強夯地基的面波檢測效果分析

許 岳，張長飛，劉 勇

(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003)

某電廠場地位于海邊。圓形煤場所在場地為海陸交互相沉積地貌單元，表層為深厚海積淤泥，后經(jīng)回填整平，填料來源為大規(guī)模的開山土石?，F(xiàn)場地標(biāo)高為2.0～8.0 m，地形起伏較小。

圓形煤場擬采用沖孔灌注樁，為提高樁基水平承載力，降低后期沉降，擬采用強夯法對填土層進(jìn)行處理。為確定強夯法處理的適用性及相關(guān)的施工參數(shù)，對填土層進(jìn)行了強夯試驗并檢測。

本次試夯檢測根據(jù)檢測的時間，可分為夯期檢測和夯后檢測。夯期檢測主要手段為夯坑及周圍地面的變形監(jiān)測；夯后檢測主要是為了檢測試夯區(qū)處理后的效果。

根據(jù)《電力工程地基處理技術(shù)規(guī)定》有關(guān)規(guī)定要求、試夯區(qū)巖土工程條件及本次強夯的處理深度要求綜合考慮，本次針對試夯效果的夯后檢測試驗主要有：分層夯沉量觀測、大體積原位密度試驗、淺層平板載荷試驗、面波檢測。

本文將著重討論面波檢測成果與其它成果的對比，論證面波法檢測夯實填土的可行性。

1 地形地貌及地層巖性

擬建的圓形煤場處于海灣內(nèi)灘涂地帶，經(jīng)前期開山回填抬高、整平，現(xiàn)階段為平地。場址區(qū)內(nèi)巖體巖性單一，殘丘出露基巖為燕山期第三次侵入巖肉紅色鉀長花崗巖。

根據(jù)巖土工程勘察報告，試夯場地內(nèi)地基土層分布由上至下一般為：

①拋石(回填土)：拋石主要為爆破開山整平場地所填，回填土骨架顆粒主要由中—微風(fēng)化花崗巖組成，少量為輝綠巖，粒徑200～800 mm，最大≥2000 mm，充填比例不等的黏性土、砂土，巖性、結(jié)構(gòu)雜亂，場地不同部位及深度，其物質(zhì)組成及密實度均有較大差異，未經(jīng)嚴(yán)格碾壓、夯實，結(jié)構(gòu)較松散—稍密，極不均勻，回填時間約6年，層厚4.5～7.9 m。

②淤泥：海相沉積，淤積成因，主要分布于沿蛇山東、西、北三面的灘涂和海域。灰黑色、深灰色，流塑、飽和狀態(tài)，可搓成細(xì)泥條、切面光滑，含少量有機(jī)物和貝殼。層厚11.0～19.0 m。

④泥質(zhì)中粗砂：海陸交互相沉積，沖洪積—海積成因，主要分布于灘涂區(qū)和海域。褐灰—褐黃、灰黃色、深灰色，飽和、松散—稍密，主要成分為石英中粗砂，局部含少量礫石，呈透鏡狀分布。層厚0.70～11.30 m。

⑤含碎石黏性土：海陸交互相沉積，沖洪積成因。深灰—灰黃色，濕、可塑，以黏性土為主，碎石含量10%～15%，碎石呈次棱角—亞圓狀。層厚2.0～3.0 m。

⑦黏土：海陸交互相沉積，沖積—海積成因，為第二沉積旋回的地層。淺灰—褐黃色、褐紅色、灰綠色，濕、可塑狀，主要成分為以高嶺土為主的黏土礦物，黏性強，刀切面很光滑，韌性高，局部夾粉質(zhì)黏土。層厚0～7.20 m。

⑩1砂土狀強風(fēng)化花崗巖：花斑雜色、褐黃夾灰白色，主要由不同風(fēng)化程度的長石、石英及暗色礦物等組成，巖芯呈土狀，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，裂隙極發(fā)育。層厚0.50～6.20 m。

⑩2碎塊狀強風(fēng)化花崗巖：灰黃色—褐黃色、灰白色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)尚清晰，長石多數(shù)已風(fēng)化，裂隙發(fā)育，巖芯呈砂礫狀、碎塊狀。層厚0 ～10 m，局部缺失。

⑩3中等風(fēng)化花崗巖：灰白色、灰黃色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分有鉀長石、斜長石、石英及黑云母，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)堅硬，層底未揭穿。

本段典型的地層斷面見圖1。

圖1 試夯地段典型的地層剖面

2 試夯區(qū)試驗方案設(shè)計及施工

2.1 試夯區(qū)工程概況

試強夯區(qū)面積30×30 m，試夯區(qū)要求平整后標(biāo)高為5.0 m，考慮到本場地填料粒徑較大，強夯后下沉量預(yù)估為0.3～0.4 m，故考慮虛鋪高度按0.35 m考慮。

