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論橫波測試的重要性

吳慶曾

（原中國地質(zhì)局技術(shù)方法研究所）

摘要：通過介質(zhì)中傳播的縱波、橫波、瑞利面波等時(shí)程關(guān)系，說明橫波波速判讀存在的問題。論述了橫波波速對提取介質(zhì)動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)的重要地位，介紹橫波測試在抗震科學(xué)及材料科學(xué)研究中之作用，回顧試塊橫波測試存在的缺憾，用測試實(shí)例說明扭轉(zhuǎn)振動(dòng)橫波換能器良好測試效果。

關(guān)鍵詞：橫波 動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù) 抗震科學(xué) 橫波換能器介質(zhì)中傳播的彈性波有縱波、橫波、瑞利面波和斯通利波，鑒于它們傳播速度不盡相同，可用圖1表示它們在同一傳播距離后到達(dá)接收點(diǎn)的波動(dòng)時(shí)間關(guān)系。

可見，縱波P先到達(dá),其后是橫波S，再后面是瑞利面波R和斯通利波ST。

由于縱波之前沒有干擾，初至容易判讀，它的波速可測得很準(zhǔn)，因此被應(yīng)用到各種檢測領(lǐng)域中，成為無損檢測的重要手段。

圖1 介質(zhì)中的彈性波有縱波P、橫波R、瑞利面波R和斯通利波ST

1. 彈性波的傳播速度

由彈性波的波動(dòng)方程，可推導(dǎo)出縱波、橫波、面波的傳播速度分別為：

由圖1可見橫波是緊隨縱波的尾部到達(dá)，它的初至不易判定，橫波波速不易測準(zhǔn)，從而使其應(yīng)用受到影響。

2. 橫波波速與被測介質(zhì)動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)有密切關(guān)系

如果橫波波速可以測到，由(1)(2)(3)式，可以計(jì)算出介質(zhì)的下列動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)：

由（4）（5）（6）式可見，欲獲得被測介質(zhì)的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)，橫波波速測取是不可缺的，橫波波速的測取成為關(guān)鍵技術(shù)。

3. 動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)的應(yīng)用

3.1現(xiàn)代工程抗震科學(xué)中的應(yīng)用

1. 測取工程場地的縱波與橫波波速，即可獲取地層不同層位動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)，從動(dòng)力學(xué)的角度，掌握地層的分層及其力學(xué)性能；進(jìn)行地震動(dòng)小區(qū)劃和地震動(dòng)反應(yīng)譜分析均需提供地層的橫波波速和地層深度的變化，以便根據(jù)地層橫波速度變化提供地層的剪切模量，即可進(jìn)行城市的小區(qū)烈度劃分，達(dá)到合理設(shè)防

2. 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ11—89）的工程場地土類型和場地類別劃分，宜根據(jù)土層的橫波波速劃分，如表1

表1 工程場地土類型劃分

3. 分析沙土液化勢必須測取橫波波速

地層中砂土顆粒形成的骨架，對地層承載力做出貢獻(xiàn)。但是，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震的剪切振動(dòng)破壞了砂層骨架結(jié)構(gòu)，砂層承載力喪失，造成砂層孔隙水壓力上升，形成砂土液化（流動(dòng)的砂土冒出地面）。由此大面積地層承載力喪失，將造成破壞。故需要對地層的橫波波速進(jìn)行測試，按下式［1］判定砂土地基液化

當(dāng)剪切應(yīng)變大于這個(gè)應(yīng)變范圍時(shí)，則地基可能液化，從而對砂土的液化做判斷。這里也可看出橫波波速測試的重要；

4. 核電站、油田、土壩等場地，特別是核電站，在工程場地勘察時(shí)需對地下原狀土的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測試與分析，這其中原狀土橫波波速測試是必須進(jìn)行的；

5. 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191—93）的場地評定，對場地土層的平均剪切模量的計(jì)算離不開橫波波速的測試，計(jì)算土層的平均剪切模量G

6. 地層周期的計(jì)算

    任何場地，都存在微米數(shù)量級的微振，而且有一個(gè)固有的自然共振頻率，其振動(dòng)周期被稱為“zhuo yue周期”。地震發(fā)生時(shí)，地層將在周期的頻率產(chǎn)生共振，如果建筑物的固有共振頻率和它相近，建筑物會(huì)在瞬間毀壞，所以工程場地的周期是必須提供給建筑設(shè)計(jì)使用的。

“簡明工程地質(zhì)手冊”（1998）P.331用地層橫波波速通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算周期的方法，計(jì)算公式如下：

3.2 工程材料的橫波檢測

1. 絕緣陶瓷、耐火材料、工程塑料等特殊材料的動(dòng)力學(xué)特性離不開橫波測試；

2. 木材也要通過縱波和橫波測試，來決定它的強(qiáng)度；木材缺陷測試，利用橫波將會(huì)更加有利，因?yàn)樗遣荒軅鲗?dǎo)橫波的，木材是否含水對其缺陷測試，不會(huì)造成干擾；

3. 混凝土是建筑物使用中量大面廣的材料，開展橫波測試，提供其動(dòng)彈性力學(xué)性能，必然對建筑物的抗震性能帶來優(yōu)勢；就探傷而言，如裂縫測試，采用橫波就不用擔(dān)心裂縫中是否存在水，因?yàn)樗遣荒軅鲗?dǎo)橫波的

4. 材料科學(xué)、抗震試驗(yàn)科學(xué)的試驗(yàn)研究等，往往也離不開橫波測試。

   
   

4. 采樣試塊的橫波測試

工程場地的地質(zhì)勘查，存在兩種測試方式：一為原位測試；二為采樣測試。這兩種方式各有利弊。就橫波波速測試，原位測試相對比較成熟，但受孔深的限制，以及現(xiàn)場的干擾，有時(shí)不能滿足勘查要求；取樣測試可以做到極為精，但是對樣品的采取和加工較為嚴(yán)格（特別是原狀土的采樣）。目前，兩種方式處于相輔相成局面。這里對現(xiàn)場原位測試不作贅述，本文重點(diǎn)討論采樣試塊的橫波測試問題。

采樣試塊橫波測試的利器，是橫波換能器。上世紀(jì)七十年代末、八十年代初國內(nèi)外相繼推出橫波換能器。筆者進(jìn)行了大量應(yīng)用試驗(yàn)研究，特別對橫波換能器耦合問題，總結(jié)出了可行的方法，并撰寫專門論文發(fā)表，形成了今天橫波耦合主流（從而摒棄了使用水楊酸苯酯和蜂蜜耦合）。但是，這些橫波換能器存在兩個(gè)不足：一有縱波干擾；二要求發(fā)射與接收換能器的剪切振動(dòng)方向必須對齊，使用仍有不便。近兩年筆者經(jīng)過努力采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其理論根據(jù)是

表2. SSW-80 純橫波換能器對七種試塊的橫波測試結(jié)果

注：上表中縱波聲速是使用HFW-500高首波縱波換能器的測試結(jié)果

5.結(jié)語

 由表2樣品的測試結(jié)果表明SSW-80純橫波換能器，測試橫波波形易于判讀橫波初至，所測橫波波速合理，該橫波換能器應(yīng)當(dāng)是理想的。水平有限，歡迎批評指正。

 參考文獻(xiàn)

［1］柳宗元 《巖土工程試驗(yàn)檢測手冊》2005 P.527