一种基于地震波静力触探试验的复杂土层剪切波速计算方法

1.本发明属于岩土工程学科中原位试验的数据分析技术领域，具体涉及一种基于地震波静力触探试验实测数据的适用于复杂工程地质条件的土体剪切波速计算方法。


背景技术：

2.地震波静力触探试验是一种先进的岩土工程原位测试技术，自从20世纪80年代发明以来，已被广泛应用于世界各地的机场、桥梁、高速公路和超高层建筑等大型工程建设。传统静力触探试验的主要实测数据为锥尖阻力、侧摩阻力和动态孔隙水压力，主要用于获得土体的强度参数。在静力触探试验基础上，地震波静力触探试验通过对地震波传播信息的采集，增加了对土体剪切波速的测量，能够获取土体的原位剪切刚度，为建筑地基的变形和沉降计算提供重要依据。
3.近年来，国内外学者对地震波静力触探的试验方法进行了诸多优化，但在地震波实测数据的分析技术方面仍存在一定不足，相关的研究也相对较少。目前已有的数据分析技术包括campanella和robertson(campanella,r.g.,robertson,p.k.,1984.a seismic cone penetrometer to measure engineering properties of soil.in:seg technical program expanded abstracts 1984.society of exploration geophysicists,pp.138
–
141.)提出的基于机械波直线路径传播假定的区间分析法以及baziw(baziw,e.j.,2002.derivation of seismic cone interval velocities utilizing forward modeling and the downhill simplex method.can.geotech.j.39(5),1181
–
1192.)提出的基于斯涅尔定律的折射路径分析法。两种方法都存在一个固有局限，即计算剪切波速的土层划分必须与地震波采集的间隔区间相一致。例如，实际试验中一般每间隔一米深度触发一次地震波，那么两种分析方法所得到的剪切波速必为间隔内一米厚度土体的平均值。事实上，对于土层分布复杂的工程地质条件，固定区间的土体剪切波速平均值往往不足以反映土体材料的本质性质。例如，两个刚度差异极大的土层的分界线很可能不在地震波的采集深度，而在间隔内，或者间隔内可能存在软弱土层，这些刚度分界都无法通过固定区间的计算结果得以显示，从而可能高估或者低估区间内某一部分土体的剪切刚度，为后期的工程安全设计带来显著风险。
4.因此，基于地震波静力触探试验的实测数据，利用测得的修正锥尖阻力和土性类型指数对土体进行层状划分，然后应用斯内尔定律和实测的地震波传递时长在新的土体分层上进行折射路径分析，获取每一土层的本质剪切波速，从而提高地震波静力触探试验对于复杂土层剪切刚度的计算精度，对确保建筑地基依据规范进行沉降设计的安全性和可靠性至关重要。