試夯區(qū)回填料與回填區(qū)域一致，直接使用開山得到的微—中風(fēng)化花崗巖進(jìn)行堆填，且未進(jìn)行分層碾壓堆填，直接采用一步堆填至5.35 m(黃海高程)的方法進(jìn)行堆填。

2.2 處理厚度與夯點分布

煤場基礎(chǔ)標(biāo)高約在5.0 m，擬采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，由于煤場內(nèi)樁基礎(chǔ)受水平作用較大，擬對表層5 m范圍內(nèi)的填石進(jìn)行處理，提高密實度，因此試夯區(qū)強夯處理厚度宜為5.0 m。

試夯有效影響深度可以采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》表6.3.3－1中值，亦可采用修正梅那公式進(jìn)行計算。不過考慮到本次強夯填土為塊石，且粒徑普遍大于0.8 m，因此按規(guī)范中表格進(jìn)行估計不一定準(zhǔn)確，下面輔以梅那公式計算結(jié)果進(jìn)行估計，試夯有效影響深度估算參數(shù)表見表2。按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》表6.3.3－1估計，則強夯影響深度在3000 kN·m和4000 kN·m時，可分別按6 m、7 m考慮。

為了考察不同夯擊能的夯擊效果，將整個強夯區(qū)分為兩半，西南側(cè)采用點夯能量4000 kN·m進(jìn)行強夯，東北側(cè)采用點夯能量3000 kN·m進(jìn)行強夯，二者的滿夯能量分別為3000 kN·m及2000 kN·m。考慮到處理目的主要是為增加表面5 m的密實度，處理要求不高，強夯遍數(shù)定為點夯兩遍，滿夯一遍。試夯區(qū)夯點分布示意圖見圖2。

表2 試夯有效影響深度估算參數(shù)表

圖2 試夯位置與夯點布置示意圖

2.3 強夯設(shè)計參數(shù)

本次試夯使用QUY50型履帶式起重機(jī)，配有自動脫鉤裝置和門架。夯錘選用錘重283 kN，直徑2.3 m，底面形狀為圓形的強夯錘。錘底設(shè)有四個的對稱排氣孔，孔徑為300 mm。整個試夯區(qū)分成對稱的東南和西北兩個夯區(qū)，東南夯區(qū)點夯夯能3000 kN·m，滿夯夯能2000 kN·m。西北部夯區(qū)點夯夯能4000 kN·m，滿夯夯能3000 kN·m。

采用兩次點夯，一次滿夯，以點夯能量4000 kN的一半?yún)^(qū)域為例，則試夯設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 試夯設(shè)計參數(shù)

當(dāng)主夯點夯坑夯沉量大于1.5 m，或夯坑過深造成提錘困難時，進(jìn)行局部補夯，補夯前向夯坑中回填與原填料相同的填料并找平后進(jìn)行補夯。

每遍點夯之后，挖取爆破開山堆填于試夯場地附近的填石，將夯坑填平，整個場地整平后可進(jìn)行下遍點夯。第三遍滿夯時，夯印搭接錘徑的1/3，每點2擊。

2.4 強夯試驗施工進(jìn)度概況

場地的試夯前準(zhǔn)備工作進(jìn)行了3天，包括分層夯沉量所需標(biāo)的物制作、密度試驗使用的儀器準(zhǔn)備及其它試驗的儀器準(zhǔn)備。緊接著進(jìn)行夯前密度試驗、分層沉降量標(biāo)的物埋設(shè)、場地整平、面波測試等，共歷時20天。

試夯施工約7天完成；夯后地基土的平板載荷試驗、夯后面波測試、夯后密度試驗、夯后分層沉降觀測等共歷時20天。

3 各項測試成果

3.1 試驗成果概述

(1)地表夯沉量

3000 kN·m能級，場地平均夯沉量：第一遍點夯夯沉量119.4 mm；第二遍點夯夯沉量 102.2 mm，累計 221.6 mm。4000 kN·m能級，場地平均夯沉量：第一遍點夯夯沉量134.3 mm；第二遍點夯夯沉量112.5 mm，累計246.8 mm。

(2)分層夯沉量

從分層沉降觀測情況來看，滿夯的影響范圍主要集中在地表以下1 m的范圍，而點夯的處理主要影響了地表下1～3 m的范圍，整個處理區(qū)內(nèi)，強夯的影響范圍都達(dá)到了地表下5 m。

