基于瞬態(tài)瑞雷波法的巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測研究

潘　凱，謝春慶，羅　鵬，趙　犁

（1.成都軍區(qū)空軍勘察設計院，四川成都610041；2.四川中奧建設工程試驗檢測有限責任公司，四川成都610200）

基于瞬態(tài)瑞雷波法的巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測研究

潘凱*1，謝春慶1，羅鵬2，趙犁2

（1.成都軍區(qū)空軍勘察設計院，四川成都610041；2.四川中奧建設工程試驗檢測有限責任公司，四川成都610200）

依托西南某大型工程，系統(tǒng)開展了基于瞬態(tài)瑞雷波法的巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測研究。通過理論分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、擬合回歸等技術手段，得出運用瞬態(tài)瑞雷波來檢測巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基壓實質量（包括溶洞、漏斗、落水洞、軟基置換等地基處理質量和填筑體壓實質量），是一種切實可行的無損檢測方法。獲得的一些經(jīng)驗性的結果，可以作為巖溶地區(qū)的工程經(jīng)驗參考。

瞬態(tài)瑞雷波法；巖溶山區(qū)；粗巨粒土；地基處理；無損檢測

瞬態(tài)瑞雷波測試技術作為一種新型的淺層工程物探手段，目前已經(jīng)在許多領域得到廣泛的應用［1-2］。我國從20世紀80年代起就有許多學者和科研單位相繼開展了瞬態(tài)瑞雷波勘探技術的研究，取得了大量的研究成果［3-4］。瑞雷波檢測壓實度的方法與傳統(tǒng)方法相比具有儀器設備輕便、可操作性強、節(jié)約檢測費用、對填方體無損害、檢測速度快、當場即可顯示結果等優(yōu)勢，更適合現(xiàn)場快速檢測。由于巖溶山區(qū)具有獨特的地形、地貌、巖性特征，使得土石方施工、地基處理、檢測手段明顯不同于其他地區(qū)。結合巖溶山區(qū)工程深入研究采用瑞雷波法檢測該區(qū)域填方地基，特別是粗巨粒土填方地基施工質量及地基處理效果的可行性、可靠性是非常必要的。本文依托西南山區(qū)某大型工程，對瞬態(tài)瑞雷波法在巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測中的運用開展深入探討，結合干密度試驗、固體體積率試驗、載荷試驗等對瑞雷波法進行了修正完善。工程實踐證明，本文研究成果對巖溶山區(qū)填方地基進行快速、無損檢測具有實際應用價值。

1　工程概況

1.1地形地貌

工程區(qū)海拔1633～1890m之間，地形復雜，起伏大，溝谷縱橫，高差達257m。場區(qū)屬中等起伏的侵蝕—溶蝕殘丘—溶蝕—侵蝕峰叢地貌。場區(qū)地表巖溶發(fā)育形式有峰叢、石芽、溶脊、溶溝、漏斗和洼地，地下發(fā)育形式有石芽、溶溝、溶槽、溶洞等，見圖1。第四紀以來，受區(qū)域地殼間歇性抬升和溶蝕、剝蝕的耦合作用的影響，場地共形成多級剝夷面。場區(qū)最大垂直填方高度98.63m，最大挖方深度52m。

圖1　工程區(qū)巖溶地貌特征（隱伏石芽、溶溝）

1.2地層巖性

場區(qū)出露地層較單一，主要為上古生界石炭系中上統(tǒng)（C2+3）及第四系（Q4）。場區(qū)第四系覆蓋層主要由耕植土（Q4pd）和殘坡積（Q4el+dl）紅粘土、次生紅粘土組成，局部地段有少量殘坡積（Q4el+dl）粉質粘土、沖洪積（Q4al+pl）粉土和素填土（Q4ml）等，覆蓋層在斜坡部位較薄，在溝谷地帶較厚。場區(qū)基巖為淺灰—灰白色致密塊狀白云質灰?guī)r，局部為鮞狀灰?guī)r、巖溶角礫灰?guī)r，具縫合線構造，發(fā)育刀砍紋。土石方工程總挖方量1907× 104m3，總填方量2319×104m3。

