面波檢測技術在地基加固效果評價中的應用

梁鴻軍 蘇東濤

(1.廣西水利電力勘測設計研究院 南寧 530023;2.廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 前言

瑞雷面波勘探技術經過十多年的發展,在巖土工程勘察中得到了廣泛的應用,原因在于工程勘察中傳統的原位測試需要對場地進行鉆孔,耗時多且成本高。瑞雷面波勘探能較為快速地對場地進行分層,并給出每層的剪切波速度,作為一種新興的巖土工程原位測試方法,瑞雷面波法大量應用于地基處理 (尤其是地基加固處理)效果的檢測、評價中。

1.1 面波檢測原理

面波法是一種利用瑞雷波的運動學特征和動力學特征進行工程質量檢測及工程地質勘察的地球物理勘探方法。

在自由界面 (如地面)上進行豎向激振時,會在其表面附近產生瑞雷波。瑞雷波的主要特征為:在分層介質中,瑞雷波具有頻散特性;瑞雷波的波長不同,所能穿過的深度也不同;瑞雷波的傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。

研究證明,瑞雷波能量約占整個地震波能量的67%,且主要集中在地表下—個波長范圍內,而傳播速度代表著半個波長(λY/2)范圍內介質震動的平均傳播速度。因此一般認為瑞雷波法的測試深度為半個波長,而波長與速率及頻度有如下關系。

設瑞雷波的傳播速度為Vr,頻率為 f K,則波長=Vr/f K。當傳播速度不變時,頻率越低,測試深度就越大。

1.2 面波速度與橫波速度的關系

面波速度與介質的密度和力學性質有關,而波速是反映介質性質的重要參數。由介質的彈性模量和泊松比之間的關系,可得到縱波和橫波的波速比:

其中:

Vs為橫波速度;

Vp為縱波速度;

ν為泊松比。

將此關系代入含有面波速度的瑞雷方程,可得到下式:

其中VR為面波速度。對此式求解,得到面波波速與橫波波速近似的關系式:

在工程勘察中,一般土層的泊松比為0.45～0.49,則面波速度約為橫波速度的0.95倍。影響橫波速度的主要因素是介質的密度及其彈性力學參數。

軟土地基被加固之后,地基土體的壓縮比減小,承載力、波速隨介質密度增大而增加,加固前后面波速度的變化,即反映了巖土力學性質的變化。因此,可直接用測量面波速度的方法檢測強夯或灌漿效果。

2 應用實例

亞江變電站10k V配電室即將建成投產。該配電室位于高填土區 (填土厚度3m～13m),近期發現地面沉降、電纜溝A和B處開裂等病害,最大沉降達50mm。為加固地基軟弱土體,防止配電室地面和電纜溝繼續產生不均勻沉降,某化學灌漿有限責任公司采用 “DCG工法”在配電室電纜溝底進行化學灌漿處理。根據現場情況,在灌漿時盡可能抬升下沉部位,減少沉降差,恢復其正常使用功能。為了不破壞已建成的配電室場地,宜采用面波法對化學灌漿加固效果進行檢測。

2.1 地質簡況及地球物理條件

10k V配電室位于場地西側斜坡上,地面高程22.0m～33.0m。場地平整后,該地段全部為開挖區,開挖厚度0.0m～7.6m,開挖區內出露的地層主要為全～強風化頁巖、砂巖。檢測區上部地層以填土層為主,部分為粘土層;下部地層為頁巖、砂巖。

配電室處在新近填土區上,固結度低,壓縮性高,易產生不均勻沉降,面波速度較低。與灌漿前夯實的地基土相比,經過灌漿加固后的地基土的介質密度和力學性質均發生了較大變化,面波速度較高。可用面波速度的變化來反映地基土體的灌漿加固效果。

2.2 工作方法

現場數據采集采用縱排列接收瑞雷面波,首先做現場試驗,根據場地情況,選擇合適的工作參數,如偏移距、道間距、記錄長度、采集間隔等。本次作業僅在灌漿段內選擇部分點進行檢測,檢測儀器采用SWS-3型多波列數字圖像工程勘探與工程檢測儀。經現場試驗確定的主要技術指標為:4Hz檢波器,24P鐵錘作為激發震源,12道接收,偏移距5m,道間距1m,采樣間隔0.20ms,記錄長度1024ms,通頻帶寬0～4000HZ。

2.3 資料處理

多道瞬態面波資料處理:一般分為兩階段,一是野外處理,即在現場對所采集的記錄進行預處理(檢查物探資料是否達到勘察精度),如發現物探資料不滿足勘察要求,應進行補測,保證現場資料的質量。二是對所采集的資料進行內業整理、解釋。在此主要介紹內業整理、解釋,其主要步驟可歸納如下。

①對原始資料進行整理、核對、編錄;②通過專用軟件分析縱波與面波以及基階面波的時空域分布特征;③根據基階面波在時間～空間域中的分布特征確定面波時間～空間窗口;④根據時間～空間窗口,在頻率～波數域內提取面波;⑤對面波進行頻散分析,形成頻散曲線;⑥根據頻散曲線進行分層和各層速度計算并做出定性解釋;⑦在定性解釋的基礎上,進行定量解釋,確定各層的厚度,計算各層的剪切波傳播速度,并對獲得結果進行反演擬合處理。

