土層的剪切波速是反映土體動(dòng)力特性的重要參數(shù)。它反應(yīng)了土層的剛度特征，并且對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)有顯著影響，故剪切波波速的測(cè)試與估計(jì)是一個(gè)重要的工作。
剪切波波速是當(dāng)前工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃工作中必備的參數(shù)之一。我國(guó)現(xiàn)行的建筑抗震規(guī)范、工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范、巖土工程勘察規(guī)范、地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范等，在巖土彈性參數(shù)計(jì)算、地基剛度和阻尼比計(jì)算、場(chǎng)地類別劃分、場(chǎng)地地基卓越周期計(jì)算、沙土液化判別時(shí)都規(guī)定要利用土層的剪切波速資料。因此，與剪切波速及其測(cè)試有關(guān)的科學(xué)研究具有重要的實(shí)際工程意義。
對(duì)于海上構(gòu)筑物，例如海上石油平臺(tái)、海上風(fēng)機(jī)等，了解地基土的動(dòng)力特性具有重要意義。以海上石油平臺(tái)為例，屬于甲類構(gòu)筑物,《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，其中平臺(tái)場(chǎng)址土動(dòng)力特性評(píng)價(jià)是一個(gè)不可或缺的組成部分。對(duì)平臺(tái)場(chǎng)址土動(dòng)力特性評(píng)價(jià)，剪切波波速又是一個(gè)十分重要的土層動(dòng)力指標(biāo)，為地震安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。剪切波波速測(cè)試可以通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)試及室內(nèi)對(duì)采回的土樣進(jìn)行波速測(cè)試。
目前歐美國(guó)家常用的海洋巖土波速測(cè)試方法主要有四種：
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地震波靜力觸探試驗(yàn)
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地震波扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)
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PS波速測(cè)井
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彎曲元試驗(yàn)
地震波靜力觸探試驗(yàn) Seismic CPT或SCPT
SCPT是一種全新的原位測(cè)試技術(shù)，將CPT測(cè)試與下孔法現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試結(jié)合在一起，提供了一種高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的波速測(cè)試方法，以測(cè)定土層剪切剛度與模量信息。SCPT是將地震波傳感器嵌入到靜力觸探探頭的之中，在靜力觸探過程的間歇中，操作人員在地面使用大錘擊板法激發(fā)出優(yōu)勢(shì)剪切波，使用觸發(fā)器判斷激震時(shí)刻并觸發(fā)采集儀器對(duì)地震波的信號(hào)采集，緊接著繼續(xù)進(jìn)行靜力觸探并在下一個(gè)深度重復(fù)進(jìn)行上述剪切波信號(hào)采集，如此重復(fù)一直到需求的深度。
地震波靜力觸探系統(tǒng)（SCPT）已被證明是確定低應(yīng)變?cè)粔嚎s（P）和剪切（S）速度的非常有效的工具。P波和S波速與土的泊松比彈性常數(shù)、剪切模量、體積模量和楊氏模量直接相關(guān)。從記錄時(shí)間序列到P波和S波到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確記錄對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估地震波速度是至關(guān)重要的。
