利用鉆孔脈動(dòng)估算深部土層地基承載力

周志新,曲淑英,侯興民

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

地基承載力是巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工等項(xiàng)目的一個(gè)重要土層力學(xué)參數(shù)[1]．傳統(tǒng)確定地基承載力主要有4種方法:原位試驗(yàn)法、理論公式法、規(guī)范表格法以及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)法．原位試驗(yàn)法是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直接試驗(yàn)確定地基承載力,其中載荷試驗(yàn)是原位試驗(yàn)法中最可靠、最基本的方法．淺層平板載荷試驗(yàn)只適用于確定淺部土層的地基承載力,深層平板載荷試驗(yàn)雖然可以確定深部土層承載力,但是在測(cè)試時(shí)需要開(kāi)挖測(cè)坑(井),并且測(cè)坑(井)底部的土需保持原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度,同時(shí),因工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高,故限制了其使用．理論公式法中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定及規(guī)范表格中室內(nèi)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試指標(biāo)的確定,在采樣過(guò)程中會(huì)不可避免破壞土樣,造成測(cè)試指標(biāo)的試驗(yàn)誤差,影響承載力的準(zhǔn)確性,并且根據(jù)不同規(guī)范所確定的承載力值也存在差異．當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)法是一種基于地區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)確定承載力的輔助方法．傳統(tǒng)方法,雖然可以確定出各土層的地基承載力,但其各自的缺點(diǎn)影響了工程應(yīng)用或結(jié)果的可靠性．土層脈動(dòng)在傳播過(guò)程中,經(jīng)過(guò)各土層的折射和反射作用,會(huì)使其頻譜特性可以反映土層固有動(dòng)力特性并具有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律．鉆孔脈動(dòng)測(cè)試與其他勘察方法相比,操作簡(jiǎn)單,成本低廉[2-3]．因此,根據(jù)鉆孔脈動(dòng)的頻譜特性估算土層地基承載力是一種可行的方法．

利用鉆孔脈動(dòng)估算深部土層地基承載力是結(jié)合巖土工程勘察的鉆探鉆孔,利用自主研發(fā)的BMT-Ι型鉆孔脈動(dòng)測(cè)試設(shè)備獲取鉆孔中各土層的脈動(dòng)信號(hào),選取穩(wěn)定時(shí)段的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到土層的卓越頻率、振幅;根據(jù)工程勘察報(bào)告中的標(biāo)貫試驗(yàn)以及其他物理、力學(xué)特性計(jì)算出各土層的地基承載力特征值;分析土層地基承載力與卓越周期、振幅等土層動(dòng)力特性之間的相關(guān)性,并建立近似關(guān)系式估算深部土層地基承載力;利用該方法對(duì)煙臺(tái)恒大御山華府、龍湖等地進(jìn)行實(shí)測(cè),驗(yàn)證利用鉆孔脈動(dòng)估算深部土層地基承載力的可行性．

1 鉆孔脈動(dòng)測(cè)試

土層脈動(dòng)沒(méi)有固定的振源,任何時(shí)間和任何地點(diǎn)都可以通過(guò)儀器觀測(cè)到脈動(dòng)信息．鉆孔脈動(dòng)測(cè)試是利用特定的測(cè)試設(shè)備獲取地下不同深度土層的脈動(dòng)信息,同時(shí)可以減小地表外界因素對(duì)測(cè)試的影響,得到相對(duì)準(zhǔn)確的土層脈動(dòng)信息．

