瑞利波法在強(qiáng)夯加固臺背回填土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

康思源

湖南建工集團(tuán)裝飾工程有限公司 湖南 長沙 410000

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化加速，高等級公路交通網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，“橋臺跳車”問題越來越受到研究人員和工程人員的關(guān)注。臺背回填土的工后沉降與橋梁主體結(jié)構(gòu)的“零沉降”之間的沉降差是造成“橋頭跳車”的直接原因。如何有效提高臺背回填土壓實度以及對夯實質(zhì)量進(jìn)行檢測是該領(lǐng)域研究的熱點和難點。

1969年，法國工程師Menard首次提出并應(yīng)用強(qiáng)夯法加固地基，之后強(qiáng)夯法便得到廣泛的發(fā)展[1]。強(qiáng)夯法通過將重力勢能轉(zhuǎn)化為夯擊能，在土層中產(chǎn)生沖擊波和動應(yīng)力，對地基土顆粒進(jìn)行擠密加固，有效降低其壓縮性的一種主動加固地基的方法。其中不少學(xué)者對強(qiáng)夯加固橋臺背回填土進(jìn)行了研究，于克萍等[2]通過建立橋臺-路基3D有限元模型，對強(qiáng)夯作用下的土體應(yīng)力和位移進(jìn)行了分析。楊智剛[3]通過室內(nèi)模型試驗，研究了橋臺背路基土體在強(qiáng)夯作用下的變形特性。劉亞軍等[4]詳細(xì)闡述了橋臺背回填土強(qiáng)夯加固基本原理、變形規(guī)律等，并提出了強(qiáng)夯設(shè)計和施工技術(shù)要求。劉立軍等[5]結(jié)合高速公路橋涵案例，對強(qiáng)夯法提高橋涵臺背壓實度進(jìn)行了研究。

1885年，英國科學(xué)家Rayleigh首次在理論上確定了彈性半空間自由界面上瑞利波的存在[6]。隨后Thomson[7]、Haskell[8]先后采用傳遞矩陣法推導(dǎo)得到了瑞利波的特征方程，并發(fā)現(xiàn)了瑞利波的彌散特性。此后，國內(nèi)外對瑞利波的傳播特性和彌散特性展開了進(jìn)一步研究[9-13]。不少學(xué)者[14-16]運用瑞利波在巖土中的彌散和傳播特性可以反演得到介質(zhì)剪切波速，同時根據(jù)剪切波速與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，對地基加固效果進(jìn)行判定。周捷等[17]、葉咸等[18]結(jié)合實際案例，研究了瑞利波法在臺背回填質(zhì)量的無損檢測應(yīng)用效果。但這方面的研究成果較少，結(jié)論欠全面。

綜上所述，以往的研究對于瑞利波在橋臺背回填土質(zhì)量檢測應(yīng)用方面較少、結(jié)論欠全面，且在運用瑞利波檢測強(qiáng)夯加固橋臺背回填質(zhì)量應(yīng)用方面鮮有研究報道。本文以某高速公路工程為背景，因該工程工期緊，質(zhì)量要求高，任務(wù)重等特點，經(jīng)綜合考慮，采用強(qiáng)夯法對臺背回填土進(jìn)行了沖擊夯實，并運用瑞利波法結(jié)合鉆芯取樣試驗結(jié)果對夯實效果進(jìn)行合理評價，結(jié)果表明：在特定土質(zhì)條件下，建立該土質(zhì)的剪切波速和壓實度數(shù)學(xué)模型，可以較快的實現(xiàn)橋臺背回填土質(zhì)量無損檢測。采用強(qiáng)夯加固橋臺背回填土，夯實效果明顯，但對不滿足壓實度要求的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)瑞利波檢測結(jié)果進(jìn)行后期強(qiáng)夯補強(qiáng)。本文的研究方法和結(jié)論可以為相類似工程提供參考。

1 瑞利波法基本原理

如果在彈性半無限體的表面施加一個沖擊荷載，其中瑞利波產(chǎn)生的地面豎向運動位移比其他振動波要大得多，且隨著豎向深度或離開界面距離的增加，波動振幅不斷減小。根據(jù)這種傳播特性，只要當(dāng)?shù)孛媸茇Q向脈沖荷載作用時，將傳感器放在離震源適當(dāng)?shù)奈恢?，同時降低檢測系統(tǒng)的放大倍數(shù)，則可在地表得到瑞利波信號。

圖1 表面波譜分析法原理圖

圖1是表面波譜分析法原理圖，當(dāng)在振源處地表施加豎向敲擊，則位于地表的傳感器1和2接收到的基本上是波的豎向分量信號，利用頻譜分析可以得到兩信號各自的自功率譜及互功率譜，傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。設(shè)信號1的線性譜為信號2的線性譜為則自功率譜分別為：

兩信號在波傳播過程中的時間滯后會產(chǎn)生相位差Δφ，由振動理論可知，當(dāng)相位差為2π時，所對應(yīng)的時間為周期T，則輸出的y(t)和輸入x(t)的時間滯后可表達(dá)為：