2.4 面波點灌前與灌后波速對比分析

根據場地地形特征和地基土的地質條件,設計了 15個面波勘探點:其中 W1、W6、W11、W12、W13、W14、W15為灌漿前面波點編號,W2、W3、W4、W5、W7、W8、W9、W10為灌漿后面波點編號。

根據面波點波速分層結果,可確定各組的地基土層厚度,由于灌漿僅限于地基土,對比分析過程中,只提取灌后面波點地基土層的波速與灌前的波速進行對比。

圖1 灌前面波點H-Vr曲線一致性曲線圖

對灌漿前面波點地基土層進行波速一致性分析:從下圖可以看出,曲線1反映地基土層較厚且分為兩層,曲線形態以及波速大小基本一致;曲線2反映地基土層較薄且為一層,地基淺部曲線形態基本一致,深部差異較大,說明基巖風化程度差異較大。比較曲線1和曲線2可知,曲線1在0～8m深度段與曲線2在0～2.5m深度段,面波波速近240m/s左右,為一層;曲線1在8～12m深度段,面波波速近400m/s左右,為另一層。由此可見,配電室場地內外地基土的特性基本一致,灌前與灌后面波波速具有可比性,可利用灌漿后波速的提高率來對地基土體的灌漿加固效果進行評價。

對灌漿后面波點地基土層進行波速頻度分析:從下圖可以看出,波速隨深度增加而變大,灌漿效果較優的面波點的波速分布集中度較好,由淺到深波速值近呈線性變化,斜率較小,波速值隨深度增加明顯變大;灌漿效果一般的面波點的波速分布集中度較差,斜率較大,波速值隨深度增加變化不大。由此可見,從波速分布頻度圖可區分灌漿效果優、劣點。顯然,W2、W5號點的灌漿效果不如其它點。

經統計,地基土經化學灌漿處理后,面波波速得到較大提高,提高率在2%～493%之間,平均值在21%～261%之間,各點灌后面波波速提高率總體平均值為132%;對應深度在8m～12m的地基土層波速提高率在46%～209%之間,平均值為139%;對應深度在0～8m的地基土層波速提高率在2%～493%之間,平均值在21%～261%之間;地基土體的力學性質得到了明顯改善。

圖2 灌后面波點H-Vr曲線波速分布頻度圖

對比分析各組的H-Vr曲線,未灌漿段與已灌漿段面波波速具有如下特點:

1)灌漿段內面波點相應深度段波速值均比未灌漿段的高,說明灌漿效果較明顯;

2)灌漿段內面波點波速值均隨深度增加而明顯變大,而未灌漿段面波點波速值隨深度增加變化不大,說明灌漿均從底部灌起往上抬升,漿液從灌漿孔底部往上滲;

3)灌漿段內面波點淺部波速值明顯比深部小,說明漿液主要集中在灌漿段的深部;

4)同電纜溝A的面波點波速值相比,電纜溝B的面波點總體波速值略高,說明電纜溝B灌漿效果優于電纜溝A,電纜溝A灌漿段內W2、W5號面波點的波速值偏小。

2.5 灌漿前、后土層剪切 (橫)波速分析

經統計分析,填土層較薄處,部分點的剪切波速VS＞250m/s,如W1和W11號點處,根據 《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)表4.1.3可知,兩點處的填土屬中硬土;W6號點處的剪切波速VS∈(140,250]m/s,該點處的填土屬中軟土。由此可知,填土層厚度介于0～3.0m范圍內的場地,地基土體由中軟土與中硬土組合而成。填土層較厚處,灌漿前各點的剪切波速VS∈ (140,250]/m/s,對應土體的類型屬中軟土。灌漿前地基土體的剪切波速平均值為231m/s,灌漿后地基土體的剪切波速值在214m/s～1084m/s之間,平均值為483m/s,波速提高率平均值為109%。

按土的類型劃分,以中軟土與中硬土的剪切波速臨界值Vc=250m/s作為評價標準。

灌漿后波速點共有29個,其中3個點的剪切波速小于250m/s,大于250m/s的點占90%。其中,填土層厚度0～3.0m的檢測段灌漿后剪切波速大于250m/s的點占75%,填土層厚度3.0m～12.0m的檢測段灌漿后波速大于250m/s點占95%。顯然,填土層深部灌漿效果明顯優于淺部。

灌漿前地基土體的剪切波速值VS∈(140,250]m/s,屬中軟土;灌漿后檢測段內地基土體的剪切波速值VS＞250m/s,屬中硬土。通過對地基土體進行化學灌漿處理,可使土的類型發生改變,灌漿效果明顯。

3 結語

面波勘探是巖土工程勘察中一種有效的技術手段。在土層波速測試、場地類別劃分、土層劃分、不良地質體的探查等方面,面波勘探具有快速、靈活、準確的優點,地質分層的準確度較高。

利用面波法進行地基土加固效果檢測,可縮短檢測周期,不破壞場地,便于連續、大面積地檢測。這種勘探方法還可以進行現場監督,對施工質量進行全程監控。

在勘探時,應選擇恰當的工作布置和參數采集方法,選擇合適的儀器設備,并注意避開地面振動干擾,這樣才能得到較準確的頻散曲線。

1 楊成林.瑞利波勘探.地質出版社,[M].1993年.

2 肖柏勛.我國瑞利波勘探方法研究現狀分析[J].2000年.

3 程志平,單娜琳.瑞雷面波法評價公路路基質量[J].桂林工學院學報,1997年.