土石比對碎石土強夯地基加固效果影響規律瑞利波檢測分析

黃 達 ，金華輝

（1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2. 重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；3. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

1 引 言

1969年merard首次提出強夯法并應用于地基加固工程以來，強夯法廣泛應用于各種碎塊石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等[1－2]。但至今為止，針對山區碎塊石土強夯地基的相關研究并不多。水偉厚等[3－4]、王鐵宏等[5]、年廷凱等[6]基于一系列高能級碎塊石土回填地基強夯現場試驗及檢測，研究了地基承載力、標準貫入數、地面變形及孔隙水壓力與強夯能量級間的相關規律，為高能級碎塊石土強夯的設計、監測提供了參考依據。張峰[7]基于室內物理模型試驗研究了碎石土的變形特征，分析了粗粒無黏性土的強夯機制，給出了考慮能量和夯擊次數的有效加固深度的經驗計算公式。也有較多學者[8－10]利用某一具體工程檢測及測試數據，對山區碎塊石土強夯加固效果及變形規律進行分析。國內外也有部分學者[11－13]通過合理的變形假設及能量原理等，從理論層面上對砂性粒狀填土的強夯機制及評價指標進行研究，并通過數值手段實現了強夯過程的模擬。

通過上述分析表明，國內外對于不同土石比條件下碎塊石土的強夯效果及較大粒徑塊石對其的影響規律至今還沒有較為深入地探討。本文基于3種不同土石比條件下山區碎塊石土強夯地基瑞利波檢測數據的對比分析，并結合探槽揭露情況，探討了不同土石比條件下強夯前后波速的變化規律，揭示了大粒徑塊石與夯后波速曲線突變段的對應關系，分析了大粒徑塊石埋藏深度對強夯加固深度的影響規律。研究成果對山區碎塊石填土強夯地基的設計及施工有一定參考價值。

2 場地概況及強夯設計

2.1 場地概況

重慶市開縣某移民安置點場地主要為開山碎塊石土填土。3個研究標段場地的地層特征基本一致，如圖1所示典型的鉆孔柱狀圖。地層分為4層：第①層為人工填土，主要由砂質泥巖碎塊石，砂巖碎塊石及粉質黏土等組成，塊石粒徑大多在 0.2～0.7 m之間，級配不均，最大甚至達到1.5～2.0 m，碎塊石呈強～中等風化，為場地平整時隨意性推填，回填時間已3年；第②層為粉質黏土（坡積層），含約20%～25%的泥巖及砂巖碎石；第③層為沖洪積層粉砂，成分以石英、長石砂粒為主，含約10%～20%的砂巖碎石和礫石，呈松散～稍密狀態；第④層為基巖，巖層為砂巖、砂質泥巖。

2.2 強夯設計

整個場地分為 10個標段，根據鉆孔中土和巖塊的進尺比，選取3個不同土石比標段進行分析：標段a場地土石比為6:4，土、石分布較均勻；標段b土石比為5:5，土、石分布不均勻；標段c土石比為 3:8，土、石分布極不均勻。由于該地基為原場地開山爆破碎塊石土回填，塊石分布較廣泛。特別是標段c大粒徑塊石在不同深度均有較多分布。

本文測定的土石比定義為某一代表區域內黏土或填土（包括粒徑小于1 cm的碎石）與粒徑大于1 cm以上的石塊的體積比。測定方法是通過場地勘察鉆孔巖芯及探槽斷面統計估算方法綜合確定。文中所談土石比是指如圖1所示的人工素填土層土石含量比例。

工程場地地基全部先后采用2次點夯和2次滿夯共4次強夯工序加固，其中2次點夯夯點互相穿插呈梅花形布置。各標段夯實施工參數及工序一致，如表1所示。

圖1 研究場地典型鉆孔柱狀圖Fig.1 Typical subsoil profile of researched area

表1 強夯施工參數表Table 1 Construction parameters of dynamic compaction

3 強夯前、后瑞利波檢測對比分析

瑞利波法是一種新興的巖土原位測試方法。其利用瑞利波在非均勻介質中的頻散性以及傳播速度與巖層物理力學性的相關性，可對強夯加固深度、加固范圍以及場地的整體性進行評價[14－15]。此次瑞利波檢測采用北京水電物探所 SWS-3多波數字圖像工程勘探與工程檢測儀，采用瞬態法進行測試，信號擊振采用8.17 kg人工錘擊，本次強夯加固深度按規范估算在7～8 m，故瑞利波信號采集分析深度在10 m左右，都小于第①層素填土回填的深度，檢測土層較單一，不存在不同土層及層面對檢測的影響。檢測時間為第4遍滿夯完成后14 d左右。

