面波技術(shù)評價擴建工程地基均勻性應(yīng)用研究

邢 斐，李建華，段毅文，周立新

（1.中國航空港建設(shè)第十工程總隊，河北 保定 071051；2.北京泰斯特工程檢測有限公司，北京 102600；3.中基北方國際工程技術(shù)有限公司，北京 102442；4.中航空港場道工程技術(shù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引 言

擴建工程中，由于在已有建筑附近建造新的建筑，造成地基應(yīng)力重疊［1］，使得地基在新舊結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力場作用下，地基應(yīng)力狀態(tài)存在空間上的差異。已有建筑在上部荷載作用下，沉降已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而擴建結(jié)構(gòu)地基為原狀土，二者土層結(jié)構(gòu)、分布和物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，在新的結(jié)構(gòu)荷載作用下，地基會產(chǎn)生不均勻沉降變形，形成沉降差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、傾斜，甚至倒塌。工程實踐表明［2］，地基不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)開裂事故中占很高比例，地基不均勻沉降對結(jié)構(gòu)的影響已引起眾多學(xué)者的關(guān)注。如李哲等［3］對特殊土地基環(huán)境下大型建筑物不均勻沉降機理進行深入分析，研究了地基產(chǎn)生不均勻沉降的成因；劉暢等［4］及趙學(xué)東［5］均從地基土的成因年代，特殊土的勘測、承載力評定、基礎(chǔ)選型方面，分析總結(jié)了由于地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的事故原因。這些研究表明，擴建工程地基不均勻沉降的主要原因在于設(shè)計階段，由于對土層狀況調(diào)查和勘測不詳細和不準(zhǔn)確，造成地基處理方法選擇存在問題?？梢?，如何快速準(zhǔn)確評價地基均勻性，以作出合理的地基處理，對工程擴建至關(guān)重要［6-7］。

常規(guī)的觸探、鉆探等手段僅能揭示勘探點附近的地層情況［8］，對于地基均勻性較差的擴建工程，難以查明其地層分布情況，且過程復(fù)雜，時間較慢。而瑞雷波作為一種面波［9］，對地層軟硬變化較敏感，在層狀非均勻土質(zhì)中傳播時具有頻散特性，波長可以反映不同深度土層性質(zhì)情況，故可以利用其頻散特性測得頻散曲線，進而反演不同深度土層的面波速度，實現(xiàn)對地下土層情況的探測。本文針對擴建工程地基均勻性問題，以唐山 LNG 接收站應(yīng)急調(diào)峰保障工程為例，采用理論結(jié)合實踐的方法，對面波技術(shù)評價擴建工程地基均勻性展開應(yīng)用研究，現(xiàn)場測定地基土的面波頻散曲線，計算反演土層剪切波速，研究不同地層條件下的面波波速變化規(guī)律，探索波速與土層密實度的關(guān)系，定量評價地基土的密實程度，評價擴建 LNG 接收站地基均勻性，對地基處理設(shè)計提供參考。

1 面波技術(shù)原理

面波技術(shù)［10-12］是利用其頻散特性反演波速，進而通過土層物理力學(xué)性質(zhì)與波速的相關(guān)性來解決工程地質(zhì)問題的一種無損檢測技術(shù)。面波作為一種沿地表傳播的地震波，包括瑞雷波及勒夫波，其中瑞雷波在層狀非均質(zhì)土質(zhì)中傳播時，具有頻散效應(yīng)，傳播速度隨面波頻率變化，且振幅隨著深度增加而逐漸衰減，但其能量仍在一個波長范圍內(nèi)變化，可以穿透相當(dāng)于一個波長的地層深度，且波速大小與土質(zhì)的物理力學(xué)特性有關(guān)，能較好地表征地層的巖土指標(biāo)特性。故地層水平方向上變化情況可以通過同一波長面波的傳播特性表現(xiàn)出來，而不同深度的地層情況則由不同波長的面波傳播特性反映，頻散曲線某些拐點與地層具有對應(yīng)關(guān)系。

