瞬態(tài)瑞利波技術在地基強夯質量檢測中的應用效果

欒 明 龍

(北京市水利規(guī)劃設計研究院,北京 100048)

0 引言

北京園博園濕地工程地基為回填土基礎，為提高濕地地基土的承載力，同時減少不均勻沉降問題，決定對該場區(qū)地基采用強夯處理。施工前選擇了2處試驗場地進行強夯試驗，并對試驗結果進行檢測，評價試驗性施工能否達到預期的效果，以檢驗地基處理方法的設計參數(shù)是否合理。

強夯法[1]是1969 年法國Menar d 技術公司首創(chuàng)的一種地基加固方法，傳統(tǒng)的檢測強夯效果的手段是采用點測試的動力觸探和靜力載荷試驗方法[2-4]。這些傳統(tǒng)的地基加固效果的檢測方法可較直觀地掌握強夯地基處理效果，但是工作效率較低，對場地環(huán)境要求較多，原位測試工作即使能夠開展，測點也相對較少，而且只是點上測試，不能在平面上全面均勻地進行加固地基效果的整體檢測。如靜載荷試驗僅反映平板寬度或直徑的2倍左右深度范圍內的土層，且有時受客觀條件的限制而難以實現(xiàn)；而動力觸探試驗及標準貫入試驗只是單點測試，離散度較高，容易漏掉薄弱部位，難以全面地反映地基強夯處理的效果；孔內波速測試則受鉆孔限制，無鉆孔時無法開展。傳統(tǒng)的檢測方法只能獲取局部信息，不能對地基處理效果進行整體評價。因此，完善與發(fā)展一種快速的強夯地基質量檢測方法成為必要。

國內外對將瑞利波技術應用到強夯地基質量檢測方面做了大量研究工作，1983 年，Nazarian[5]等利用瑞利波技術對路面及路基進行了檢測，真正開始將瞬態(tài)瑞利波法應用到工程勘察及檢測中來。1988年，Maikuma等通過幾則工程實例，驗證了Nazarian等的方法[6]。1996年夏唐代、蔡袁強、趙明等在深入研究瑞利波特性的基礎上，將瞬態(tài)瑞利波法的應用范圍進行了推廣[7-8]，同年，福建建筑設計院李哲生[9]采用瞬態(tài)多道瑞利波法，利用頻散曲線的形態(tài)及速度對地層進行劃分。1998年，中國地質大學(北京)孫進忠等將瞬態(tài)瑞利波法應用到回填地基強夯效果的質量檢測工作中，為瞬態(tài)瑞利波法應用于回填地基強夯質量檢測提供了寶貴經(jīng)驗[10]。2003年，吳福良等對瑞利波在地基強夯檢測中的應用有效性進行了研究[11]。2005年，陸新等做了強夯處理地基的檢測技術研究[12]，同年，彭振斌等對地基強夯效果的綜合評價方法進行了研究[13]，對不同檢測方法檢測強夯地基的效果進行了論述。2007年，林朝旭等對多道瞬態(tài)瑞利波法在強夯地基檢測中的應用進行了探討[14]。

上述研究工作大多限于各種檢測方法各自的檢測效果，多種方法對比分析的研究工作較少，個別研究工作對瑞利波法檢測結果與載荷試驗等原位測試手段檢測結果進行了對比，但缺少瑞利波檢測結果與其他原位測試檢測結果的系統(tǒng)性對比研究及相關關系分析，且統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少，未能給出瑞利波檢測結果與原位測試檢測結果之間的回歸方程。

本文利用瞬態(tài)瑞利波檢測技術，再輔以一定量的原位測試方法，進行地基強夯效果檢測，大大降低單一測試造成的誤差影響，達到多種檢測方法綜合評價的效果，可對地基土實現(xiàn)由點到線、由線到面的全方位檢測，不但可以達到檢測施工質量的目的，還可以大幅度縮短現(xiàn)場檢測的時間，同時能夠大量降低人力及財力的消耗。該方法具有較好的前景，研究結果有助于深入認識瑞利波的傳播特性及勘探特點，對進一步推動瞬態(tài)瑞利波技術在檢測填土地基處理加固效果上的應用具有重要意義，可為類似地基處理工程的質量檢測提供參考。

1 多道瞬態(tài)面波法基本原理

由于瑞利波的能量只集中于自由表面附近且沿X軸方向傳播，設瑞利波速度為VR，縱波速度為VP，橫波速度為VS，圓頻率為ω，則瑞利方程為[15]：

(1)

式中，kP=ω/VP，kS=ω/VS，kR=ω/VR。

縱橫波與泊松比的關系為：

(2)