3.1 波速突變特征

波速曲線突變段的出現，是由土層的不均勻性決定的。根據現場開挖探槽揭示：在測線附近，波速曲線突變段對應深度內往往存在較大粒徑塊石，這表明突變段出現與大粒徑塊石存在的位置具有較好的對應關系。

圖2 不同土石比條件下瑞利波檢測曲線Fig.2 Curves for Rayleigh wave under different soil-rock ratios

圖2為3個典型標段強夯前、后瑞利波速檢測曲線（圖中測量 ai、bi、ci（i=1、2、3）表示對應標段檢測線編號。），由圖2可知：

（1）3個標段強夯前波速隨深度呈較光滑的曲線變化，且隨土石比減?。ㄋ閴K石含量增大）非線性特性略有增強。表明在重力固結的情況下土石比對瑞利波速的影響相對較小。

（2）強夯后的檢測曲線均在某一深度發生明顯突變特征，在大塊石出現的部位波速突然減小。表明較大的塊石對其下方巖土體的加固效果有較大的影響。

（3）隨著土石比減小，強夯后檢測曲線突變性的變化強度越大，即波速突然減小量越大。在土石比為3:8時突變段深度下方土體在夯實前、后波速增加很小，表明過多的石塊含量嚴重影響了強夯的加固深度。

3.2 波速分區特征

根據文獻[10]按強夯地基變形規律及強度理論，得到其加固效果的分區模式如圖3所示。圖4為3個標段強夯后各個測線瑞利波波速增強百分比統計曲線。由圖4可知，增加比例曲線也出現較明顯地分區現象，與強夯加固分區模式有較好的相似性。為了較好地分析增加規律，根據夯后波速檢測曲線，結合密實度測試，統計確定可將夯后波速增加比例ΔVR=0%、15%、10%分別作為如圖 3所示的強加密區、加密區、影響區的分區上限。

圖3 地基強夯加固模式F ig.3 Consolidation mode for foundation by dynamic compaction

土石比6:4與5:5標段波速增加比例曲線在檢測末端一般大于10%，但通過圖2、圖4比較分析表明，在加固影響區及其以下檢測曲線與深度呈現較好的線性關系，因此，可通過末端波速數據的線性擬合來估算加固區及影響區的對應深度。

根據圖4及相關的統計分析，得到3種土石比條件下的垂直分區及波速增加特征如下：

（1）土石比為6:4時強加密區、加密區以及影響區分區規律較明顯。強加密區一般分布在 0.7～8 m，相對較厚；加密區相對較薄，一般在6～8 m；影響區可達9 m以上。測線a1、a2、a3在強加密區波速增加 15%～54%、21%～111%、23%～57%。其中a2測線增加比例曲線較理想，在同一深度內增加比例相對較高，8～8.75 m深度也可達40%以上。

（2）土石比為5:5時擾動松弛區、強加密區和加密區分區規律較明顯。松弛區一般出現在淺層2 m以上；強加密區間較厚，一般分布在1～8 m；加密區一般出現在6 m以下，強夯影響區可達8.5 m以上。測線 b2、b3在擾動區波速減小約 0%～16%、0%～31%。測線 b1、b2、b3強加密區波速增加約15%～70%、0%～70%、0%～40%。

圖4 不同土石比條件下瑞雷波速增加比例曲線Fig.4 Increasing proportion curve of Rayleigh wave velocities under different soil-rock ratios

（3）土石比為3:8時淺層2 m范圍內檢測波速增加比例表現出非常強的波動性。強加密區也一般出現在4 m深度以內；加密區一般分布在3～5.5 m之間，4 m以下增加比例明顯下降；強夯影響區一般在4～5 m范圍內。測線c1、c2、c3在強加密區波速增加約18%～111%、15%～152%、1%～115%。

夯后強加密區的加密強度及其規模是關系到強夯效果的關鍵因素，圖5為3個土石比條件下的加密區的平均波速及其平均厚度與深度柱狀圖。由圖5可知，強加密區夯后波速及增加比例差別不大，夯后波速度大小依次為土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，增加比例依次為土石比(6:4)>(3:8)>(5:5)；但不同土石比條件下的加固深度及厚度差別很大，其中土石比6:4和5:5較3:8時深或厚得多，深度大小依次為土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，厚度依次為土石比(6:4)>(5:5)>(3:8)。

圖5 不同土石比條件下夯后強加密區波速、厚度及深度柱狀圖Fig.5 Histogram of Rayleigh wave velocities, thickness and depth for strong encryption zone under different soil-rock ratios

土石比3:8時雖然強加密區的波速增加比例較大，但平均波速較小、深度較淺、厚度較??；土石比6:4和5:5強加密區深度及厚度差不多，但5:5時夯后波速相對較大。故土石比5:5和6:4強夯效果相對較好（其中5:5略好），3:8較差。

