瑞利波在高填方深厚填土地基特性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

石燦峰，王林強(qiáng)，孔凡林，李昕，倪良位（重慶隆鑫隆駿房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，重慶4000；重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶40006；重慶輕工天豐巖土工程有限公司，重慶4047）

瑞利波在高填方深厚填土地基特性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

石燦峰1，王林強(qiáng)1，孔凡林2，李昕2，倪良位3
（1重慶隆鑫隆駿房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，重慶400023；2重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400016；3重慶輕工天豐巖土工程有限公司，重慶401147）

1 概述

某小高層住宅項(xiàng)目位于重慶市渝北區(qū)，大部分房屋及地下車庫(kù)均坐落于高填方回填區(qū)域，地質(zhì)剖面呈漸變溝槽狀，溝底最大回填達(dá)52m，須對(duì)此高填方地基進(jìn)行處理，以滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力和變形的要求。該深厚回填土數(shù)十年間歷經(jīng)多次回填，由于自重固結(jié)及外力作用，土層的內(nèi)部密實(shí)度隨深度變化的情況從基本概念上存在不同性質(zhì)須明確具體程度，且回填土在平面分布上的均勻性情況也是地基處理需要明確的前提，通過(guò)常用的傳統(tǒng)地質(zhì)勘探技術(shù)手段尚不能解決上述問(wèn)題，對(duì)地基特性的定性定量評(píng)價(jià)須引入新的勘察技術(shù)手段。

許多學(xué)者[1-7]對(duì)瑞利波在地基中的傳播特性研究表明：瑞利波能夠反演地基土的剪切波速度，而剪切波速度跟地基土特性又有聯(lián)系，因此，可以利用瑞利波法來(lái)反演地基土的特性。該技術(shù)手段是一種無(wú)損、快速、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法，利用瑞利波在地基土層中的彌散特性，可以逐層的反分析出地基土特性，也可以了解深層地基土的特性。

2 基本原理

瞬態(tài)瑞利波技術(shù)是利用錘擊生成震源瞬間激發(fā)地面產(chǎn)生一個(gè)所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵(lì)。在離震源一定距離A處進(jìn)行觀測(cè)，采集記錄瑞利波f(t)，根據(jù)傅里葉變換，其頻譜為：

在波的前進(jìn)方向上與A點(diǎn)相距為△x的觀測(cè)點(diǎn)B同樣也記錄到信號(hào)F2(t)，其頻譜是：

波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)，其變化完全是由頻散引起的，相應(yīng)的關(guān)系為：

上式中VR(ω)為圓頻率為ω的瑞利波相速度，上式可變換為：

式中φ為F2(ω)和F1(ω)之間的相位差，由（3）和（4）式可得：

根據(jù)上式，只要A、B之間的距離△x和每一個(gè)頻率的相位差φ可知，就可以求得每一個(gè)頻率的相速度VR(ω)。在已知頻率為f的瑞利波速度為VR后，其相應(yīng)的波長(zhǎng)λR為：

瑞利波的能量主要集中于介質(zhì)的自由表面附近，其深度大致在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由半波長(zhǎng)理論：所測(cè)量的瑞利波平均速度VR可以看作半波長(zhǎng)深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，同一波長(zhǎng)的瑞利波傳播特征反映了地質(zhì)土體水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的瑞利波傳播特征反映了不同深度介質(zhì)的變化。

根據(jù)（6）式可將VR-f曲線轉(zhuǎn)換為VR-λR曲線，可反映測(cè)點(diǎn)介質(zhì)沿剖面方向上的地質(zhì)特征。

3 工程應(yīng)用

采用瞬態(tài)瑞利波面波技術(shù)勘探目標(biāo)場(chǎng)地地基，系通過(guò)鐵錘、放炮等措施激發(fā)產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利波，在地表沿瑞利波的傳播方向上，以一定的道間距△x設(shè)置N個(gè)檢波器，即可檢測(cè)到瑞利波在（N-1）△x長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播情況。將地震儀記錄的信號(hào)經(jīng)過(guò)頻譜分析，相位譜分析，把各個(gè)頻率的瑞利波分離開(kāi)來(lái)，從而得到一條VR-f曲線，即頻譜曲線，通過(guò)以上基本原理分析及研究頻散曲線的變化規(guī)律，即可達(dá)到探測(cè)地質(zhì)特征的目的。