由式(1)及式(2)可以得到：

由式(3)可解得,在均勻各向同性介質中，瑞利波速度VR、橫波速度VS與泊松比μ的關系為：

(4)

綜上，瑞利波自身的傳播特性、頻散特性以及瑞利波速度與剪切波速度的相關性，是利用瑞利波進行勘探及檢測的理論基礎，也正是這些特性，為我們達到工程上的勘探及檢測目的、解決地質問題提供了物理前提。

2 試驗區(qū)巖性情況

由地質勘探資料及土工試驗資料獲得，試驗區(qū)表層為人工填工地層，成分較為復雜，厚度變化較大。人工填土之下為卵石，局部夾粉土及細沙。填土及砂卵石層的詳細情況如下：

①人工填土：成份以粉土和砂土為主，含少量房渣、卵石填土及生活垃圾。填土的密實度為稍密—中密，厚度4.60～16.30 m，高程53.35～64.33 m，局部存在架空現(xiàn)象。個別地段分布有粉煤灰。

②卵礫石層：雜色，稍濕，密實。該層揭露最低層底高程50.65 m，揭露最大層厚4.00 m。

②1粉土層：褐黃色，稍濕，稍密，層厚約0.50 m。

②2細砂層：褐黃色，稍濕，中密，層厚約3.00 m。

卵礫石層之下為古近系始新統(tǒng)長辛店組(E2c)泥巖和礫巖。

根據(jù)試驗資料獲得，雜填土天然密度變化范圍為1.08～1.77 g·cm-3，平均值為1.35 g·cm-3，干密度變化范圍為0.89～1.61 g·cm-3，平均值為1.19 g·cm-3。

根據(jù)雜填土現(xiàn)場注水試驗成果，滲透系數(shù)變化范圍為0.02～12.67 m·d-1，地層滲透性為弱透水—中等透水。

根據(jù)現(xiàn)場雜填土篩分試驗成果，有效粒徑d10=0.051～0.196，中間粒徑d30=0.378～0.928，平均粒徑d50=3.068～12.94，限制粒徑d60=14.31～28.612，不均勻系數(shù)Cu=79.50～317.31，曲率系數(shù)Cc=0.081～0.173。

綜合以上雜填土物理力學性質及前期勘探資料可知：雜填土的滲透性變化較大，結構相對松散，局部有架空現(xiàn)象。

3 工作布置

在幾個試驗區(qū)中，我們選擇了其中兩塊試驗場地作為瑞利波檢測強夯質量效果研究的場地， 2塊試驗場地的長度與寬度均為40 m×40 m，分別命名為1#場地及2#場地，其中1#場地的夯錘重量為40 t，夯錘落距為14 m；2#場地的夯錘重量為40 t，夯錘落距為8.5 m。兩塊場地強夯試驗的具體試驗參數(shù)見表1。

表1 強夯試驗場地施工參數(shù)Table 1 Construction parameters of dynamic compaction test site

點夯單點擊數(shù)以最后兩擊平均夯沉量≤5 cm控制。根據(jù)現(xiàn)場試夯結果，1#場地單點9擊滿足要求，2#場地單點7擊滿足要求。滿夯時，錘印搭接不小于1/4，擊數(shù)1擊。

為準確評價強夯質量，深入研究瑞利波法在強夯質量檢測中的應用效果，本次檢測工作布置了多種方法。強夯前采用標準貫入試驗、孔內剪切波速測試、瑞利波測試、 載荷試驗等方法對地基進行檢測，強夯過程中采用多點位移計進行檢測，動態(tài)把握不同的落錘重量及不同的夯擊次數(shù)對應地基土沉降的規(guī)律，并明確強夯影響深度，強夯后在原測試位置處仍采用標準貫入試驗、孔內剪切波速測試、瑞利波測試等方法對地基進行檢測。

考慮到試驗區(qū)現(xiàn)場的場地條件、施工工期以及工作效率等因素，本次強夯試驗區(qū)瑞利波檢測工作共布置6條測線，1#試驗場地與2#試驗場地各布置3條瑞利波測線，為便于與其他原位測試方法進行對比，所有測線均穿過原位測試點，且強夯后瑞利波的測試點位及相應的采集參數(shù)等均與強夯前的點位及采集參數(shù)相同，各試驗場地的瑞利波試驗點布置情況見圖1及圖2。

綜合考慮場區(qū)雜填土厚度及檢測深度等因素，并經(jīng)過現(xiàn)場試驗，確定本次瑞利波檢測采用24道接收，道間距1 m，偏移距為5 m。檢波器頻率為4 Hz，采用24磅鐵錘做震源，敲擊砧板激發(fā)。