由于兩傳感器的距離x是已知的，且波沿這兩點傳播的路徑為一直線，因此與頻率f相對應(yīng)的瑞利波波速與波長為：

由上兩式可得實測的瑞利波彌散曲線圖，剪切波速Vs與瑞利波速VR的關(guān)系式近似如下：

式中，μ為泊松比。

2 工程案例概況

某高速公路設(shè)計速度為80km/h，路基采用整體式設(shè)計寬度為25.5m，行車道寬為15m（雙向四車道，單條車道寬3.75m）。臺背回填材料采用級配較好的碎石土填筑，壓實度≥96%，其立面見圖2。強(qiáng)夯加固方案采用自下而上逐層進(jìn)行攤鋪和夯實，每層壓實厚度為50cm，其中夯錘采用圓形球底重錘（直徑1.2m，球底平面直徑1.04m，重量6t），夯錘下落高度根據(jù)現(xiàn)場實際夯實效果控制在4m～8m，夯點設(shè)置方案參照文獻(xiàn)[6]。

為了合理科學(xué)快速評價強(qiáng)夯加固后臺背回填土壓實質(zhì)量，首先對強(qiáng)夯加固后A橋臺背回填土進(jìn)行瑞利波檢測和鉆芯取樣試驗，得到同類特定土質(zhì)條件下剪切波速和壓實度的統(tǒng)計規(guī)律，以此為依據(jù)，然后對其他橋背回填土夯實效果進(jìn)行瑞利波速測試，最后達(dá)到分析整條線路臺背回填土壓實質(zhì)量的目的。

圖2 臺背立面圖（單位：cm）

3 模型建立

表1 A橋臺背回填土瑞利波檢測與鉆芯取樣試驗結(jié)果

為得到該工程橋臺背回填土的剪切波速和壓實度的統(tǒng)計規(guī)律，對A橋臺背回填土各檢測點（S1#～S9#）實現(xiàn)差異性夯實即得到不同夯實度，結(jié)果見表1。A橋臺背回填土測點土體剪切波速與鉆芯取樣試驗壓實度散點圖見圖3。

圖3 土層剪切波速與壓實度的散點圖

由圖3易知，該土質(zhì)條件下各測點剪切波速VS和壓實度K存在線性關(guān)系，假設(shè)滿足以下線性關(guān)系：

根據(jù)最小二乘法可知：

由上式可知：

A=0.063，B=65.25，則該土質(zhì)剪切波速和壓實度的關(guān)系為：

將表1數(shù)據(jù)帶入上式可知相關(guān)系數(shù)r=0.9823，說明擬合度好，假設(shè)合理。該土質(zhì)條件下剪切波速與壓實度擬合曲線見圖4。

圖4 剪切波速與壓實度的擬合曲線

4 瑞利波測試成果運用

運用瑞利波檢測結(jié)果結(jié)合式（12）對其他橋臺背回填土夯實質(zhì)量進(jìn)行評價。本文以B橋臺背應(yīng)用結(jié)果為例，見表2。

表2 B橋臺背回填土瑞利波測試結(jié)果

從表2可知測點S33#、S35#、S36#、S37#、S39#處土層壓實度均大于96%即滿足設(shè)計要求，測點S32#、S34#、S38#處土層壓實度均小于96%不滿足設(shè)計要求，故對測點S32#、S34#、S38#區(qū)域采用強(qiáng)夯補強(qiáng)，結(jié)果見表3。

表3 B橋臺背強(qiáng)夯補強(qiáng)瑞利波測試結(jié)果

從表3可知測點S32#、S34#、S38#區(qū)域，通過強(qiáng)夯定點區(qū)域補強(qiáng)后壓實度滿足設(shè)計要求。根據(jù)現(xiàn)場工程效果反饋，效果較好，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

為進(jìn)一步推廣瑞利波檢測結(jié)果的應(yīng)用，基于瑞利波檢測結(jié)果和鉆芯取樣結(jié)果，對橋臺背回填土夯實效果進(jìn)行了合理評價，初步結(jié)論與建議如下：

（1）本文首先通過對其特定土質(zhì)進(jìn)行瑞利波速檢測和鉆芯取樣試驗，得到該土質(zhì)的剪切波速和壓實度的統(tǒng)計規(guī)律，再對待測臺背回填土進(jìn)行瑞利波速測試，可以快速直觀地對整條線路臺背土層夯實效果進(jìn)行合理評價，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

（2）本文通過檢測數(shù)據(jù)分析得出該工程橋臺背回填土層剪切波速和壓實度的相關(guān)關(guān)系為相關(guān)系數(shù)r=0.9823。對于不同的土質(zhì)條件，土層剪切波速與壓實度的關(guān)系有一定差別，因此，要推廣瑞利波法在檢測強(qiáng)夯加固橋臺背回填土質(zhì)量的應(yīng)用，對于特定的工程，還需要針對特定的土體進(jìn)行比對測試。