鉆孔脈動(dòng)測(cè)試按照CECE74—1995《場(chǎng)地微振動(dòng)測(cè)量技術(shù)規(guī)程》[4]第4章和GB/T50269—2015《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范》[5]第6章中規(guī)定的相關(guān)方法,利用自主研發(fā)的BMT-Ι鉆孔脈動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試．BMT-Ι鉆孔脈動(dòng)測(cè)試設(shè)備是一款新型的鉆孔脈動(dòng)測(cè)試設(shè)備,該設(shè)備傳感器為三分量速度型傳感器,其x、y、z三方向的靈敏度分別為12.386 V·s·m-1、12.886 V·s·m-1、12.299 V·s·m-1,通頻帶為0.7～50 Hz,最大量程為1.0 m·s-1．該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):①貼壁系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備與孔壁緊密耦合;②通頻帶在0.7～50 Hz之間,低頻特性明顯;③外殼體積小巧,操作靈活,不易卡在鉆孔中;④防水等級(jí)高,可同時(shí)滿(mǎn)足干孔和濕孔中脈動(dòng)測(cè)試[6]．測(cè)試設(shè)備的性能參數(shù)及優(yōu)點(diǎn)可使鉆孔脈動(dòng)測(cè)試快速、有效地進(jìn)行．為了方便、準(zhǔn)確地獲得鉆孔脈動(dòng)的測(cè)試信號(hào),在章熙海等測(cè)試方法[7]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 采用了一種新鉆孔脈動(dòng)的測(cè)試方法,歸納如下:①根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地情況,利用勘察鉆孔,將測(cè)試設(shè)備垂直吊入相應(yīng)鉆孔需要進(jìn)行測(cè)試的土層深度;②利用BMT-1的貼壁系統(tǒng)使設(shè)備貼壁,觀察顯示波形,確保設(shè)備與孔壁密切接觸;③待信號(hào)穩(wěn)定后,記錄脈動(dòng)試信號(hào),時(shí)間不小于5 min;④完成該深度處的測(cè)試后,收起貼壁系統(tǒng),將設(shè)備吊入下一土層的測(cè)試深度,重復(fù)② 、③,獲取新測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)記錄;⑤重復(fù)操作,直至測(cè)試結(jié)束．

為了提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,使測(cè)得的數(shù)據(jù)較真實(shí)地反映深部土層的動(dòng)力特性,選擇晴朗的、風(fēng)力較弱的夜晚進(jìn)行測(cè)試,選擇的鉆孔附近嚴(yán)禁存在特定的振源以及高壓線(xiàn)、信號(hào)塔等電磁信號(hào)的干擾,測(cè)試設(shè)備應(yīng)保證拾振器及電纜線(xiàn)的密封,確保導(dǎo)線(xiàn)無(wú)短路、漏電現(xiàn)象．

測(cè)試的脈動(dòng)信號(hào)不可避免會(huì)受到周?chē)h(huán)境的影響,導(dǎo)致表征土層特性的脈動(dòng)信號(hào)總會(huì)夾雜著干擾信號(hào)．因此,在數(shù)據(jù)分析前,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除異常數(shù)據(jù)、零均值化以及數(shù)字濾波等初步處理[8]．選取各測(cè)點(diǎn)初步處理后的一段平穩(wěn)波段進(jìn)行頻譜分析．如圖1,選取某測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)段為60～70 s的平穩(wěn)波段,從上到下依次對(duì)應(yīng)該測(cè)點(diǎn)UD、EW、NS方向的穩(wěn)定脈動(dòng)時(shí)程圖．

圖1 鉆孔脈動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)

2 脈動(dòng)頻譜特征分析

頻譜特性與土層的性質(zhì)、厚度、埋深等因素密切相關(guān)．土層脈動(dòng)在傳播過(guò)程中積累了大量的與土層特性有關(guān)的地球物理信息,卓越周期和振幅是反映這些信息的重要參數(shù)．

2.1 振幅計(jì)算

傅里葉譜法是利用脈動(dòng)頻譜進(jìn)行場(chǎng)地土層動(dòng)力特性分析常用的方法．該方法需要將脈動(dòng)測(cè)試的時(shí)程記錄通過(guò)傅里葉變換到頻域,計(jì)算各時(shí)間段的傅里葉積分[9],得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)UD、EW、NS 3個(gè)方向的傅里葉譜, 將該測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的傅里葉譜進(jìn)行合成,得到其合成頻譜曲線(xiàn)．選取曲線(xiàn)的峰值,即為該測(cè)點(diǎn)的振幅．

選取煙臺(tái)恒大御山華府鉆孔脈動(dòng)的頻譜曲線(xiàn)進(jìn)行合成,得到各測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)如圖2．

圖2 合成頻譜曲線(xiàn)

