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      論橫波測試的重要性

      來源:Chinese websites  |  發(fā)布時(shí)間:2023年10月26日

      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(duì)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?cè)谕粋鞑ゾ嚯x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(shì)必須測取橫波波速

      地層中砂土顆粒形成的骨架,對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)定,對(duì)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(jí)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(cè)”(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(duì)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(duì)建筑物的抗震性能帶來優(yōu)勢(shì);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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)指正。

       參考文獻(xiàn)

      [1]柳宗元 《巖土工程試驗(yàn)檢測手冊(cè)》2005 P.527 

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