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歐美大地 海洋工程
海洋工程
四種海洋巖土剪切波波速測試方法
發布時間:2023-09-07 瀏覽次數:14337 來源:歐美大地

土層的剪切波速是反映土體動力特性的重要參數。它反應了土層的剛度特征,并且對場地地震動參數有顯著影響,故剪切波波速的測試與估計是一個重要的工作。

剪切波波速是當前工程場地地震安全性評價和地震小區劃工作中必備的參數之一。我國現行的建筑抗震規范、工程場地地震安全性評價技術規范、巖土工程勘察規范、地基動力特性測試規范等,在巖土彈性參數計算、地基剛度和阻尼比計算、場地類別劃分、場地地基卓越周期計算、沙土液化判別時都規定要利用土層的剪切波速資料。因此,與剪切波速及其測試有關的科學研究具有重要的實際工程意義。

對于海上構筑物,例如海上石油平臺、海上風機等,了解地基土的動力特性具有重要意義。以海上石油平臺為例,屬于甲類構筑物,《構筑物抗震設計規范》要求進行抗震設計,其中平臺場址土動力特性評價是一個不可或缺的組成部分。對平臺場址土動力特性評價,剪切波波速又是一個十分重要的土層動力指標,為地震安全性評價提供依據。剪切波波速測試可以通過現場進行原位測試及室內對采回的土樣進行波速測試。

目前歐美國家常用的海洋巖土波速測試方法主要有四種:


  • 地震波靜力觸探試驗
  • 地震波扁鏟側脹試驗
  • PS波速測井
  • 彎曲元試驗


地震波靜力觸探試驗  Seismic CPT或SCPT

SCPT是一種全新的原位測試技術,將CPT測試與下孔法現場波速測試結合在一起,提供了一種高效、可靠、經濟的波速測試方法,以測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出優勢剪切波,使用觸發器判斷激震時刻并觸發采集儀器對地震波的信號采集,緊接著繼續進行靜力觸探并在下一個深度重復進行上述剪切波信號采集,如此重復一直到需求的深度。

地震波靜力觸探系統(SCPT)已被證明是確定低應變原位壓縮(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、剪切模量、體積模量和楊氏模量直接相關。從記錄時間序列到P波和S波到達時間的準確記錄對于準確評估地震波速度是至關重要的。

地震波CPT探測由一個地震適配器控制,連接到一個10cm2或15cm2的CPT(U)探頭。適配器的設計使地震傳感器記錄土壤剖面的低應變地震擾動響應。

在SCPT測試中,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)。為了簡化數據采集,所有的硬件和軟件組件設計與連接到“信號調節系統”的筆記本電腦一起運行,而不是傳統的地震儀。CPT數據由GME數據采集單元記錄,由安裝在計算機上的數據采集軟件CPTest進一步處理。信號調節地震數據由PCMCIA卡進行A/D轉化,然后由SC(1‐15)‐DAC? 軟件進行處理。SCPT系統可以擴展到15個通道(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。

在巖土工程設計中,剪切波速評估的另一個重要的用途是土壤液化評估。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,側限應力,應力變化歷史和地質年代),因此是一個極好的液化指標。

地震波扁鏟側脹試驗  SDMT

地震波扁鏟側脹儀 (SDMT)結合了傳統側脹儀DMT (Marchetti 1980)的特征與地震剪切波速 VS的測量功能。最初設計用于研究,逐步發展成為原位測試市場的主要產品。地震波速模塊即在扁鏟一端安裝相隔0.5米的兩個接收單元,用于測試剪切波速 Vs。通過 Vs 可以推導出微應變剪切模量(剛度)Go。
SDMT為用戶提供了快捷,準確,簡單而經濟的Vs剖面圖(其中Vs重復性高達1-2%)。

地震波扁鏟側脹儀的“兩個接收器/真實間隔”結構特征避免了常規1個接收器測量波速中首波到達時間可能會同假間隔時間相遇的情況。兩個接受器同時測量,接受的是同一次振動產生的波形,不必再分析其他數據,這也避免了連續多重波的干擾情況。這樣的設計使得SDMT測量剪切波速時其重復性非常好!