地震波CPT探測(cè)由一個(gè)地震適配器控制，連接到一個(gè)10cm2或15cm2的CPT(U)探頭。適配器的設(shè)計(jì)使地震傳感器記錄土壤剖面的低應(yīng)變地震擾動(dòng)響應(yīng)。
在SCPT測(cè)試中，通常有兩種類型的傳感器，速度（即檢波器）和加速度（即加速度計(jì)）。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集，所有的硬件和軟件組件設(shè)計(jì)與連接到“信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”的筆記本電腦一起運(yùn)行，而不是傳統(tǒng)的地震儀。CPT數(shù)據(jù)由GME數(shù)據(jù)采集單元記錄，由安裝在計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件CPTest進(jìn)一步處理。信號(hào)調(diào)節(jié)地震數(shù)據(jù)由PCMCIA卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，然后由SC(1‐15)‐DAC? 軟件進(jìn)行處理。SCPT系統(tǒng)可以擴(kuò)展到15個(gè)通道（如果使用兩塊A/D板，為30通道），但一般使用單軸（SC1-DAC），三軸（SC3-DAC）和真正的間隔六通道（SC6-DAA）系統(tǒng)。
在巖土工程設(shè)計(jì)中，剪切波速評(píng)估的另一個(gè)重要的用途是土壤液化評(píng)估。由于剪切波速受很多影響液化的變量的影響（例如孔隙率，土壤密度，側(cè)限應(yīng)力，應(yīng)力變化歷史和地質(zhì)年代），因此是一個(gè)極好的液化指標(biāo)。
地震波扁鏟側(cè)脹試驗(yàn) SDMT
地震波扁鏟側(cè)脹儀 (SDMT)結(jié)合了傳統(tǒng)側(cè)脹儀DMT (Marchetti 1980)的特征與地震剪切波速 VS的測(cè)量功能。最初設(shè)計(jì)用于研究，逐步發(fā)展成為原位測(cè)試市場(chǎng)的主要產(chǎn)品。地震波速模塊即在扁鏟一端安裝相隔0.5米的兩個(gè)接收單元，用于測(cè)試剪切波速 Vs。通過 Vs 可以推導(dǎo)出微應(yīng)變剪切模量(剛度)Go。
SDMT為用戶提供了快捷，準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的Vs剖面圖(其中Vs重復(fù)性高達(dá)1-2%)。
地震波扁鏟側(cè)脹儀的“兩個(gè)接收器/真實(shí)間隔”結(jié)構(gòu)特征避免了常規(guī)1個(gè)接收器測(cè)量波速中首波到達(dá)時(shí)間可能會(huì)同假間隔時(shí)間相遇的情況。兩個(gè)接受器同時(shí)測(cè)量，接受的是同一次振動(dòng)產(chǎn)生的波形，不必再分析其他數(shù)據(jù)，這也避免了連續(xù)多重波的干擾情況。這樣的設(shè)計(jì)使得SDMT測(cè)量剪切波速時(shí)其重復(fù)性非常好！
測(cè)試震源是通過一個(gè)搖擺重錘，搖擺捶擊一個(gè)與地面水平平行的鋼制底座產(chǎn)生的。當(dāng)然這個(gè)底座必須受到足夠的垂直壓力保證完全牢固地接觸地表。底座的縱向坐標(biāo)必須同接受器的坐標(biāo)平行，這樣能減少誤差，最大化剪切波速的測(cè)試靈敏性。
剪切波速Vs是通過一個(gè)公式得出，即兩接收器離震源的距離差除以兩個(gè)接受器接受到同一次波形的時(shí)間差。
Vs可以推導(dǎo)出初始剪切模量Go，綜合通過SDMT的Go值和DMT得出的單向(一維)模量M，對(duì)我們建立G-Gamma 模量衰減曲線很有幫助。
剪切波速Vs的測(cè)試都是每0.5米深度間隔進(jìn)行一次。
現(xiàn)在的勘察設(shè)計(jì)中越來越多的應(yīng)用到Vs，目前SDMT已經(jīng)成為國(guó)際原位測(cè)試中的主流手段之一。
PS波速測(cè)井
PS波速測(cè)井采用的懸掛探頭是一種低頻聲學(xué)探頭，設(shè)計(jì)用于測(cè)量土壤和軟巖層中的壓縮波和剪切波波速。它使用間接激發(fā)而不是傳統(tǒng)聲波中的模式轉(zhuǎn)換，能夠在充水鉆孔深度達(dá)600米的情況下獲取高分辨率的P波和S波數(shù)據(jù)。
