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四种海洋岩土剪切波波速测试方法
发布时间:2023-09-07 浏览次数:5576 来源:欧美大地

土层的剪切波速是反映土体动力特性的重要参数。它反应了土层的刚度特征,并且对场地地震动参数有显著影响,故剪切波波速的测试与估计是一个重要的工作。

剪切波波速是当前工程场地地震安全性评价和地震小区划工作中必备的参数之一。我国现行的建筑抗震规范、工程场地地震安全性评价技术规范、岩土工程勘察规范、地基动力特性测试规范等,在岩土弹性参数计算、地基刚度和阻尼比计算、场地类别划分、场地地基卓越周期计算、沙土液化判别时都规定要利用土层的剪切波速资料。因此,与剪切波速及其测试有关的科学研究具有重要的实际工程意义。

对于海上构筑物,例如海上石油平台、海上风机等,了解地基土的动力特性具有重要意义。以海上石油平台为例,属于甲类构筑物,《构筑物抗震设计规范》要求进行抗震设计,其中平台场址土动力特性评价是一个不可或缺的组成部分。对平台场址土动力特性评价,剪切波波速又是一个十分重要的土层动力指标,为地震安全性评价提供依据。剪切波波速测试可以通过现场进行原位测试及室内对采回的土样进行波速测试。

目前欧美国家常用的海洋岩土波速测试方法主要有四种:


  • 地震波静力触探试验
  • 地震波扁铲侧胀试验
  • PS波速测井
  • 弯曲元试验


地震波静力触探试验  Seismic CPT或SCPT

SCPT是一种全新的原位测试技术,将CPT测试与下孔法现场波速测试结合在一起,提供了一种高效、可靠、经济的波速测试方法,以测定土层剪切刚度与模量信息。SCPT是将地震波传感器嵌入到静力触探探头的之中,在静力触探过程的间歇中,操作人员在地面使用大锤击板法激发出优势剪切波,使用触发器判断激震时刻并触发采集仪器对地震波的信号采集,紧接着继续进行静力触探并在下一个深度重复进行上述剪切波信号采集,如此重复一直到需求的深度。

地震波静力触探系统(SCPT)已被证明是确定低应变原位压缩(P)和剪切(S)速度的非常有效的工具。P波和S波速与土的泊松比弹性常数、剪切模量、体积模量和杨氏模量直接相关。从记录时间序列到P波和S波到达时间的准确记录对于准确评估地震波速度是至关重要的。

地震波CPT探测由一个地震适配器控制,连接到一个10cm2或15cm2的CPT(U)探头。适配器的设计使地震传感器记录土壤剖面的低应变地震扰动响应。

在SCPT测试中,通常有两种类型的传感器,速度(即检波器)和加速度(即加速度计)。为了简化数据采集,所有的硬件和软件组件设计与连接到“信号调节系统”的笔记本电脑一起运行,而不是传统的地震仪。CPT数据由GME数据采集单元记录,由安装在计算机上的数据采集软件CPTest进一步处理。信号调节地震数据由PCMCIA卡进行A/D转化,然后由SC(1‐15)‐DAC™ 软件进行处理。SCPT系统可以扩展到15个通道(如果使用两块A/D板,为30通道),但一般使用单轴(SC1-DAC),三轴(SC3-DAC)和真正的间隔六通道(SC6-DAA)系统。

在岩土工程设计中,剪切波速评估的另一个重要的用途是土壤液化评估。由于剪切波速受很多影响液化的变量的影响(例如孔隙率,土壤密度,侧限应力,应力变化历史和地质年代),因此是一个极好的液化指标。

地震波扁铲侧胀试验  SDMT

地震波扁铲侧胀仪 (SDMT)结合了传统侧胀仪DMT (Marchetti 1980)的特征与地震剪切波速 VS的测量功能。最初设计用于研究,逐步发展成为原位测试市场的主要产品。地震波速模块即在扁铲一端安装相隔0.5米的两个接收单元,用于测试剪切波速 Vs。通过 Vs 可以推导出微应变剪切模量(刚度)Go。
SDMT为用户提供了快捷,准确,简单而经济的Vs剖面图(其中Vs重复性高达1-2%)。

地震波扁铲侧胀仪的“两个接收器/真实间隔”结构特征避免了常规1个接收器测量波速中首波到达时间可能会同假间隔时间相遇的情况。两个接受器同时测量,接受的是同一次振动产生的波形,不必再分析其他数据,这也避免了连续多重波的干扰情况。这样的设计使得SDMT测量剪切波速时其重复性非常好!