實踐中可以通過重錘下落激發(fā)，產(chǎn)生頻率在一定范圍內(nèi)的瑞雷波，再由垂向檢波器接受瑞雷波豎向分量，根據(jù)頻譜分析，得到兩信號的自功率譜及互功率譜、傳遞函數(shù)和相干函數(shù)，再進行相位譜和振幅譜的相關(guān)分析，把頻率不同的瑞雷波從頻散曲線記錄中分離出來，從而求得實測的頻散曲線，即 Vr-λ曲線，再經(jīng)過地基動力學(xué)理論和反分析法的解釋，可獲得面波速度隨地層深度的分布情況。而當(dāng)瑞雷波是由不同振動頻率的震源激發(fā)時，可以產(chǎn)生不同波長的面波，進而獲得不同穿透深度面波的速度值，根據(jù)土層物理力學(xué)性質(zhì)與波速值Vr 密切的相關(guān)關(guān)系，以及波速與頻率的相關(guān)性（即面波的頻散特性），來評價土層或進行地質(zhì)分層，判定地基密實度和強度的變化，從而達到探測土體的目的。原理示意如圖1所示。

圖1 面波原理示意圖

工程實踐表明，面波測試結(jié)論與勘察結(jié)果數(shù)據(jù)較為吻合，準(zhǔn)確性與可信度較高，且檢測速度快、效率高、檢測過程不破壞地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，值得廣泛推廣。米素婷等［13］通過瑞雷波法對地基處理前后的頻譜曲線進行測試分析，對濕陷性黃土進行評價，得出了加固深度及加固效果，其結(jié)果與土的干密度測試及經(jīng)驗分析結(jié)果相吻合；張瑾等［14］通過不同測試方法檢測強夯地基加固效果，證明了瑞雷波波速與標(biāo)貫擊數(shù)、承載力、壓縮模量、密實度有較好的相關(guān)性，地基土越密實，承載力越高，標(biāo)貫擊數(shù)值越高，波速也越高。

而工程擴建中，由于已有建筑地基經(jīng)過地基處理和長時間的固結(jié)沉降，地基土中的壓縮模量增大，壓縮比減小，面波波速和地基承載力隨土體密度的增大而增大，而新建結(jié)構(gòu)地基屬于原地基土，承載力和密實度達不到要求，面波波速偏低。因而，面波速度的高低，直接反映了承載力和密實度的大小，反映了巖土力學(xué)性質(zhì)的差異。波速差異越大，土體密實度差別越大，不均勻性越大，因此，可用測量面波速度的方法來檢測地基均勻性。

2 工程概況

擬擴建唐山 LNG 接收站應(yīng)急調(diào)峰保障工程位于唐山曹妃甸附近，地處渤海灣北岸，北邊距離唐山市 80 km 左右，西邊距離天津新港 70 km 左右，東北邊距離京唐港 61 km 左右。該擴建工程具體位置位于已建成且運營的唐山 LNG 接收站內(nèi)，主要包括 4 座已建的LNG 全包容儲罐，儲存容積為 16 萬 m3，另外還包括配套的接收、儲存、加壓和氣化輸出設(shè)施，以及相關(guān)的建構(gòu)筑物等。

擴建 LNG 儲罐基礎(chǔ)擬采用高承臺樁基，直徑1.0～1.5 m，單樁承載力特征值需達到 8 100 kN（不包括負摩阻力的影響）。其中 1 號～4 號為已建成儲罐，5 號～8 號為擬擴建儲罐，并于前期對 6 號～8 號儲罐進行了詳細勘察工作?？辈熨Y料顯示，場地內(nèi)覆蓋層主要由第三系和第四系地層構(gòu)成，其中淺層地基土主要由人工沖填細砂構(gòu)成，在地面以下 12 m 深度范圍內(nèi)主要有人工沖填細砂及一般第四系細砂，具體地層描述如下。

1）細砂沖填土（Q4m）：淺灰～灰褐色，稍濕～飽和，中密～密實，為新近吹填海砂，礦物組成以長石和石英為主，含貝殼及云母碎片，土質(zhì)較均勻，后經(jīng)過強夯地基處理，工程性質(zhì)較好。本層厚度 7.90～12.10 m，層底標(biāo)高 -8.68～-4.40 m。