每個(gè)測(cè)點(diǎn)選取3個(gè)波形平穩(wěn)時(shí)間段的脈動(dòng)時(shí)程記錄FFT分析,計(jì)算這3個(gè)平穩(wěn)時(shí)間段合成頻譜曲線(xiàn)峰值的平均值,即為需要的該測(cè)點(diǎn)的振幅,結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 各測(cè)點(diǎn)振幅

2.2 卓越周期計(jì)算

波動(dòng)在土層傳播過(guò)程中,由于不同性質(zhì)土層的反射作用,某一周期波強(qiáng)度得到增強(qiáng),其余周期的波得到減弱,被增強(qiáng)的波周期則為該土層的卓越周期．利用場(chǎng)地脈動(dòng)測(cè)試確定土層的卓越周期有3種方法:直接傅里葉譜法,相對(duì)參考點(diǎn)譜比法,H/V譜比法[10]．

由于脈動(dòng)源情況復(fù)雜,在利用直接傅里葉譜法進(jìn)行分析時(shí),將脈動(dòng)源的譜看作白噪聲的基本假設(shè)具有很大局限性;利用相對(duì)參考點(diǎn)譜比法進(jìn)行頻譜分析時(shí),很難區(qū)分2個(gè)測(cè)點(diǎn)的相同波列,并且對(duì)于沉積范圍比較寬的沉積盆地,很難找到作為參考點(diǎn)的基巖．為了克服以上2種方法的不足,日本學(xué)者Nakamura提出了H/V譜比法,也稱(chēng)Nakamura法[11-12]．雖然利用H/V譜比法得到的放大因子與常規(guī)方法得到的結(jié)果相比偏小,但郭明珠等對(duì)國(guó)內(nèi)外幾十個(gè)場(chǎng)地利用脈動(dòng)估計(jì)的場(chǎng)地卓越周期[13],得出利用該方法得到的卓越周期具有較好的穩(wěn)定性且與場(chǎng)地土層具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

H/V譜比法是利用同一個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平分量和豎直分量的傅里葉譜比表示場(chǎng)地土層的傳遞函數(shù)[14]．H/V譜比法首先將選取的鉆孔脈動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換到頻域,然后進(jìn)行H/V譜比[15],計(jì)算水平方向傅里葉譜(東西方向與南北方向的合成譜)[16]與豎直方向傅里葉譜比值,選擇譜比峰值對(duì)應(yīng)的頻率作為場(chǎng)地脈動(dòng)卓越頻率,根據(jù)卓越頻率計(jì)算得到卓越周期[17-18]．

利用H/V譜比法對(duì)煙臺(tái)恒大御山華府各測(cè)點(diǎn)的鉆孔脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到各測(cè)點(diǎn)的H/V譜比曲線(xiàn),如圖3．

每個(gè)測(cè)點(diǎn)選取3個(gè)波形平穩(wěn)時(shí)間段的脈動(dòng)時(shí)程記錄進(jìn)行頻譜分析,取3個(gè)時(shí)間段卓越頻率的平均值為該測(cè)點(diǎn)卓越頻率,計(jì)算卓越周期,結(jié)果見(jiàn)表2．

GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]第5.2.3條和《工程地質(zhì)手冊(cè)》[20](第五版)第三篇第三章均提出了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)計(jì)算地基承載力特征值的方法．故本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層分布,在各土層相應(yīng)深度,進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn),得出地基承載力特征值,結(jié)果見(jiàn)表3．

圖3 H/V譜比曲線(xiàn)

表2 各測(cè)點(diǎn)卓越周期

表3 各測(cè)點(diǎn)的承載力特征值

對(duì)鉆孔脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的卓越周期、振幅與計(jì)算得到的各土層地基承載力特征值建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,并進(jìn)行擬合,得到近似關(guān)系式為

fak=+aρ(A0T0)2,

(1)

式中:fak——土層地基承載力特征值;

a——常系數(shù),對(duì)素填土、粉質(zhì)黏土取值為9.64×10-3;殘積土、細(xì)砂取2.43×10-2;風(fēng)化云母片巖取值3.02×10-2;

