[科普中國(guó)]-下孔法試驗(yàn)

土壤的剪切波速是分析土壤特性與工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。土壤的剪切波速一般可由下孔法 （Down-Hole, DH）或跨孔法（Cross-Hole，CH），直接量測(cè)，下孔法或跨孔法量測(cè)過程包括在預(yù)鉆孔不同深度中放置地震檢波器以量測(cè)地震波速。下孔法是指在一個(gè)鉆孔的孔口激振，在其孔底接收振波，以確定通過巖土體波速的方法。

簡(jiǎn)介在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土層波速測(cè)試時(shí)，最常用的方法是PS檢層法。這是一種利用鉆孔在孔內(nèi)固定拾振器進(jìn)行波速測(cè)試的方法。根據(jù)激振和拾振位置的關(guān)系，PS 檢層法可以分為下孔法和跨孔法兩種。跨孔法理論上講精度高，但是，由于鉆孔存在不同程度傾斜，這種傾斜難于控制、難于測(cè)試，實(shí)際上測(cè)試精度并不高，而且，跨孔法需同時(shí)提供兩個(gè)鉆孔，所需費(fèi)用大。下孔法費(fèi)用低、方法簡(jiǎn)單、操作方便、結(jié)果能夠滿足工程需要，在現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試工作中得到了廣泛的應(yīng)用。從表面特征看，P 波的傳播速度大于S 波，頻率也高，因此在同一記錄上，P 波首先到達(dá)，然后是S 波。在實(shí)際測(cè)量中，一般由三分量記錄中的豎直道記P 波，在兩個(gè)水平道上記S 波。由于在工程應(yīng)用中， S 波的測(cè)試主要是測(cè)SH波，因?yàn)镾H 波具有一個(gè)重要的特性，即當(dāng)振源的激振方向相反時(shí)，其振動(dòng)波形的初至相位產(chǎn)生反相，利用這一特性可以判定記錄波形中的SH 波的初至，正確判定了SH 波的初至，就可以確定波的傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算波的速度1。

下孔法試驗(yàn)一般基于“孔中液體不能傳播剪切波”這一理論，在彈性波勘探專業(yè)書籍中規(guī)定“孔中三分量檢波探頭須配備可充氣的膨脹膠囊，每測(cè)一點(diǎn)，須給膨脹膠囊充氣，并通過其膨脹作用使探頭緊貼孔壁,以便有效地接收剪切波信號(hào)”。這種規(guī)定對(duì)保證剪切波的可靠接收的確是有益的，但實(shí)測(cè)起來困難很多，隨著鉆孔加深，液壓加大，充氣量難以掌握,常發(fā)生氣囊、輸氣管路破裂故障。另外鉆孔深部輸氣管路極易扭曲，或與信號(hào)線相互纏繞，從而造成氣路阻塞故障。

剪切波速剪切波，稱S波、橫波。傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向相垂直的體波。它是使介質(zhì)呈剪切狀態(tài)的波動(dòng)，因此只能在地球內(nèi)部固體部分中傳播。由于斷層錯(cuò)動(dòng)所激發(fā)的地震波能量中S波比P波大，而且一般建(構(gòu))筑物的抗側(cè)力能力較弱，所以S波往往是造成工程結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。

剪切波速是指剪切波在土層中的傳播速度。常用以表征土的剛度性質(zhì)，是地基土抗震分析中的常規(guī)指標(biāo)。常用的原位測(cè)試方法有利用直達(dá)表面波的地表穩(wěn)態(tài)振動(dòng)法和利用直達(dá)剪切波的鉆孔測(cè)速法。也可通過人為激震的方法產(chǎn)生震動(dòng)波，在相隔一定距離處記錄振動(dòng)信號(hào)到達(dá)時(shí)間，以確定橫波在土內(nèi)的傳播速度。測(cè)試方法一般有單孔法、跨孔法等。剪切波速是抗震區(qū)確定場(chǎng)地土類別的主要依據(jù)。剪切波速測(cè)試是指在場(chǎng)地某處激振，在相隔一定距離處記錄振動(dòng)信號(hào)到達(dá)時(shí)間，以確定橫波在場(chǎng)地土內(nèi)傳播速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。包括單孔法、跨孔法等。

土體液化土體液化是飽和土體在靜力、滲流、尤其是動(dòng)力(主要是地震)作用下，因嚴(yán)重喪失抗剪強(qiáng)度而向液體狀態(tài)轉(zhuǎn)化的一種現(xiàn)象。它是由于土體在不排水條件下(或者是由于滲流比降的增加)受剪力作用時(shí)體積趨于收縮，引起孔隙水壓力升高，使土骨架上的有效應(yīng)力降低以至消失所致。

土體液化類型及其危害：土體液化分為完全液化、間歇性液化及流土3種類型。

完全液化：松散土體在很大剪應(yīng)變下仍處于剪縮狀態(tài)，使土的強(qiáng)度幾乎喪失，在靜力剪切或循環(huán)剪切下都會(huì)引起無限度的流動(dòng)。它多發(fā)生于飽和、疏松、排水不暢的無黏性土或少黏性土中，常見于地震烈度6度以上的地震區(qū)，表現(xiàn)為土體表面噴水冒砂、上部建筑物的嚴(yán)重開裂、沉陷或傾倒，以及土坡的流動(dòng)性滑坡等，可對(duì)工程造成嚴(yán)重危害。

間歇性液化：對(duì)于密實(shí)土體，剪應(yīng)變?cè)龃髸?huì)使土體因剪脹而產(chǎn)生負(fù)值的孔隙壓力，導(dǎo)致強(qiáng)度部分恢復(fù)，這時(shí)在循環(huán)剪切作用下會(huì)產(chǎn)生以有限變形為特征的間歇性液化，它對(duì)工程的危害要比完全液化的小得多。

流土：因滲流的水力比降達(dá)到臨界比降所發(fā)生的一種液化現(xiàn)象(見滲透變形)。

土體液化勢(shì)評(píng)估：液化勢(shì)指土體潛在的發(fā)生液化的可能性。影響土體液化勢(shì)的內(nèi)部因素有土的組成、密度、結(jié)構(gòu)性、應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力歷史等;外部因素有土體的埋藏與排水條件，振動(dòng)的強(qiáng)度、歷時(shí)與頻率等。由于影響因素復(fù)雜，難以精確評(píng)估。一些簡(jiǎn)單方法都建立在工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別以土體的地質(zhì)年代、顆粒組成、相對(duì)密度、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、液性指數(shù)或剪切波速等以及地震烈度作為判別依據(jù)。進(jìn)一步評(píng)估土體液化勢(shì)的方法，以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)動(dòng)力特性試驗(yàn)提供的高質(zhì)量土質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析，做出評(píng)價(jià)。此外，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)也能提供定性或定量的分析。

土體液化防治：防止土體發(fā)生液化及其對(duì)工程的危害，可以從改良土性、壓密土體、改善排水條件和應(yīng)力條件以及防止土體流動(dòng)等方面采取措施。常用的措施有換土、振動(dòng)壓密、排水、壓重和圍封等。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)