分析了各测点的频率分布形态特征以及正态检验，以确保数据准确性。研究结果为工程设计提供了科学依据，强调了在场地评估中剪切波速差异性的重要性，为工程实施提供了有益的技术支持。

关键词：
剪切波速测试
地震波
场地类别划分
岩土工程勘察
码头工程
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1、工程概况

山东青岛某码头工程总用地面积达218 574.81 m2，包括一期用地137 614.81 m2和二期用地80 960 m2。项目规划精准，合理布局罐区、码头、矿石码头堆场等功能区域，以确保项目的高效运作。此外，剩余土地被规划为远期预留，预留地被用作临时停车场，整体用地规划充分考虑了未来发展需求。

根据钻探结果，该工程地质结构分为第四系和基岩两部分。第四系包括全新统填土层、海相沼泽化层和上更新统晚期陆相冲洪积层。基岩主要由片麻岩、花岗岩和煌斑岩脉组成。在第四系中，揭示了8个标准地层和11个亚层。按照地质年代由新到老分别为：全新统人工填土层、冲填土层、块石填土场地南侧、粉质粘土层、粉细砂层、中粗砂层等。基岩部分主要包括花岗岩中风化带、片麻岩全风化带和强风化带、煌斑岩全风化带和强风化带。

剪切波速测试作为勘察工作的一部分，故本工程评估了场地的地震行为特性，专注于分析剪切波速值的差异性特征，探讨了不同深度和土质条件下剪切波速的变化，以及其变化对场地类别划分的潜在影响。

2、剪切波速测试值差异性特征

2.1剪切波速测试数据采集

在进行剪切波速测试数据采集的过程中，首先应保证进行波速测试的钻孔垂直，并确保附近地面平整，以减小对钻孔的扰动。在土层存在软弱土层时，需采用套筒护壁的措施，并在套管与孔壁之间注入砂浆，以确保工作环境的稳定性。震源部分采用木板，需将其长向中垂线准确对准测试孔中心，且木板与孔的距离以1～3 m为宜，通过堆放重物使木板与土层牢固结合。传感器在不同深度处固定于孔壁上，以确保其可准确接收剪切波速数据。在测试过程中，根据土层情况每隔1 m布置一个测点，按照预定深度34 m由上而下进行测试。

本工程采用RSM–SW型剪切波速测试仪器，其具备外触发通道、采样通道等参数，以保障数据记录的高精度。最终，通过剪切波震相确认，结合剪切波速测试仪器和井中三分量检波器，对采集的波形进行深入分析，以确认波的特征，结果可为研究提供可靠的数据基础。在采集数据时，首先确保使用的测试设备已通过校准，并且处于良好工作状态。其次按照标准规程或工程需求合理布置测点，确保覆盖所有关键区域，并保持足够的间距以获得代表性数据。根据工程需要和地质条件确定剪切波速测试的深度，确保能够准确探测到影响工程结构性能的关键土层。

2.2样本数据处理

本工程采用RSM–SW型剪切波速仪进行岩土剪切波速的测量，该设备工作原理是发射剪切波并接收其反射波，通过精确计算反射波的时间差和波速，从而确定岩土的剪切波速度。在执行测试过程中本工程共完成了20个测试回次，涵盖了31个不同的测点，对每个测点进行了多次测量，以确保所得数据的精确性和可信度。本次测量部分土层剪切波速经验值范围见表1。在测试过程中，如果探头与岩壁接触不紧密，可能会导致测量结果出现偏差。此外，非典型的波形可能是由于岩土内部结构的复杂性或存在裂缝等因素引起的。这些异常情况都可能对数据的准确性造成影响，因此需要对这些异常数据进行识别和剔除。

表1部分土层剪切波速经验值

在剔除异常值时，首先采用统计学方法，计算样本的平均值并加减3倍标准差，将超出此范围的数据视为异常值并予以排除。这种方法有助于消除那些偏离正常分布的极端数据点，从而提高整体数据的可靠性。其次需要对岩土性质与剪切波速之间的已知关系进行数据筛选，过往研究成果表明，不同土类的剪切波速存在一定的正常范围。通常岩土越密实和坚硬，其剪切波速越高。因此如果实测值显著超出或偏离这一经验范围，需要将其认定为异常值并进行剔除。通过这两个严格的剔除原则，最终确保了数据集的高度准确性和可靠性，通过细致筛选的数据可为研究成果提供了强有力地支撑，能够更精确地理解岩土的性质和状态，为工程建设决策提供重要的科学依据。