2）細砂（Q4m）：淺灰～灰褐色，飽和，密實，礦物組成以長石和石英為主，分選性良好，含貝殼及云母碎片，該層底部局部夾黏性土薄層或透鏡體。本層厚度6.00～9.90 m，層底標(biāo)高 -14.80～-13.09 m。

由于已有建筑地基沉降已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而擬擴建結(jié)構(gòu)地基為原狀土，所以需要對已建成及擬擴建場地地基土密實度進行對比，定量評價對場區(qū)地基土的不均勻性，以便通過合理的地基處理，改善原有地基的均勻性，降低地基的沉降差，提高地基強度，使地基具有滿足承載力和符合對變形沉降量要求的能力。

3 試驗方案

結(jié)合工程概況，確定本次對淺層地基土的面波勘探深度主要為地表下 12 m 范圍。主要采用地球物理勘探中的地震勘探法，具體為瑞雷波瞬態(tài)法，采用北京市水電物探研究所研制的 SWS-5 型工程勘探與工程檢測儀。

根據(jù)設(shè)計要求，在已建罐區(qū)，僅在 1 號儲罐及 4 號儲罐周圍場地布置勘探點；在擬建 5 號～8 號儲罐地基位置均布置勘探點；每個儲罐布置 3 個勘探點，共計 18 個勘探點。勘探點位置及布線方向根據(jù)場地條件布置，其中 1 號及 4 號已建儲罐勘探點根據(jù)儲罐相對位置布置，5 號～8 號儲罐勘探點根據(jù)儲罐中點坐標(biāo)位置確定，面波勘探點平面布置圖如圖2所示。

圖2 面波勘探點平面布置圖

根據(jù)規(guī)范要求，為滿足探測深度和最佳面波接受窗口的要求，確保激發(fā)的地震波頻率成分滿足此次探測深度要求，需要選擇合適的排列方式和測試參數(shù)，主要進行偏移距和道間距的控制。由于在檢波器數(shù)量一定的情況下，道間距（即排列）較小時波速反映的主要是淺層地層信息，道間距較大時則反映深層地層信息，且探測深度與排列長度相當(dāng)。綜合考慮各種因素后，面波技術(shù)具體測試參數(shù)如表1所示。

表1 瞬態(tài)瑞雷面波現(xiàn)場測試參數(shù)

4 試驗結(jié)果分析

由于擴建 LNG 儲罐場地土的不均勻性，每個點的波速值均不相同，所測得典型頻散曲線如圖3所示。從圖3可以看出，已有建筑地基的頻散曲線變化較為明顯，且測點 4-3 有明顯的地層拐點，淺層波速較高，但整體看來，隨深度增加，波速呈增大趨勢，剪切波速最低 169 m/s，最高 328 m/s，勘測深度范圍內(nèi)波速相差約150 m/s，近 1 倍。而擬擴建建筑地基的頻散曲線則較為平緩，無明顯軟弱夾層，波速一般穩(wěn)定在 150～200 m/s，波速最低 142 m/s，最高波速只有 240 m/s?？梢?，已有建筑地基在固結(jié)沉降時間效應(yīng)作用下，表層附加應(yīng)力小，沉降較小，固結(jié)密實作用小，波速較低，深層土層附加應(yīng)力大，沉降較為明顯，且隨著深度增加，波速相差增大，而擬擴建建筑地基屬于原狀土地基，地基應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化較小，且整體波速偏低。

圖3 測點的典型頻散曲線

通過對以上實測面波反演得出的剪切波速進行統(tǒng)計分析，剔除離散性較大的數(shù)值，用統(tǒng)計平均值代表地基土的密實度，并以已建場地地基土剪切波速為基準(zhǔn)，對已建及擬建場地地基土剪切波速的平均值進行比較，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可以看出，已建場地淺層地基土普遍比擬擴建場地地基土波速值要高，差值最低在 17 m·s-1，最高在 60 m·s-1以上，且由地表往下，差值在逐漸增大。可見，由于地基處理和長時間的固結(jié)沉降，已建場地地基密實度較高，承載力偏大，波速較擬擴建場地偏高，且深層土波速增大較快，差值比隨深度增加，在 6 m 深度以內(nèi)，差值比為 10 %～20 %；6 m 深度以下，差值比為約 20 %。