圖1 1#試驗場地瑞利波試驗點布置Fig.1 Layout of Rayleigh wave test points in 1# test site

圖2 2#試驗場地瑞利波試驗點布置Fig.2 Layout of Rayleigh wave test points in 2# test site

4 強夯地基瑞利波檢測成果分析

4.1 強夯前后瑞利波對比分析

較松散的地基經(jīng)過強夯處理后，地基土的密實度及地基的承載力一般都會增大，反應在瑞利波速度上，則表現(xiàn)為瑞利波速度的增高。

本次瑞利波的測試點數(shù)較多，有120個測試點，為便于與其他原位測試方法的檢測結果進行對比分析，我們用24個檢波器組成排列的面波勘探，得到不同深度面波速度分布圖，并對強夯前后的不同深度面波速度分布圖直接進行對比分析，可以很直觀地看出各面波測試點處強夯前后瑞利波速度的變化情況，以1#試驗場地1-1測試點及2#試驗場地2-4測試點為例，圖3為1#試驗場地1-1測試點，圖中紅色曲線為強夯前的不同深度面波速度分布圖，藍色曲線為強夯后的不同深度面波速度分布圖，從圖中可以看出，強夯后的瑞利波速度較強夯前有了很大程度的提高，說明強夯后地基土的密實度得到了一定程度的提高。在深度9 m左右，強夯后的面波聲速隨深度的變化曲線恢復到強夯前的形態(tài)，說明該測試點處強夯的有效影響深度在8～9 m。

圖3 1#試驗場地1-1測試點強夯前后面波聲速隨深度的變化曲線對比Fig.3 Contrast chart of wave sound velocity with depth before and after dynamic compaction at 1-1 test point of 1# test site

圖4為2#試驗場地2-4測試點，從圖中可以看出，強夯后的瑞利波速度較強夯前有了很大程度的提高，說明強夯后地基土的密實度得到了一定程度的提高。在深度6 m左右，強夯后的面波聲速隨深度的變化曲線恢復到到強夯前的形態(tài)，說明該測試點處強夯的有效影響深度在6 m左右。

圖4 2#試驗場地2-4測試點強夯前后面波聲速隨深度的變化曲線對比Fig.4 Contrast chart of wave sound velocity with depth before and after dynamic compaction at 2-4 test point of 2# test site

由此可見，將強夯前后的面波波速隨深度的變化曲線放在一起對比分析，不但能根據(jù)面波波速隨深度的變化曲線，直觀看出強夯后瑞利波速度的變化情況，還可以根據(jù)夯后面波波速隨深度的變化曲線的情況，判斷強夯試驗的有效影響深度，而且，通過對強夯前后波速變化情況的進一步分析，還可進一步判斷地基土密實度的變化情況。

根據(jù)各原位測試點處強夯前后面波波速隨深度的變化曲線，提取出了不同深度地層強夯前后瑞利波速度的變化情況，便于比較分析，見表2及表3。綜合分析強夯前、后面波波速隨深度的變化曲線及瑞利波速度變化情況，可以看出強夯后的瑞利波速度較強夯前有了較大幅度的提高，1#試驗場地6個測試點處，強夯加固的有效影響深度約為8～9 m，8 m之上夯后瑞利波速度較夯前平均提高了14%；2#試驗場地6個測試點處，強夯加固的有效影響深度約為6～7 m，6 m之上夯后瑞利波速度較夯前平均提高了13%。總體來看，1#試驗場地強夯加固效果要好于2#試驗場地。1#試驗場地8 m深度之下、2#試驗場地6 m深度之下，有些測試點的瑞利波速度的提高值出現(xiàn)了負值，分析其原因可能是夯后深部地層擾動造成，也可能是解釋誤差造成的，但其值較小，不影響瑞利波的測試結果。

表2 1#試驗場地強夯前后瑞利波速度變化對比Table 2 Comparison table of Rayleigh wave velocity change before and after dynamic compaction in 1# test site

注:夯前、夯后速度單位均為m·s-1，下同

表3 2#試驗場地強夯前后瑞利波速度變化對比Table 3 Comparison table of Rayleigh wave velocity change before and after dynamic Compaction in 2# test site