現(xiàn)使用該技術(shù)應(yīng)用于重慶市渝北區(qū)某項(xiàng)目深厚高填方填土地基特性評(píng)價(jià)中作為地基處理的前提，其主要評(píng)價(jià)兩個(gè)方面：水平方向的回填地基均勻性；剖面方向的回填地基隨深度變化的密實(shí)度特征。

瑞利波技術(shù)在該項(xiàng)目中為最后應(yīng)用的原位勘察手段，在此之前使用了一些傳統(tǒng)常規(guī)地質(zhì)勘探技術(shù)，主要包含：根據(jù)資料收集及前期工作成果，通過(guò)機(jī)械巖芯鉆探、工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪為主，結(jié)合室內(nèi)巖、土、水試驗(yàn)等綜合勘察手段，并輔以現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試（包括大容重、N63.5重型動(dòng)力觸探、剪切波等），以揭露場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，且可與瑞利波數(shù)據(jù)及土層密實(shí)度結(jié)論進(jìn)行綜合比較印證。

3.1 常規(guī)地質(zhì)勘察技術(shù)應(yīng)用

3.1.1 歷史回填資料收集

深厚回填土是該場(chǎng)地的主要土層，其下為薄層粉質(zhì)粘土或直接為巖石地基，地質(zhì)剖面呈漸變溝槽狀，溝底最大回填達(dá)52m，有資料可考的填土年限最早回填始于1985年修建210國(guó)道（機(jī)場(chǎng)路），2000年左右農(nóng)業(yè)園區(qū)成立時(shí)該地塊已基本回填完成，2005年修建場(chǎng)地東側(cè)金石大道時(shí)為最近一次回填時(shí)期，回填時(shí)間超過(guò)10年。由于自重應(yīng)力及回填固結(jié)時(shí)間的差異，土層的內(nèi)部密實(shí)度及強(qiáng)度從巖土概念上隨時(shí)間及土層深度呈正比例增長(zhǎng)。

3.1.2 大容重試驗(yàn)

為查明填土的質(zhì)量，地質(zhì)勘察時(shí)在填土區(qū)內(nèi)挖掘了3個(gè)探坑（TK1-TK3）作大容重（灌水法）試驗(yàn)，以確定其天然密度。并采集了樣品進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，以確定其壓實(shí)系數(shù)。野外大容重試驗(yàn)及室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)深度范圍內(nèi)填土壓實(shí)系數(shù)0.81～0.90。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大容重試驗(yàn)以及室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，上部填土（0～0.5m）的壓實(shí)系數(shù)為0.81～0.90，根據(jù)重慶地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，隨深度的增加壓實(shí)系數(shù)逐漸變大，下部填土的壓實(shí)系數(shù)值應(yīng)更高。

3.1.3 剪切波波速試驗(yàn)

為了解場(chǎng)地內(nèi)深厚回填土層的剪切波速，為建筑抗震設(shè)計(jì)提供動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在覆蓋層分布厚度較大的區(qū)域，地質(zhì)勘察共選取8個(gè)鉆孔采用面波法進(jìn)行了巖土剪切波波速測(cè)試。測(cè)試情況根據(jù)2種不同土層深度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析，分別為：