技术实现要素：

5.本发明旨在利用地震波静力触探试验的实测数据，通过修正锥尖阻力和土性类型指数对土体进行层状划分，应用斯内尔定律和实测的地震波传递时长在新的土体分层上进
行折射路径分析，提出一种基于地震波静力触探试验的复杂土层剪切波速计算方法。其技术方案是：首先，获取一组地震波静力触探试验中的修正锥尖阻力和侧摩阻力沿深度分布数据，并求得土性类型指数沿深度的分布值；其次，计算各参数沿深度的移动平均值，即将某一深度处的参数值修正为相邻的多个深度处参数值的平均值，获得参数沿深度的平滑分布曲线；随后，综合应用土性类型指数和修正锥尖阻力进行土层划分，应用条件判断将土层分界线划分为四大类；接着，依据具体的试验方法和遵循的规范，对四大类土层分界线进行合并和去除，并添加辅助分界线，完成用于剪切波速计算的土层划分；最后，应用斯涅尔定律、实测的地震波传递时长和新的土体分层，应用正演模拟方法迭代求解每一土层的剪切波速，获得土体剪切波速沿深度的分布曲线。
6.一种基于地震波静力触探试验的复杂土层剪切波速计算方法，步骤如下：
7.步骤一：初始参数的获取与计算
8.(1)获取单组实测数据中的修正锥尖阻力q
t
和侧摩阻力fs沿深度的分布数据，依据robertson提出的静力触探土性分类图(sbt图)对每一深度处数据赋sbt值，然后应用lunne等提出的经典拟合关系表计算每一深度处的土体容重：
[0009][0010]
(2)根据土体容重、水位线和场地附加荷载计算竖向总应力σ
v0
和竖向有效应力σ
v0
′
沿深度的分布，并依照下式计算土性类型指数ic沿深度分布：
[0011]
ic＝[(3.47-logq
t
)2+(logfr+1.22)2]
0.5
,
[0012][0013]
步骤二：计算各参数的移动平均值
[0014]
(3)为降低下钻静置等因素导致的局部数据误差对分析结果的影响，对各参数进行移动平均值求解：
[0015][0016]
式中，pk代表某参数p的第k个读数，m代表移动平均值求解时向前和向后包含的读数个数。目前大多数电子控制的液压静力触探设备能够达到每一厘米深一次读数，在此情况下，m通常可取为9。
[0017]
步骤三：四大类土层分界线的鉴别
[0018]
(4)robertson提出的土性类型指数ic是被业界广泛认可的土性划分依据。根据ic沿深度的分布曲线对土体进行分层，确定土层分界线深度。分界线处的ic特征值为1.31、
2.05、2.60、2.95和3.6。表层1米和最深处0.5米不参与分层。将五倍钻头直径定义为薄层厚度。如果相邻两处土层分界线间距小于薄层厚度，且ic特征值相同，则两处分界线都需去除；如果相邻的两处或多处土层分界线间距小于薄层厚度，且具有递增或者递减的ic特征值，则将这些分界线合并为一处，位置在这些分界线的平均深度处。
[0019]
(5)沿用boulanger和dejong的研究思路，认为当q
t
沿深度的变化率高于一定值时意味着土体性质的改变，通过q
t
值沿深度的变化率进行土层划分。定义q
t
沿深度的变化率为d
qt
，其表达式如下：
[0020][0021]
式中，(q
t
)i和di分别代表修正锥尖阻力和深度的第i个读数。将d
qt
的临界绝对值设为5，即当相邻的q
t
读数差异大于5％时认为土体性质正在发生过渡改变。取d
qt
＞5时的d
qt
极值处作为土层分界线。表层1米和最深处0.5米不参与分层。若相邻两处土层分界线间距小于薄层厚度，则将其合并为一处，位置在二者的平均深度处。
[0022]
(6)将以上两个步骤得到的土层分界线进行分类。首先，当应用ic划分的分界线与应用q
t
划分的分界线间距小于薄层厚度时，将二者合并，定义新的分界线为显著分界线，其位置在二者的平均深度处。其次，当某一分界线的深度距地震波的采集深度小于薄层厚度时，将其移至地震波的采集深度处，定义为试验分界线。此步骤是为了保证后续剪切波速数值迭代计算的收敛性。最后，将不符合以上两条的土层分界线依据划分形式分别定义为ic分界线和q
t
分界线。
[0023]
步骤四：土层分界线的最终划分
[0024]
(7)现有规范推荐的地震波采集深度间隔为0.5米至1.5米之间。目前国内外绝大多数工程中采用每整米进行地震波采集的形式。为确保沿深度分布的剪切波速数值解的唯一性，新划分的土层数需等于地震波采集试验数，因此最终的土体分层厚度不宜小于0.5米。基于此，需对上一步骤中得到的四大类土层分界线进行如下划分：当相邻的ic分界线或显著分界线间距小于0.5米且ic值相同时，二者都需去除；当相邻的ic分界线或显著分界线间距小于0.5米且ic值不同时，二者合并于平均深度处；当相邻的三处以上的ic分界线或显著分界线间距均小于0.5米，只保留顶部和底部分界线，内部分界线去除；去除与显著分界线或试验分界线的间距在0.5米以内的ic分界线和q
t
分界线；去除与试验分界线的间距在0.5米以内的显著分界线。
[0025]
(8)当地震波采集深度的0.5米以内没有土层分界线时，在这一深度处添加辅助分界线，使新划分的土层数等于地震波采集试验数。至此，完成了依据土体性质的土体分层，为精准剪切波速求解奠定基础。
[0026]
步骤五：剪切波速的数值迭代求解
[0027]
(9)应用斯涅尔定律、实测的地震波传递时长和新的土体分层求解剪切波速，具体公式如下：
[0028][0029]
[0030][0031]