表2 以平均值為代表值的地基土剪切波速比較

5 地基均勻性評價

由于剪切波速大小與地基土密實度具有密切的對應(yīng)關(guān)系，通過利用詳勘數(shù)據(jù)的對比分析可知，對于本項目場地，砂土的標(biāo)貫擊數(shù)為 30 擊時，剪切波速約為 170 m·s-1。因此，已建場地地基土的密實程度為中密～密實狀態(tài)，以密實狀態(tài)為主，而擬建場地密實程度為中密～密實狀態(tài)，以中密狀態(tài)為主。

由于面波頻散曲線能較好地表征地層的巖土指標(biāo)特性，面波波速值大小與地基土的物理力學(xué)特性有關(guān)，地基土越密實，承載力越高，波速也越高，且其結(jié)果與原位測試及經(jīng)驗分析結(jié)果相吻合。已有建筑地基經(jīng)過地基處理和長時間的固結(jié)沉降，地基土壓縮比減小，承載力和面波波速隨土基密度的提高而增大，而擬擴建結(jié)構(gòu)地基屬于原地基土，密實度和承載力偏低，土層剪切速度較低。因而，速度的高低，直接反映了承載力和密實度的大小，反映了土層物理力學(xué)性質(zhì)的差異。波速差異越大，土體密實度差別越大，不均勻性越大。根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果，在 12 m 深度范圍內(nèi)，已建場地地基土的密實程度普遍比擬建場地地基土的密實程度要高，且由地表向下，2 個場地的地基土密實程度差別逐漸增大，由 6 m 深度以內(nèi)的 10 %～20 % 逐漸增大到 20 % 以上。

可見，擬建唐山 LNG 接收站應(yīng)急調(diào)峰保障工程的地基均勻性較差，場區(qū)內(nèi)面波波速最大相差 20 % 以上，且擬擴建場地地基土面波波速偏低，為 150～200 m·s-1，密實度和承載力較低，需要通過合理的地基處理，改善原有地基的均勻性，降低地基的沉降差，提高地基強度，使地基具有滿足承載力和符合對變形沉降量要求的能力。

綜合面波波速測試結(jié)果，并考慮大量群樁、高配筋樁、高承臺樁等特點，根據(jù)規(guī)范要求，建議擬建場地5 號儲罐～8 號儲罐地基土在目前狀況下水平抗力比例系數(shù) m 值按 1.0～1.3 MN·m-4估算，并以此對樁基的水平承載力進行設(shè)計。

6 結(jié) 論

在工程擴建過程中，由于新老結(jié)構(gòu)下地基應(yīng)力狀態(tài)差異，往往存在地基不均勻沉降問題。本文結(jié)合唐山LNG 接收站應(yīng)急調(diào)峰保障工程，現(xiàn)場測定地基土的面波頻散曲線，通過對面波技術(shù)評價擴建工程地基均勻性展開應(yīng)用研究，得到以下結(jié)論。

1）面波波速與巖土物理力學(xué)性質(zhì)有較好的相關(guān)性，地基土越密實，承載力越高，波速也越高，可以通過測定面波波速頻散曲線，來評價擴建工程地基均勻性。

2）擬擴建和已建場地地基面波波速差值比約為10 %～20 %，局部超過 20 %，地基土均勻性較差，建議擬擴建場地地基土水平抗力比例系數(shù) m 值按1.0～1.3 MN·m-4估算，以此對樁基的水平承載力進行估算。

3）擬擴建場地地基土面波波速偏低，為 150～200 m·s-1，密實度和承載力較低，可采用換填方法或振沖碎石樁法處理地基，以提高地基土的整體密實度。

4）地基處理后，建議重新進行地基面波波速測試，以評價地基處理加固效果。