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论横波测试的重要性

吴庆曾

（原中国地质局技术方法研究所）

摘要：通过介质中传播的纵波、横波、瑞利面波等时程关系，说明横波波速判读存在的问题。论述了横波波速对提取介质动弹性力学参数的重要地位，介绍横波测试在抗震科学及材料科学研究中之作用，回顾试块横波测试存在的缺憾，用测试实例说明扭转振动横波换能器良好测试效果。

关键词：横波 动弹性力学参数 抗震科学 横波换能器介质中传播的弹性波有纵波、横波、瑞利面波和斯通利波，鉴于它们传播速度不尽相同，可用图1表示它们在同一传播距离后到达接收点的波动时间关系。

可见，纵波P先到达,其后是横波S，再后面是瑞利面波R和斯通利波ST。

由于纵波之前没有干扰，初至容易判读，它的波速可测得很准，因此被应用到各种检测领域中，成为无损检测的重要手段。

图1 介质中的弹性波有纵波P、横波R、瑞利面波R和斯通利波ST

1. 弹性波的传播速度

由弹性波的波动方程，可推导出纵波、横波、面波的传播速度分别为：

由图1可见横波是紧随纵波的尾部到达，它的初至不易判定，横波波速不易测准，从而使其应用受到影响。

2. 横波波速与被测介质动弹性力学参数有密切关系

如果横波波速可以测到，由(1)(2)(3)式，可以计算出介质的下列动弹性力学参数：

由（4）（5）（6）式可见，欲获得被测介质的动弹性力学参数，横波波速测取是不可缺的，横波波速的测取成为关键技术。

3. 动弹性力学参数的应用

3.1现代工程抗震科学中的应用

1. 测取工程场地的纵波与横波波速，即可获取地层不同层位动弹性力学参数，从动力学的角度，掌握地层的分层及其力学性能；进行地震动小区划和地震动反应谱分析均需提供地层的横波波速和地层深度的变化，以便根据地层横波速度变化提供地层的剪切模量，即可进行城市的小区烈度划分，达到合理设防

2. 《建筑抗震设计规范》（GBJ11—89）的工程场地土类型和场地类别划分，宜根据土层的横波波速划分，如表1

表1 工程场地土类型划分

3. 分析沙土液化势必须测取横波波速

地层中砂土颗粒形成的骨架，对地层承载力做出贡献。但是，当地震发生时，地震的剪切振动破坏了砂层骨架结构，砂层承载力丧失，造成砂层孔隙水压力上升，形成砂土液化（流动的砂土冒出地面）。由此大面积地层承载力丧失，将造成破坏。故需要对地层的横波波速进行测试，按下式［1］判定砂土地基液化

当剪切应变大于这个应变范围时，则地基可能液化，从而对砂土的液化做判断。这里也可看出横波波速测试的重要；

4. 核电站、油田、土坝等场地，特别是核电站，在工程场地勘察时需对地下原状土的动力学性能进行测试与分析，这其中原状土横波波速测试是必须进行的；

5. 《构筑物抗震设计规范》（GB50191—93）的场地评定，对场地土层的平均剪切模量的计算离不开横波波速的测试，计算土层的平均剪切模量G

6. 地层周期的计算

    任何场地，都存在微米数量级的微振，而且有一个固有的自然共振频率，其振动周期被称为“zhuo yue周期”。地震发生时，地层将在周期的频率产生共振，如果建筑物的固有共振频率和它相近，建筑物会在瞬间毁坏，所以工程场地的周期是必须提供给建筑设计使用的。

“简明工程地质手册”（1998）P.331用地层横波波速通过经验公式计算周期的方法，计算公式如下：

3.2 工程材料的横波检测

1. 绝缘陶瓷、耐火材料、工程塑料等特殊材料的动力学特性离不开横波测试；

2. 木材也要通过纵波和横波测试，来决定它的强度；木材缺陷测试，利用横波将会更加有利，因为水是不能传导横波的，木材是否含水对其缺陷测试，不会造成干扰；

3. 混凝土是建筑物使用中量大面广的材料，开展横波测试，提供其动弹性力学性能，必然对建筑物的抗震性能带来优势；就探伤而言，如裂缝测试，采用横波就不用担心裂缝中是否存在水，因为水是不能传导横波的

4. 材料科学、抗震试验科学的试验研究等，往往也离不开横波测试。

   
   

4. 采样试块的横波测试

 

工程场地的地质勘查，存在两种测试方式：一为原位测试；二为采样测试。这两种方式各有利弊。就横波波速测试，原位测试相对比较成熟，但受孔深的限制，以及现场的干扰，有时不能满足勘查要求；取样测试可以做到极为精，但是对样品的采取和加工较为严格（特别是原状土的采样）。目前，两种方式处于相辅相成局面。这里对现场原位测试不作赘述，本文重点讨论采样试块的横波测试问题。

采样试块横波测试的利器，是横波换能器。上世纪七十年代末、八十年代初国内外相继推出横波换能器。笔者进行了大量应用试验研究，特别对横波换能器耦合问题，总结出了可行的方法，并撰写专门论文发表，形成了今天横波耦合主流（从而摒弃了使用水杨酸苯酯和蜂蜜耦合）。但是，这些横波换能器存在两个不足：一有纵波干扰；二要求发射与接收换能器的剪切振动方向必须对齐，使用仍有不便。近两年笔者经过努力采用扭转振动，其理论根据是

表2. SSW-80 纯横波换能器对七种试块的横波测试结果

注：上表中纵波声速是使用HFW-500高首波纵波换能器的测试结果

5.结语

 由表2样品的测试结果表明SSW-80纯横波换能器，测试横波波形易于判读横波初至，所测横波波速合理，该横波换能器应当是理想的。水平有限，欢迎批评指正。

 参考文献

［1］柳宗元 《岩土工程试验检测手册》2005 P.527 

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