式中，为第i个地震波采集深度对应的地震波传播路径在第j个土层中的折射角，为第i个土层的剪切波速，h为地震波波源与钻孔之间的水平距离，di和ti分别对应第i个地震波采集深度及该深度处的地震波传递时长，对应第i个土层分界线的深度。三个公式的约束条件分别为斯涅尔定律、地震波波源与钻孔之间的水平距离和地震波传递时长。此处有两点需要注明。第一，计算中应由浅及深依次求解每个土层的剪切波速，即在求解第i个土层的剪切波速时，第一个土层至第i-1个土层的剪切波速应已通过上式分别求得。第二，由上式可知，在求解第i个土层的剪切波速时，应分为两种情况：当第i个土层分界线深于第i个地震波采集深度，即第i个地震波采集深度在第i个土层内，可依据上式直接求解，无需迭代；当第i个土层分界线浅于第i个地震波采集深度，即第i个地震波采集深度实际位于第i+j个土层内，此时依据正演模拟方法同时迭代求解至共j个土层的剪切波速。在绝大多数情况下j≤3。
[0032]
依据以上整个流程，即可得出基于地震波静力触探试验的复杂土层剪切波速沿深度的准确分布。
[0033]
本发明的有益效果：克服以往在地震波静力触探试验数据处理过程中计算剪切波速的土层划分必须与地震波采集间隔区间相一致的不足，提出基于原位实测数据的土体分层计算方法，能够依据土体力学性质实现更为精准的土层划分；提出一种剪切波速的数值迭代求解方法，能够依据斯涅尔定律和新的土体分层求解剪切波速沿深度的准确分布。相比传统方法，该方法旨在求解属于某一类型土体的本质剪切波速，从而为地基变形和沉降的解析和数值计算提供更为准确的剪切刚度。对于土层组成复杂的工程情况，该方法能够显著提高剪切刚度的计算精度。
附图说明
[0034]
图1是本发明所提出方法的基本流程；
[0035]
图2(a)是修正锥尖阻力的实测数据，图2(b)是侧摩阻力的实测数据，图2(c)是计算得到的土性类型指数沿深度分布；
[0036]
图3(a)和图3(b)分别是修正锥尖阻力和土性类型指数沿深度分布的移动平均值；
[0037]
图4(a)和图4(b)分别是优化前后的土性类型指数分层，图4(c)和图4(d)分别是优化前后的修正锥尖阻力分层；
[0038]
图5(a)是四大类土层分界线划分结果；图5(b)是土层划分方法中依据规范和实际试验方式需要考虑的三种特殊情况；
[0039]
图6是最终的土层划分以及每个土层依据土性类型指数的代表性性质；
[0040]
图7是该方法求得的剪切波速沿深度分布以及与传统方法的比较。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图和技术方案，选取某大型填海造陆工程的一组地震波静力触探试验实例，进一步说明本发明的具体实施方式。该工程底部为海洋软土，采用的填海材料为砂土，填至目标高度后进行堆载固结，堆载移除后再经过动力压实，最终形成可用于工程建设的地基。为检验地基的剪切刚度，进行地震波静力触探试验，地震波采集的深度间隔为1米。本发明的基本思路如图1所示，针对本实施例开展基于地震波静力触探试验的复杂土层剪切波速计算，具体实施方式如下：
[0042]
(1)如图2所示，获取原位试验实测数据中的修正锥尖阻力和侧摩阻力沿深度的分布数据，依据静力触探土性分类图和经典拟合关系求解竖向总应力和竖向有效应力，然后计算得到土性类型指数沿深度的分布数据。
[0043]
(2)取m＝9，计算得到修正锥尖阻力和土性类型指数的移动平均值，结果如图3所示。
[0044]
(3)根据土性类型指数进行初始分层。如图4(a)所示，依据土性类型指数的特征值1.31、2.05、2.60、2.95和3.6确定土层分界线，分界线深度已在图中标记，其中表层1米和最深处0.5米不参与分层。然后，根据分界线间土层厚度与薄层厚度关系以及分界线处土性类型指数的数值对分界线进行合并或去除，结果如图4(b)所示。
[0045]
(4)根据修正锥尖阻力沿深度的变化率进行初始分层。首先计算d
qt
沿深度分布。如图4(c)所示，取d
qt
＞5时的d
qt
极值处作为土层分界线，分界线深度已在图中标记，其中表层1米和最深处0.5米不参与分层。然后，根据分界线间土层厚度与薄层厚度关系对分界线进行合并，结果如图4(d)所示。
[0046]
(5)将以上两个步骤得到的土层分界线进行分类。基于图4(b)和图4(d)的初始土层划分结果，根据判别标准，将土层分界线划分为显著分界线、试验分界线、ic分界线和q
t
分界线，结果如图5(a)所示。
[0047]
(6)求解最终的土层划分形式。首先，依据规范要求和实际试验方式，考虑图5(b)所示的三种典型情况，进行土层分界线合并或移除，并考虑以下两种情况：去除与显著分界线或试验分界线的间距在0.5米以内的ic分界线和q
t
分界线；去除与试验分界线的间距在0.5米以内的显著分界线。而后，当地震波采集深度的0.5米以内没有土层分界线时，在这一深度处添加辅助分界线。本算例中土层分界线的最终划分如图6所示。可见，17米深的地层共被16道土层分界线划分为17个土层。该土层分类方法能够使土层数与地震波采集试验数相一致，从而确保剪切波速计算的定解性。并且，该方法划分的土层具有代表性，能够将工程特性有别于周围土体的土层精准划分出来，而非传统方法中单纯根据深度的平均分层，因此求得的土层剪切波速属于某一类性质的土体，更为准确和具有代表性。
[0048]
(7)根据斯涅尔定律、实测的地震波传递时长和新的土体分层，应用正演模拟方法数值迭代求解剪切波速，结果如图7所示。由对比分析可以看得出，根据本发明所提出的方法能够显著提高剪切波速的计算精度，并且能够得到某一类工程特性土体的本质剪切波速，而非仅仅是沿深度的平均值。本发明可为地震波静力触探试验的数据分析技术的方法优化和精度提高提供重要的技术手段。