第1組：測(cè)試土層深度0～20m；

第2組：測(cè)試土層深度＞20m。

場(chǎng)地回填土層等效剪切波波速測(cè)試結(jié)果如下：

第1組：剪切波速標(biāo)準(zhǔn)值為187～398m/s，屬中軟土-中硬土；

第2組：剪切波速標(biāo)準(zhǔn)值為371～569m/s，屬中硬土。

3.2 瑞利波波速試驗(yàn)應(yīng)用

該次勘察在地質(zhì)平面上選取ZK6、ZK13、ZK23、ZK55、ZK93、ZK97、ZK125、ZK131及ZK177共9個(gè)鉆孔采用瞬態(tài)瑞利波進(jìn)行了土層測(cè)試，測(cè)試情況進(jìn)一步細(xì)分剪切波速測(cè)試的土層，從3種不同土層深度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析：

表1 第1組瑞利波波速情況(m/s)

第1組：測(cè)試土層深度4～10m；

第2組：測(cè)試土層深度10～16m；

第3組：測(cè)試土層深度＞16m。

該期項(xiàng)目高填方回填土瑞利波面波測(cè)試由重慶市渝碚實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，另由重慶市建筑科學(xué)研究院對(duì)渝碚實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心上述瑞利波面波測(cè)試成果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立第三方校核檢測(cè)。

從瑞利波測(cè)試上述成果資料及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)：

第1組：瑞利波波速標(biāo)準(zhǔn)值為281.4m/s；

第2組：使用表1相同方法采集及數(shù)值處理，可得瑞利波波速標(biāo)準(zhǔn)值為314.2m/s；

第3組：使用表1相同方法采集及數(shù)值處理，可得瑞利波波速標(biāo)準(zhǔn)值505.8m/s。

3.3 瑞利波波速結(jié)果分析

鑒于填土未經(jīng)分層、未進(jìn)行填料成分控制、具有離散性特點(diǎn)等原因，結(jié)合重慶市建筑科學(xué)研究院對(duì)相鄰1.1、1.2期建筑地基強(qiáng)夯處理前對(duì)填土的瑞利波測(cè)試成果比對(duì)，項(xiàng)目場(chǎng)地瑞利波波速系數(shù)按0.6折減，其折減后瑞利波速標(biāo)準(zhǔn)值如下：

第1組：168.8m/s；

第2組：188.5m/s；

第3組：303.5m/s。

上述瑞利波波速數(shù)據(jù)與剪切波速的結(jié)論基本吻合：經(jīng)過(guò)多年來(lái)填土平面均勻性較好，且在內(nèi)部自重固結(jié)及外部應(yīng)力作用下填土內(nèi)部密實(shí)度較好，其中填土表層呈現(xiàn)松散-稍密狀態(tài)，隨著深度的增加，深層填土呈現(xiàn)稍密-中密狀態(tài)，16m深度以下的填土性狀更為緊密，多呈中密-密實(shí)狀。

3.4 瑞利波波速換算地基特征參數(shù)

重慶市建筑科學(xué)研究院多年來(lái)對(duì)眾多工程填土地基進(jìn)行測(cè)試，從大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中得到素填土（碎石土）瑞雷波速與承載力、變形模量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：VR表示瑞利波波速(m/s)；fak表示地基承載特征值(kPa)；E0表示地基變形模量(MPa)。

將3.3條折減后瑞利波波速代入上述經(jīng)驗(yàn)公式，可得本文所述的渝北某項(xiàng)目高填方素填土地基土的換算承載特征值及變形模量，詳見(jiàn)表2所示。

3.5 基于瑞利波結(jié)果的地基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)3.4條表2可見(jiàn)：填土10m以內(nèi)變形模量為11.5MPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故擬對(duì)該范圍內(nèi)填土采用旋噴注漿地基處理方式增強(qiáng)其變形模量，而16m以下填土的變形模量已基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故不作地基處理。

旋噴注漿復(fù)合地基承載力確定方式按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012公式7.1.5-2確定：