測試震源是通過一個搖擺重錘,搖擺捶擊一個與地面水平平行的鋼制底座產生的。當然這個底座必須受到足夠的垂直壓力保證完全牢固地接觸地表。底座的縱向坐標必須同接受器的坐標平行,這樣能減少誤差,最大化剪切波速的測試靈敏性。

剪切波速Vs是通過一個公式得出,即兩接收器離震源的距離差除以兩個接受器接受到同一次波形的時間差。

Vs可以推導出初始剪切模量Go,綜合通過SDMT的Go值和DMT得出的單向(一維)模量M,對我們建立G-Gamma 模量衰減曲線很有幫助。

剪切波速Vs的測試都是每0.5米深度間隔進行一次。


現在的勘察設計中越來越多的應用到Vs,目前SDMT已經成為國際原位測試中的主流手段之一。

PS波速測井
PS波速測井采用的懸掛探頭是一種低頻聲學探頭,設計用于測量土壤和軟巖層中的壓縮波和剪切波波速。它使用間接激發而不是傳統聲波中的模式轉換,能夠在充水鉆孔深度達600米的情況下獲取高分辨率的P波和S波數據。
PS懸掛探頭包含一個獨特設計的大功率震源和兩個由聲阻尼管隔開的接受器,采集數據時,探頭停在設定的深度,震源由地面控制觸發,觸發引發一個受控螺線管沿井軸方向排列,依次去撞擊在探頭對面上的碟子,在周圍的液體中建立一個壓力偶.由此引起的液體運動在井壁產生一個管形波,其波速接近地層的剪切波速度,同時伴隨有壓縮波。當波平行井軸方向傳播時,造成相應的流動運動,這種運動被兩個中等浮力的三分量水中檢波器檢測,從而直接地測得波速。如通常的地震數據采集一樣,操作軟件中也包含有多次疊加和濾波技術。
彎曲元試驗

彎曲元測試由于其簡單、低成本和非破壞性的特點,在過去的十年中得到了廣泛的應用,是目前實驗室中最為常用的測試剪切波速的方法。

整套彎曲元系統包括彎曲元件插入物、配套的底座和試樣帽、信號調節與控制器、數據采集裝置。

其中,彎曲元件是彎曲元系統中最重要的部分,其由壓電式陶瓷雙壓電晶片制成,兩個壓電晶片中間放置一個鎳等金屬制成的可動墊片,互相粘結在一起構成一個整體, 一般來說, 壓電器件的材料是鈦酸鉛鋯(Pb(Ti.Zr)O3),簡稱為PZT。當雙壓電晶片的一端受到一個激勵電壓時,由于壓電效應,其中一個陶瓷壓電片產生拉伸、另一個陶瓷壓電片產生壓縮,則最終在整個元件中產生彎曲;同樣,當雙壓電晶片的一端受到一個彎曲變形時,由于逆壓電效應,在晶片的另一端會產生一個電壓。

利用彎曲元件的這一特性,彎曲元系統由兩個單獨的壓電陶瓷彎曲元組成,分別將兩個彎曲元放在待測試土體兩端,其中一個作為激發元、另一個作為接收元,每個彎曲元均為懸臂結構,一端固定一端自由,將自由一端插入被測土體中。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產生橫向變形,產生剪切波信號,對土體產生擾動,這種擾動就會以波的形式在土體中傳播,當這種擾動傳播到土體的另一端時,這一端上的接收彎曲元就會將這個振動轉變為電信號,從而接收到剪切波信號。由此就能夠讓剪切波在被測土體中傳播并得到輸入輸出信號。

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入被測土體中。

同時,兩個彎曲元件均與信號調節與控制器連接,后者可以將接收的電信號增益放大,使得輸入輸出信號可以更加清晰的被記錄。最后再與數據采集裝置相連,信號控制器中的數據采集和控制卡將激發彎曲元上的電信號和接收彎曲元上的電信號都保存并顯示在數據采集裝置中。

彎曲元激發的剪切波最大應變幅值為10-5-10-7量級,在巖土工程中可認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的介紹,利用彎曲元測量土體波速的基本原理,即是根據剪切波在土體中傳播的距離除以傳播時間求得剪切波在土體中傳播的速度,是一個原理十分清晰且簡單的試驗。


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