测试震源是通过一个摇摆重锤,摇摆捶击一个与地面水平平行的钢制底座产生的。当然这个底座必须受到足够的垂直压力保证完全牢固地接触地表。底座的纵向坐标必须同接受器的坐标平行,这样能减少误差,最大化剪切波速的测试灵敏性。

剪切波速Vs是通过一个公式得出,即两接收器离震源的距离差除以两个接受器接受到同一次波形的时间差。

Vs可以推导出初始剪切模量Go,综合通过SDMT的Go值和DMT得出的单向(一维)模量M,对我们建立G-Gamma 模量衰减曲线很有帮助。

剪切波速Vs的测试都是每0.5米深度间隔进行一次。


现在的勘察设计中越来越多的应用到Vs,目前SDMT已经成为国际原位测试中的主流手段之一。

PS波速测井
PS波速测井采用的悬挂探头是一种低频声学探头,设计用于测量土壤和软岩层中的压缩波和剪切波波速。它使用间接激发而不是传统声波中的模式转换,能够在充水钻孔深度达600米的情况下获取高分辨率的P波和S波数据。
PS悬挂探头包含一个独特设计的大功率震源和两个由声阻尼管隔开的接受器,采集数据时,探头停在设定的深度,震源由地面控制触发,触发引发一个受控螺线管沿井轴方向排列,依次去撞击在探头对面上的碟子,在周围的液体中建立一个压力偶.由此引起的液体运动在井壁产生一个管形波,其波速接近地层的剪切波速度,同时伴随有压缩波。当波平行井轴方向传播时,造成相应的流动运动,这种运动被两个中等浮力的三分量水中检波器检测,从而直接地测得波速。如通常的地震数据采集一样,操作软件中也包含有多次叠加和滤波技术。
弯曲元试验

弯曲元测试由于其简单、低成本和非破坏性的特点,在过去的十年中得到了广泛的应用,是目前实验室中最为常用的测试剪切波速的方法。

整套弯曲元系统包括弯曲元件插入物、配套的底座和试样帽、信号调节与控制器、数据采集装置。

其中,弯曲元件是弯曲元系统中最重要的部分,其由压电式陶瓷双压电晶片制成,两个压电晶片中间放置一个镍等金属制成的可动垫片,互相粘结在一起构成一个整体, 一般来说, 压电器件的材料是钛酸铅锆(Pb(Ti.Zr)O3),简称为PZT。当双压电晶片的一端受到一个激励电压时,由于压电效应,其中一个陶瓷压电片产生拉伸、另一个陶瓷压电片产生压缩,则最终在整个元件中产生弯曲;同样,当双压电晶片的一端受到一个弯曲变形时,由于逆压电效应,在晶片的另一端会产生一个电压。

利用弯曲元件的这一特性,弯曲元系统由两个单独的压电陶瓷弯曲元组成,分别将两个弯曲元放在待测试土体两端,其中一个作为激发元、另一个作为接收元,每个弯曲元均为悬臂结构,一端固定一端自由,将自由一端插入被测土体中。向安装在试样顶端或试样底端的任一弯曲元件的固定一端施加电压,弯曲元的自由端将会产生横向变形,产生剪切波信号,对土体产生扰动,这种扰动就会以波的形式在土体中传播,当这种扰动传播到土体的另一端时,这一端上的接收弯曲元就会将这个振动转变为电信号,从而接收到剪切波信号。由此就能够让剪切波在被测土体中传播并得到输入输出信号。

其中,上述弯曲元件插入物与配套的底座的试样帽相连,底座和试样帽可以将弯曲元的固定端充分限制,提供很高的轴向硬度,并将轴向荷载的影响降到最小,将弯曲元的横向变形充分进入被测土体中。

同时,两个弯曲元件均与信号调节与控制器连接,后者可以将接收的电信号增益放大,使得输入输出信号可以更加清晰的被记录。最后再与数据采集装置相连,信号控制器中的数据采集和控制卡将激发弯曲元上的电信号和接收弯曲元上的电信号都保存并显示在数据采集装置中。

弯曲元激发的剪切波最大应变幅值为10-5-10-7量级,在岩土工程中可认为材料变形处于弹性阶段,所传播的剪切波为弹性波。基于上述弯曲元系统的介绍,利用弯曲元测量土体波速的基本原理,即是根据剪切波在土体中传播的距离除以传播时间求得剪切波在土体中传播的速度,是一个原理十分清晰且简单的试验。


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