4 大粒徑塊石對強夯效果影響探討

4.1 波速曲線突變段位置

在土石比3:8標段不同深度內均有較多大粒徑塊石分布，但僅僅在波速曲線淺層表現一定的突變性。對各個標段曲線突變段對應波速統計分析表明（見表2）：曲線的突變段一般分布在強加密區內，并且在波速增加比例的峰值點以上；突變段波速增加比例變化幅度較大，統計樣本一般為30%～97%，其中測線 a2、c2、c3突變段波速增加比例較大，分別達72%、97%、95%。

綜合表2及強夯前、后波速圖對比分析表明：在波速增加比例峰值點以上，曲線的突變段和大粒徑塊石存在有較好的對應關系；突變段波速增加比例越大，其突變強度越大，只有當波速增加比例達到一定值后，大塊石存在位置的夯后波速曲線才會表現較強的突變性。

表2 瑞雷波檢測曲線突變段位置及其波速統計Table 2 Location and velocity statistics of catastrophe section for Rayleigh wave test curve

4.2 大粒徑塊石的擾動特征

由圖2和表2可知，在測線b3、c1深度1～2 m、4～7 m范圍內波速增加比例出現明顯的負值；其中b3突變段曲線出現在擾動松弛區，c1在強加密區連續出現兩段突變段。測線b3擾動區深度達2.25 m，大于夯坑深度，而曲線的突變段位于夯坑深度以下，其受夯錘作用力較明顯，對周邊土層的擾動作用也較強，再加上其形狀以及大小的不利因素的疊加，使得周邊土層產生了明顯的擾動松弛。測線c1在強加密區連續出現兩段曲線的突變段，并且突變程度依次遞減，表明兩大塊石存在位置較近，其對兩大塊石位置以下土層產生較強的疊加擾動效應，造成夯后波速的負增長。因此，當大粒徑塊石位于夯后場地表層或較多大塊石距離較近時，對附近土體擾動性較大。

4.3 大粒徑塊石埋藏深度對強夯加固深度的影響

由于碎塊石強夯影響因素較多，加固機制較復雜，難以建立比較符合實際的理論體系對強夯加固深度進行定量的評價，加固深度的確定往往依賴于檢測技術和類似工程經驗。因此，為了探討大粒徑塊石對強夯加固深度影響規律，擬定夯后瑞利波波速增加比例10%作為強夯加固深度的閾值，即圖3中加密區下限深度。

由圖2可知，a標段各個檢測線的突變段，突變程度相似，b標段突變程度不一，c標段不同深度都有較多大塊石的存在。為了盡可能忽略由于大塊石大小、形狀、多塊疊加等因素的影響，選取a標段進行大塊石埋藏深度對加固深度影響分析有較好的可比較性。

按照前述擬定確定測線 a1、a2、a3的加固深度分別7.5、9.25、8.5 m。結合表2相關數據可知：當大塊石位于強加密區內或波速增加比例峰值點深度以上時，加固深度隨著大粒徑塊石埋深增加而減小；測線a1、a3大粒徑塊石的埋深接近其波速增加峰值點，大粒徑塊石的埋深位置越靠近波速增加峰值點時對周邊土體擾動效應越明顯，加固深度越淺。

5 結 論

（1）夯前波速呈一定線性，并隨著土石比的減小，非線性略有增強；夯后波速曲線具有明顯突變規律，其突變段與大粒徑塊石有較好的對應性，并隨著土石比的減少其突變程度增強。

（2）夯后波速增加比例曲線具有垂直分區特征。土石比5:5、6:4標段強加密區厚度較大，波速增加明顯，加固效果相對較好。土石比3:8標段雖然強加密區波速增加顯著但其厚度很少，加固效果較差。

（3）大粒徑塊石對周邊土體擾動影響顯著，夯后波速曲線上往往表現為較強的突變性減少，突變段一般分布在波速增加比例峰值點以上，突變程度隨著波速增加比例增加而增強。當其位于夯后場地表層或較多大塊石距離較近時，對附近土體擾動性較大。

（4）當大塊石位于強加密區內或波速增加比例峰值點深度以上時，加固深度隨著大粒徑塊石埋深增加而減小。大粒徑塊石的埋深位置越靠近波速增加峰值點時對周邊土體擾動效應越明顯，加固深度越淺。

（5）土石比6:4、5:5加固深度在7～9 m范圍內，加固效果較好；而土石比3:8加固深度在3.5～6 m范圍內，低于規范[1]給出的參考值6～8 m。說明合理的土石比以及嚴格控制大粒徑塊石回填對山區碎塊石土強夯地基甚為重要。

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