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論橫波測試的重要性

吳慶曾

（原中國地質局技術方法研究所）

摘要：通過介質中傳播的縱波、橫波、瑞利面波等時程關系，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動彈性力學參數的重要地位，介紹橫波測試在抗震科學及材料科學研究中之作用，回顧試塊橫波測試存在的缺憾，用測試實例說明扭轉振動橫波換能器良好測試效果。

關鍵詞：橫波 動彈性力學參數 抗震科學 橫波換能器介質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接收點的波動時間關系。

可見，縱波P先到達,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，因此被應用到各種檢測領域中，成為無損檢測的重要手段。

圖1 介質中的彈性波有縱波P、橫波R、瑞利面波R和斯通利波ST

1. 彈性波的傳播速度

由彈性波的波動方程，可推導出縱波、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，它的初至不易判定，橫波波速不易測準，從而使其應用受到影響。

2. 橫波波速與被測介質動彈性力學參數有密切關系

如果橫波波速可以測到，由(1)(2)(3)式，可以計算出介質的下列動彈性力學參數：

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

3. 動彈性力學參數的應用

3.1現代工程抗震科學中的應用

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彈性力學參數，從動力學的角度，掌握地層的分層及其力學性能；進行地震動小區劃和地震動反應譜分析均需提供地層的橫波波速和地層深度的變化，以便根據地層橫波速度變化提供地層的剪切模量，即可進行城市的小區烈度劃分，達到合理設防

2. 《建筑抗震設計規范》（GBJ11—89）的工程場地土類型和場地類別劃分，宜根據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。但是，當地震發生時，地震的剪切振動破壞了砂層骨架結構，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行測試，按下式［1］判定砂土地基液化

當剪切應變大于這個應變范圍時，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，在工程場地勘察時需對地下原狀土的動力學性能進行測試與分析，這其中原狀土橫波波速測試是必須進行的；

5. 《構筑物抗震設計規范》（GB50191—93）的場地評定，對場地土層的平均剪切模量的計算離不開橫波波速的測試，計算土層的平均剪切模量G

6. 地層周期的計算

    任何場地，都存在微米數量級的微振，而且有一個固有的自然共振頻率，其振動周期被稱為“zhuo yue周期”。地震發生時，地層將在周期的頻率產生共振，如果建筑物的固有共振頻率和它相近，建筑物會在瞬間毀壞，所以工程場地的周期是必須提供給建筑設計使用的。

“簡明工程地質手冊”（1998）P.331用地層橫波波速通過經驗公式計算周期的方法，計算公式如下：

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力學特性離不開橫波測試；

2. 木材也要通過縱波和橫波測試，來決定它的強度；木材缺陷測試，利用橫波將會更加有利，因為水是不能傳導橫波的，木材是否含水對其缺陷測試，不會造成干擾；

3. 混凝土是建筑物使用中量大面廣的材料，開展橫波測試，提供其動彈性力學性能，必然對建筑物的抗震性能帶來優勢；就探傷而言，如裂縫測試，采用橫波就不用擔心裂縫中是否存在水，因為水是不能傳導橫波的

4. 材料科學、抗震試驗科學的試驗研究等，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，以及現場的干擾，有時不能滿足勘查要求；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。這里對現場原位測試不作贅述，本文重點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。上世紀七十年代末、八十年代初國內外相繼推出橫波換能器。筆者進行了大量應用試驗研究，特別對橫波換能器耦合問題，總結出了可行的方法，并撰寫專門論文發表，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不足：一有縱波干擾；二要求發射與接收換能器的剪切振動方向必須對齊，使用仍有不便。近兩年筆者經過努力采用扭轉振動，其理論根據是

表2. SSW-80 純橫波換能器對七種試塊的橫波測試結果

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果

5.結語

 由表2樣品的測試結果表明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，該橫波換能器應當是理想的。水平有限，歡迎批評指正。

 參考文獻

［1］柳宗元 《巖土工程試驗檢測手冊》2005 P.527