4.2 瑞利波與其他原位測試參數(shù)相關關系

4.2.1 瑞利波與標準貫入擊數(shù)的關系

用標準貫入試驗方法來判斷地基土的性質時，一般根據(jù)貫入錘擊數(shù)來判定土層的性質。并可利用經(jīng)驗公式確定強夯前后地基承載力的變化情況，還可判斷強夯加固有效影響深度。每個試驗區(qū)各布置了6個標準貫入測試點，各測試點的具體位置見圖1及圖2。圖5、圖6為1#試驗場地1-1測試點及2#試驗場地2-4測試點強夯前后標貫擊數(shù)對比，并將強夯前后標貫擊數(shù)的變化列表比較(表4、表5)，從標貫曲線圖及對比表中可較清晰地看出強夯前后標貫擊數(shù)的變化情況及強夯加固有效影響深度，整體來看，強夯后的標貫擊數(shù)較強夯前有了較明顯的提升，強夯前后標貫曲線的形態(tài)變化與面波波速隨深度的變化曲線的形態(tài)變化趨勢基本一致，且從強夯前后標貫曲線的形態(tài)來看，1#試驗場地的強夯加固有效影響深度在9 m左右，2#試驗場地強夯加固有效影響深度在7 m左右，這與瑞利波測試成果基本一致。

圖5 1#試驗場地1-1測試點強夯前后標貫擊數(shù)對比Fig.5 Contrast chart of standard penetration number before and after dynamic compaction at 1-1 test point of 1 # test site

圖6 2#試驗場地2-4測試點強夯前后標貫擊數(shù)對比Fig.6 Contrast chart of standard penetration number before and after dynamic compaction at 2-4 test point of 2 # test site

表4 1#試驗場地強夯前后標貫擊數(shù)變化對比Table 4 1# test site dynamic consolidation before and after the standard penetration hit number change comparison table

表5 2#試驗場地強夯前后標貫擊數(shù)變化對比Table 5 2# test site dynamic consolidation before and after the standard penetration hit number change comparison table

利用1#及2#試驗場地12個鉆孔處的標準貫入試驗成果與對應的瑞利波測試成果，建立試驗區(qū)內標準貫入試驗擊數(shù)N與瑞利波速度VR之間的經(jīng)驗公式，以進一步利用瑞利波速度與標貫擊數(shù)的對應關系，對整個試驗區(qū)其他無鉆孔位置處的場地進行評價。

圖7是2塊試驗場地標準貫入試驗擊數(shù)N與瑞利波波速VR的關系曲線。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計計算分析，最終獲得試驗場地標準貫入試驗擊數(shù)N與瑞利波速度VR之間的回歸方程為:

式中:相關系數(shù)R2=0.9411;統(tǒng)計樣本420組；N為標準貫入試驗擊數(shù)(擊數(shù)/30 cm)；VR為瑞利波波速，m·s-1。

圖7 試驗場地標準貫入擊數(shù)N與瑞利波波速VR關系曲線Fig.7 Relation curve between standard penetration number N and Rayleigh wave velocity VR in test site

從圖7中可以看出，試驗場地標準貫入試驗擊數(shù)與瑞利波波速的相關關系呈冪函數(shù)關系?？傮w來說，地基土越密實，標準貫入試驗擊數(shù)N值越高，瑞利波速度VR也越高。反之，地基土較松散時，N值降低，對應的瑞利波波速VR也降低。

4.2.2 瑞利波與孔內剪切波波速的關系

孔內剪切波波速是某一深度地層的平均反映，因剪切波波速在鉆孔內進行測量，其測試速度可以看作是對應深度的土體的剪切波速度，精確度相對較高。每個試驗區(qū)各布置了6個孔內剪切波波速測試點，各測試點的具體位置見圖1及圖2。利用1#及2#試驗場地12個鉆孔點的孔內剪切波波速成果(表6、表7)與對應各鉆孔處的瑞利波測試成果，建立試驗區(qū)內孔內剪切波波速Vs與瑞利波速度VR之間的關系，以進一步確定瑞利波測試在填土地層的適用情況，并驗證瑞利波速度與土體對應關系的準確程度。

表6 1#試驗場地強夯前后剪切波波速變化對比Table 6 Comparison table of Shear wave velocity change before and after dynamic compaction in 1# test site

表7 2#試驗場地強夯前后剪切波波速變化對比Table 7 Comparison table of Shear wave velocity change before and after dynamic compaction in 2# test site

圖8是試驗場地孔內剪切波波速VS與瑞利波波速VR的關系曲線。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計計算分析，最終獲得試驗場地孔內剪切波波速VS與瑞利波速度VR之間的回歸方程為:

式中:相關系數(shù)R2=0.99;統(tǒng)計樣本420組；VS為孔內剪切波速度，m·s-1；VR為瑞利波速度，m．s-1。

從統(tǒng)計結果可以看出，瑞利波速度與剪切波速度的相關系數(shù)非常高，這也進一步說明了瑞利波資料的可靠性，也為瑞利波法應用于雜填土地基強夯評價的適用性提供了佐證。