PS懸掛探頭包含一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)的大功率震源和兩個(gè)由聲阻尼管隔開的接受器，采集數(shù)據(jù)時(shí)，探頭停在設(shè)定的深度，震源由地面控制觸發(fā)，觸發(fā)引發(fā)一個(gè)受控螺線管沿井軸方向排列，依次去撞擊在探頭對(duì)面上的碟子，在周圍的液體中建立一個(gè)壓力偶.由此引起的液體運(yùn)動(dòng)在井壁產(chǎn)生一個(gè)管形波，其波速接近地層的剪切波速度，同時(shí)伴隨有壓縮波。當(dāng)波平行井軸方向傳播時(shí)，造成相應(yīng)的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)被兩個(gè)中等浮力的三分量水中檢波器檢測(cè)，從而直接地測(cè)得波速。如通常的地震數(shù)據(jù)采集一樣，操作軟件中也包含有多次疊加和濾波技術(shù)。
彎曲元試驗(yàn)
彎曲元測(cè)試由于其簡(jiǎn)單、低成本和非破壞性的特點(diǎn)，在過去的十年中得到了廣泛的應(yīng)用，是目前實(shí)驗(yàn)室中最為常用的測(cè)試剪切波速的方法。
整套彎曲元系統(tǒng)包括彎曲元件插入物、配套的底座和試樣帽、信號(hào)調(diào)節(jié)與控制器、數(shù)據(jù)采集裝置。
其中，彎曲元件是彎曲元系統(tǒng)中最重要的部分，其由壓電式陶瓷雙壓電晶片制成，兩個(gè)壓電晶片中間放置一個(gè)鎳等金屬制成的可動(dòng)墊片，互相粘結(jié)在一起構(gòu)成一個(gè)整體， 一般來說， 壓電器件的材料是鈦酸鉛鋯（Pb(Ti.Zr)O3），簡(jiǎn)稱為PZT。當(dāng)雙壓電晶片的一端受到一個(gè)激勵(lì)電壓時(shí)，由于壓電效應(yīng)，其中一個(gè)陶瓷壓電片產(chǎn)生拉伸、另一個(gè)陶瓷壓電片產(chǎn)生壓縮，則最終在整個(gè)元件中產(chǎn)生彎曲；同樣，當(dāng)雙壓電晶片的一端受到一個(gè)彎曲變形時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，在晶片的另一端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。
利用彎曲元件的這一特性，彎曲元系統(tǒng)由兩個(gè)單獨(dú)的壓電陶瓷彎曲元組成，分別將兩個(gè)彎曲元放在待測(cè)試土體兩端，其中一個(gè)作為激發(fā)元、另一個(gè)作為接收元，每個(gè)彎曲元均為懸臂結(jié)構(gòu)，一端固定一端自由，將自由一端插入被測(cè)土體中。向安裝在試樣頂端或試樣底端的任一彎曲元件的固定一端施加電壓，彎曲元的自由端將會(huì)產(chǎn)生橫向變形，產(chǎn)生剪切波信號(hào)，對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)就會(huì)以波的形式在土體中傳播，當(dāng)這種擾動(dòng)傳播到土體的另一端時(shí)，這一端上的接收彎曲元就會(huì)將這個(gè)振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而接收到剪切波信號(hào)。由此就能夠讓剪切波在被測(cè)土體中傳播并得到輸入輸出信號(hào)。
其中，上述彎曲元件插入物與配套的底座的試樣帽相連，底座和試樣帽可以將彎曲元的固定端充分限制，提供很高的軸向硬度，并將軸向荷載的影響降到最小，將彎曲元的橫向變形充分進(jìn)入被測(cè)土體中。
同時(shí)，兩個(gè)彎曲元件均與信號(hào)調(diào)節(jié)與控制器連接，后者可以將接收的電信號(hào)增益放大，使得輸入輸出信號(hào)可以更加清晰的被記錄。最后再與數(shù)據(jù)采集裝置相連，信號(hào)控制器中的數(shù)據(jù)采集和控制卡將激發(fā)彎曲元上的電信號(hào)和接收彎曲元上的電信號(hào)都保存并顯示在數(shù)據(jù)采集裝置中。
彎曲元激發(fā)的剪切波最大應(yīng)變幅值為10-5-10-7量級(jí)，在巖土工程中可認(rèn)為材料變形處于彈性階段，所傳播的剪切波為彈性波?；谏鲜鰪澢到y(tǒng)的介紹，利用彎曲元測(cè)量土體波速的基本原理，即是根據(jù)剪切波在土體中傳播的距離除以傳播時(shí)間求得剪切波在土體中傳播的速度，是一個(gè)原理十分清晰且簡(jiǎn)單的試驗(yàn)。