其中：fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa），參照表2及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取為160kPa；

m為面積置換率，設(shè)計(jì)采用邊長(zhǎng)2m的等邊三角形布樁，故de=1.05s=2.1m，得到m=(d/de)2=0.145；

Ra為單樁豎向承載力特征值（kN），預(yù)估水泥土單軸抗壓強(qiáng)度為5.0MPa＞4λRa/Ap=4.8MPa滿足要求。

將上述數(shù)據(jù)代入（9）式，可得復(fù)合地基承載力：

fspk=242kPa＞220 kPa（滿足設(shè)計(jì)要求）。

旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第7.1.7條確定：

其中：Es、fak分別為天然地基變形模量及特征值，參照表2取為11.5MPa、160kPa，可得：

表2 渝北某項(xiàng)目瑞利波波速換算地基特征參數(shù)

3.6 基于瑞利波的地基處理檢測(cè)評(píng)估

該渝北項(xiàng)目的旋噴樁復(fù)合地基承載力、壓縮模量、基準(zhǔn)機(jī)床系數(shù)檢測(cè)：采用復(fù)合地基淺層平板荷載試驗(yàn)[8-11]，檢測(cè)數(shù)量為38個(gè)點(diǎn)，其中住宅樓26個(gè)，其它區(qū)域12個(gè)，現(xiàn)有相關(guān)復(fù)合地基檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表明均能滿足設(shè)計(jì)所提要求。

現(xiàn)已完成主體結(jié)構(gòu)施工的A1、A2棟住宅樓及鄰近車庫(kù)經(jīng)地基處理已歷時(shí)半年，當(dāng)前監(jiān)測(cè)到的最大總沉降位移值均小于20mm，可見(jiàn)沉降量尚偏于安全可控。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于數(shù)十年間歷經(jīng)多次回填的高填方地基，其回填土層內(nèi)部密實(shí)情況隨著豎向深度不同存在較大差異， 水平向的地基均勻性情況也難以明確，通過(guò)瑞利波面波測(cè)試的應(yīng)用，相關(guān)地基特性（均勻性、密實(shí)度）得到定性評(píng)價(jià)，相關(guān)地基參數(shù)（承載力、變形模量）得到定量評(píng)估，相關(guān)資料為后續(xù)地基處理提供了重大技術(shù)支撐和可行性保證。

瑞利波測(cè)試在該項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用取得了很好的效果，解決了工程地質(zhì)勘察中其它勘探方法難以解決的問(wèn)題，且不受場(chǎng)地限制，價(jià)格低廉，實(shí)施效率高，可在類似工程地質(zhì)勘察中借鑒應(yīng)用，為地基處理提供技術(shù)支撐。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application of RayleighWave in Feature Assessmentof Deep High-fill Foundation

某小高層住宅項(xiàng)目坐落于深厚高填方地基，該地基過(guò)去30年間歷經(jīng)多次回填，回填土層內(nèi)部密實(shí)情況隨著豎向深度不同存在較大差異，水平向的地基均勻性情況尚不明。該文通過(guò)瑞利波的應(yīng)用相關(guān)地基特性得到定性定量評(píng)價(jià)，相關(guān)指標(biāo)為后續(xù)地基處理提供了重大技術(shù)支撐和可行性保證。

瑞利波；面波檢測(cè)；小高層住宅；高填方；地基處理

A smallhigh-rise residentialproject is located on the deep high-fill foundation,which hasbeen repeated backfillover the past30 years,and the compactness of the backfill soil variesgreatly with the vertical depth while the horizontal homogeneity is unknown.This paper adopts Rayleigh wave to perform a qualitativeand quantitativeevaluation and get relevant foundation characteristics,and the relevant indexes provide significant technical support and feasibility guarantee for subsequent foundation treatment.

rayleighwave;surfacewave test;smallhigh-rise residence;high fill;foundation treatment

TU 473

A

1671-9107（2017）07-0047-04

基金論文：該論文為重慶市建筑科學(xué)研究院(項(xiàng)目編號(hào)：城建字2014第調(diào)11號(hào))資助項(xiàng)目論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.07.047

2017-04-11

石燦峰(1981-)，男，重慶人，研究生，工程師，主要從事巖土、結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及管理工作。