圖8 試驗場地剪切波波速與瑞利波波速關系曲線Fig.8 Relation curve between Shear wave velocity and Rayleigh wave velocity in test site

4.2.3 瑞利波與多點位移檢測的關系

多點位移監(jiān)測旨在通過監(jiān)測場地內不同深度6個測點在強夯過程中的位移變化，查明地基土沉降的規(guī)律，并明確強夯影響深度。每個試驗場地各布置了2處位移監(jiān)測點，其具體位置見圖1及圖2。本次位移監(jiān)測僅針對夯點外地基土，而未能對夯點下土體沉降變化進行監(jiān)測。

由于距測點較遠的夯點對其沉降影響較小，故位移監(jiān)測重點關注測點周圍4個夯點對其的影響，即W1-1測點記錄26#、27#、35#、34#夯點施工時發(fā)生的沉降，W1-2測點記錄22#、30#、29#、21#夯點施工時發(fā)生的沉降，W2-1測點記錄53#、45#、44#、52#夯點施工時發(fā)生的沉降，W2-2測點記錄19#、18#、10#、11#夯點施工時發(fā)生的沉降，監(jiān)測方法為夯一擊讀一次數(shù)。W1-1測點的觀測深度分別為自地表向下2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m，W1-2測點的觀測深度分別為自地表向下2.0、4.0、6.0、8.0、9.0、10.0 m。W2-1、 W2-2兩個測點的觀測深度均為自地表向下2.5、4.0、5.5、7.0、8.5、10.0 m。圖9、圖10分別為1#場地W1-1測點及2#場地W2-1測點多點位移變化曲線，其中橫軸如26-1表示26#夯點第一擊，橫軸的最右方增加了施工完畢后的最終沉降量。所有沉降值均為累計沉降。圖11、圖12分別為1#場地W1-1及2#場地W2-1各測點最終位移量。

圖9 1#場地W1-1測點多點位移變化曲線Fig.9 Multi-point displacement curve of 1# site W1-1 measuring point

圖10 2#場地W2-1測點多點位移變化曲線Fig.10 Multi-point displacement curve of 2# site W2-1 measuring points

圖11 1#場地W1-1各測點最終豎向位移量Fig.11 Final vertical displacement of each measuring point of 1# site W1-1 point

圖12 2#場地W2-1各測點最終豎向位移量Fig.12 Final vertical displacement of each measuring point of 2# site W2-1 point

從位移變化曲線中可以判斷：1#試驗場地，單擊夯擊能為5 000 kN·m的強夯施工對本場地影響深度大概在8～9 m之間；2#試驗場地，單擊夯擊能為3 000 kN·m的強夯施工對本場地影響深度大概在6～7 m之間。由此可見，多點位移監(jiān)測的監(jiān)測結果與瑞利波測試所得結論是一致的，這也進一步驗證了瑞利波法檢測強夯地基質量的可靠性。

綜上，2塊試驗區(qū)標準貫入試驗結果、孔內剪切波速結果及多點位移監(jiān)測結果所得結論與瞬態(tài)瑞利波檢測結果基本一致，證明了瑞利波法檢測雜填土地基強夯效果的適用性及有效性，根據(jù)擬合出的瑞利波速度與原位實驗數(shù)據(jù)的相關關系，可進一步推算地基承載力，限于篇幅，本文不再進一步展開討論。

5 結論

通過對兩塊試驗場地強夯前后地基的實際檢測，采集了大量的瑞利波數(shù)據(jù)，經(jīng)過對瑞利波數(shù)據(jù)的處理分析，并與原位測試數(shù)據(jù)的對比，進行了瞬態(tài)瑞利波技術在地基強夯質量檢測中的應用效果研究。研究結果表明：利用瞬態(tài)瑞利波技術，通過強夯前后面波波速隨深度的變化曲線及波速等值線的對比，可直觀顯示地基土夯前、夯后的密實度和均勻性變化情況，可以實現(xiàn)強夯地基的加固效果檢測，其效果比較顯著。

各不同的工程場地中，由于地基土的類型及密實程度會有所不同，尤其是回填土地基，沒有通用的瑞利波速度與原位測試數(shù)據(jù)之間的相關關系。本文通過現(xiàn)場試驗，利用大量的瑞利波速度參數(shù)與原位測試數(shù)據(jù)進行分析擬合，找到了試驗區(qū)瑞利波速度與地基土之間的相關關系，為后續(xù)利用瑞利波對強夯地基進行大面積檢測、評價打下了基礎，相應工作方法可為類似工程提供借鑒。