另一方面4 000 kN·m夯能區(qū)較3000 kN·m夯能區(qū)無論是地表夯沉量，還是深部的影響都要明顯大，以夯沉量為衡量指標(biāo)的話，綜合來看，4000 kN·m的處理效果較3000 kN·m的處理效果要好10%～20%。

(3)密度試驗

夯前密度平均值：2.010 g/cm3；夯后密度平均值2.325 g/cm3，提高幅度15.7%。

(4)淺層平板靜載試驗

三個測點在實際試驗加荷至設(shè)計要求荷載值的2倍(300 kPa)時沉降仍趨于穩(wěn)定，p－s，slgt曲線上沒有明顯的拐點，因此強夯地基承載力特征值取最大加荷值的一半，即150 kPa。

3.2 面波測試

3.2.1 基本原理

面波測試(勘探)能較為快速、經(jīng)濟(jì)地對場地進(jìn)行分層，并算出每層的剪切波速度，對于估算巖土層的模量、地基承載力、評價地基土加固效果、評價液化以及地震區(qū)劃等方面，都能夠提供一定的數(shù)據(jù)幫助。

圖3 強夯前測線1測點1頻散曲線及深度－速度圖

地震面波勘探是利用地震波在地層中的傳播原理進(jìn)行工作的。瑞雷波勘探主要利用了瑞雷波的兩種特性：一是瑞雷波在分層介質(zhì)中傳播時的頻散特性；二是瑞雷波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性。瑞雷波沿表層傳播，傳播深度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了該地質(zhì)條件下在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映了該地質(zhì)條件下在縱向的變化情況。

3.2.2 本次面波測試排列參數(shù)及工作量

采用WZG－24A工程地震儀進(jìn)行勘測，震源為人工錘擊，利用12道檢波器排列進(jìn)行接收，偏移距為10～25 m，道間距為1 m。

結(jié)合地形條件，夯前布置6條地震面波剖面測線，強夯試驗后再在原位置布置6條測線；每條測線共布置5～6個測點，布置時將勘探點分布在測線的中點處，各測點的目標(biāo)勘探深度范圍為4～8 m。

3.2.3 主要成果

面波勘探數(shù)據(jù)處理解釋采用專用軟件處理，包括濾波去除隨機(jī)噪聲，多炮疊加提高面波能量，F(xiàn)K頻波譜分析，頻散曲線提取，最后獲得面波速度剖面。

見圖3、圖4，測線1測點1的正演的頻散曲線(紅點)跟原始數(shù)據(jù)(藍(lán)點)擬合度為85%～98%。

對各測線強夯前后數(shù)據(jù)反演，得出橫波速度，列成表4。

圖4 強夯后測線1測點1頻散曲線及深度－速度圖

表4 強夯前后反演出的橫波速度 單位：m/s

3.2.4 成果分析

從上述成果圖表中可看出，在強夯前后，由面波測試反演出的橫波速度變化明顯，主要表現(xiàn)是在淺部約3 m深度范圍內(nèi)，波速明顯變大，增大幅度多為10%～30%；而在3～7 m深度范圍，波速變化則比較零亂，多數(shù)速度變小，少量變大。

綜合波速的變化與其它測試成果，可看出，強夯使約0～5 m深度的填土層得到了壓實，壓實的幅度與淺部3 m內(nèi)波速提高的幅度大致相當(dāng)；3 m以下波速的變化則不宜作為填土密實度變化的反應(yīng)指標(biāo)，利用面波勘探來評價填土夯實效果時應(yīng)注意到這一點。

由于5 m以下深部的填土層和下伏的淤泥層波速更低，在強夯后，5 m深度范圍內(nèi)填土層得到了壓實，使波的傳播深度更大，故在反演時，下部松散層波速的“加權(quán)值”變大，這就造成了夯實后深部波速的反演值反而可能變低。反言之，當(dāng)利用面波勘探評價夯實效果時，不能簡單因為深部波速變低或變高來判斷密實度變高或變低。

4 結(jié)論

綜上分析，在強夯填土地基場地采用物探面波測試方法，將物探成果與載荷試驗、夯沉量觀測、密度試驗等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明面波測試可以檢測出強夯作用影響的深度和范圍，能夠較為快速、經(jīng)濟(jì)地評價場地地基的加固效果，作為強夯試驗的一種檢測手段具有一定的經(jīng)濟(jì)和參考價值。

面波勘探可以作為評價填土夯實效果的一種手段，但應(yīng)注意相對深部的波速變化可能與密實度變化不同步，不能簡單因為深部波速變低或變高來判斷密實度變高或變低。