ρ——土粒密度,一般取為2.7 g·cm-3;

A0——土層脈動(dòng)振幅,單位為μm;

T0——土層卓越周期,單位為s．

通過(guò)式(1)及式中各參數(shù)的取值可以看出,土層的地基承載力特征值主要與土層類(lèi)別有關(guān)．同類(lèi)土層地基承載力特征值受土層的頻譜特征影響,地基承載力特征值與土層振幅的平方成正比,與土層卓越周期平方成反比．

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程實(shí)例分析

為驗(yàn)證近似關(guān)系式(1)的合理性,選擇煙臺(tái)恒大御山華府、龍湖場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)測(cè),按鉆進(jìn)回次的方式逐段記錄2塊場(chǎng)地各土層性質(zhì),分別見(jiàn)表4、表5．

表4 御山華府鉆孔資料

表5 龍湖鉆孔資料

3.2 與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

選擇場(chǎng)地進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn),根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[20]公式,計(jì)算出各土層地基承載力特征值;完成標(biāo)貫試驗(yàn)后,選擇同一鉆孔,在標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)附近布置測(cè)點(diǎn),利用BMT-1測(cè)試設(shè)備進(jìn)行鉆孔脈動(dòng)測(cè)試,分析測(cè)試數(shù)據(jù),獲得合成頻譜曲線(xiàn)的振幅,并根據(jù)H/V譜比法得到卓越周期．將獲得的卓越周期與振幅分別代入近似公式(1),計(jì)算出地基承載力特征值,與標(biāo)貫試驗(yàn)確定的實(shí)際值比較,結(jié)果見(jiàn)表6．

通過(guò)表6可以得出結(jié)論,對(duì)于同一類(lèi)土層,標(biāo)貫擊數(shù)、鉆孔脈動(dòng)頻譜特征等參數(shù)受埋深、力學(xué)特性以及測(cè)試誤差等因素影響,最終確定的地基承載力特征值與反演結(jié)果必然出現(xiàn)差異,造成二者之間的差值、相對(duì)誤差有正有負(fù)．除素填土,二者差值絕對(duì)值最大為22.80 kPa,平均差值為10.11 kPa;二者相對(duì)誤差絕對(duì)值最大值為11.0%,絕大多數(shù)土層相對(duì)誤差絕對(duì)值小于5%,土層地基承載力特征值的近似公式反演結(jié)果與標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果相近,驗(yàn)證了土層頻譜特征與地基承載力特征值的相關(guān)性．

鉆孔脈動(dòng)測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等傳統(tǒng)測(cè)試地基承載力的方法相比,具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效率高并且可以改善測(cè)試環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),故利用鉆孔脈動(dòng)估算深部土層地基承載力特征值是一種可行的新思路．

4 結(jié) 語(yǔ)

基于不同深度土層鉆孔脈動(dòng)的實(shí)測(cè)結(jié)果,研究了頻譜特征與相應(yīng)土層地基承載力特征值的關(guān)系,得到以下結(jié)論:

(1) 場(chǎng)地各土層頻譜特征與其力學(xué)特性密切相關(guān),其振幅、卓越周期等頻譜特性隨土層性質(zhì)的不同而變化．

表6 與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

(2) 本文提出了根據(jù)土層脈動(dòng)頻譜特性估算地基承載力特征值的近似公式．地基承載力特征值的主要影響因素是土層類(lèi)別,同時(shí)也與土層脈動(dòng)的頻譜特性有關(guān)．地基承載力特征值與振幅的平方成正比,與卓越周期平方呈反比．

(3) 選擇工程場(chǎng)地對(duì)近似公式進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比,二者結(jié)果相近．除個(gè)別土層,平均差值10.11 kPa,相對(duì)誤差絕對(duì)值小于5%,驗(yàn)證了地基承載力特征值與土層頻譜特性之間良好相關(guān)性．

(4) 鉆孔脈動(dòng)較傳統(tǒng)方法在測(cè)試方面具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效率高并且可以改善測(cè)試環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn),故該方法可以為估算深部土層地基承載力特征值提供一種新的思路．