2.3各测点剪切波速值频率分布形态特征

为了深入探讨剪切波速测试结果的不确定性，本研究采用了单孔法进行试验，并严格遵循了相关规范所规定的试验步骤和要求。在试验过程中，须使用同一型号的仪器，并从同一钻孔中获取的部分测点剪切波速测试值。部分测点剪切波速测试值频率分布如图1所示。通过观察各测点的剪切波速频率分布图，尽管每次测得的剪切波速值存在一定的差异，但总体上都出现了峰值。这表明剪切波速值在整体上呈现相对稳定的特性，并稳定在峰值附近。

为对各测点剪切波速值的频率分布进行了正态检验，本文采用了卡方分布法进行计算。计算结果显示，测点4、12、28和31处的剪切波速频率统计分布不符合正态分布，这些不符合正态分布的测点占总体的13%。这些测点分布在粘土层、泥炭质土层以及粉土层，其中粘土层有1个测点、泥炭质土层有1个测点、粉土层有2个测点。这说明各测点的剪切波速频率分布规律与土层的类别并没有明显关联。与不符合正态分布的测点相比，其他测点基本上符合正态分布，占总测点的87%。由此可知，大多数情况下，剪切波速值在各测点上可呈现出近似正态分布的特性。这些研究结果对于了解剪切波速的频率分布形态特征提供了重要的信息。

3、波速测试值差异性对场地的影响

在进行剪切波速测试时，首先计算了第一测试回次的成效剪切波速。这与每个测点的剪切波速大小和相应的有效土层厚度有直接关系。通过式（1）、式（2）计算剪切波在地面至计算深度为20 m处的传播时间（t=0.145 3 s），得到第一次测试的等效剪切波速为υse=138 m/s。

式中：υse为土层等效剪切波速（m/s);d0为计算深度（m），取覆盖层厚度和20 m二者中的较小值；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；di为计算深度范围内第i土层的厚度（m）；υsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s);n为计算深度范围土层的分层数。

根据钻探揭露的信息，研究场地的第四系覆盖层厚度超过80 m，接近100 m。基于相关计算中各测试回次的等效剪切波速，按照场地类别划分标准对该研究进行了场地类别划分。同时，计算了20个测试回次的等效剪切波速平均值为132 m/s。

图1部分测点剪切波速测试值频率分布

为了深入研究不同测试回次对场地类别划分的影响，将这20个测试回次计算得到的等效剪切波速制作成频率分布图，即可呈现出明显的正态分布特征。该图的平均值为132 m/s，标准差为16.8，变异系数为12.7%。这表明不同测试回次的等效剪切波速存在较为明显的差异，但总体集中在120～140 m/s。

研究结果表明，对于本研究场地，剪切波速的差异性对场地类别划分有一定影响，尤其是等效剪切波速平均值距离场地类别划分界限值只差8 m/s，这种小差异可能导致场地类别划分的变化。

在一般情况下，影响的大小取决于等效剪切波速与其平均值之间的差异程度，以及场地类别划分的界限值与等效剪切波速平均值之间的差异。当平均值接近划分的界限值时，即使各测试回次对应的等效剪切波速差异不大，也可能引起场地类别划分的不同。然而，当平均值远离划分的界限值时，即使各测试回次对应的等效剪切波速差异明显，也无法引起场地类别划分的明显变化。

4、结束语

剪切波速测试值的差异性特征反映了场地的异质性，通过观察可知波速的平均值虽然保持在一个相对稳定的范围，但标准差的存在表明场地内部存在一定的波速波动。这种差异性可能源于地质构造、土壤类型及水分含量等因素的复杂影响。对场地类别划分的影响主要取决于测试值的变异系数。

本工程中变异系数为12.7%，说明场地内波速的相对离散度较高。当平均波速接近不同场地类别的边界时，测试回次的差异可能对最终的划分结果产生显著影响。因此在进行场地类别划分时，需要综合考虑波速测试结果的统计特征，并结合地质勘测等多方面信息，以确保划分的准确性和可靠性。

通过研究剪切波速测试值的差异性特征可知，在地质工程和土木工程中对场地进行分类时须谨慎权衡各项因素，以避免因测试回次的差异性而引起分类不一致性。

参考文献:

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文章来源:刘海滨,于均园,顾沛星.剪切波速测试值差异性特征及对场地类别划分的影响研究[J].建筑技术开发,2024,51(07):1-3.