2　瑞雷波檢測技術理論基礎

瑞雷波檢測技術主要利用其2種特性：一是在分層介質中瑞雷面波的頻散特性；二是瑞雷面波傳播速度與介質密度的相關性。前者可根據(jù)實測頻散曲線劃分層位，并計算出各層的速度值；后者則是用已求得的各層的瑞雷波速度值與密度值的相關關系計算各層的壓實度［5］。

下面列出彈性波速與巖土在彈性階段物理、力學參數(shù)之間理論關系表達式及瑞雷波與一般體波（壓縮波Vs及剪切波Vp）間關系的理論表達式。彈性體波波速與材料力學參數(shù)間的關系如式（1）、式（2）所示。

式中：Vs——地層剪切波速，m/s；

Vp——地層壓縮波速，m/s；

G——地層剪切模量，Pa；

E——地層彈性模量，Pa；

ρ——地層土的密度，kg/m3；

μ——泊松比。

在均勻彈性半空間體表面瑞雷波波速與體波波速之間有如下關系，如式（3）所示。

由式（1）、式（2）可知，G僅與泊松比μ有關，所以VR及Vs間的關系只與泊松比μ值的大小有關。分析求解式（3），可得出：

在層狀介質中瑞雷波與彈性體波之間的關系要復雜得多，層與層之間的反射波、折（透）射波及各種波成分的干涉都影響著頻散曲線的分布形態(tài)［6-8］。

3　試驗檢測技術路線

（1）開展室內(nèi)試驗：旨在確定填料的物理力學特性，以提供檢測、計算所需的參數(shù)。包括顆粒分析、含水率、含泥量、最大干密度等試驗。

（2）瑞雷波現(xiàn)場測試：根據(jù)設計要求及工程實際情況分區(qū)進行瑞雷波測試，獲得等效剪切波速。

（3）同步開展干密度、固體體積率、地基承載力檢測：旨在獲取壓實質量指標，并對波速測試進行驗證。

（4）檢測結果分析：對瑞雷波檢測的可行性、可靠性、影響因素進行分析，探討波速與干密度、固體體積率、地基承載力的相關關系。

4　室內(nèi)試驗

（1）顆粒分析試驗。該工程碾壓粒徑按35cm控制，強夯粒徑按80cm控制，遠遠超出了規(guī)范篩分粒徑上限，為更好代表場區(qū)填料的真實粒徑，試驗中每個標段各區(qū)取3組試樣，單組質量100kg，烘干稱量后進行顆分試驗。計算不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，各標段試驗成果見表1，場區(qū)典型級配曲線如圖2所示。

表1　篩分試驗成果統(tǒng)計

圖2　工程區(qū)填料典型級配曲線

（2）含泥量測試。該工程中填筑材料主要有素土、碎石料、土石混合料，本研究中的粗巨粒土以爆破石料為主。由于巖溶發(fā)育，挖方區(qū)山體存在溶蝕空腔、管道、裂隙等且部分被紅粘土所充填，在挖方區(qū)爆破過程中部分土與石料混合，使得石料含泥量并不等于0，為此進行含泥量檢測。由于各個標段挖方區(qū)土石比不同，因此檢測結果存在一定差異。最終獲得各標段填石料平均含泥量為：T1/6.432%，T2/8.417%，T3/ 4.768%，T4/5.124%，T5/6.463%，T6/6.297%。

5　瑞雷波現(xiàn)場測試

測試依據(jù)《地基動力特性測試規(guī)范》及相關規(guī)范開展［10］。測試儀采用WZG-12A型多功能面波測試儀；數(shù)據(jù)處理采用CCSWS面波數(shù)據(jù)處理軟件；激發(fā)震源24磅重錘；12道檢波器接收，道間距1m，偏移距1m，采樣點數(shù)4096點/道，采樣間隔0.05ms，有效測試深度8m。根據(jù)工程的實際情況及設計要求，在原地面處理區(qū)及道槽土石方填筑區(qū)進行面波檢測。分別對T1～T6標段相應部位進行面波測試，按式（4）處理，試驗結果見表3。

表2　填料密度試驗成果統(tǒng)計

式中：Vse——土層等效剪切波速；

n——計算深度范圍內(nèi)土層數(shù)；

d0——計算深度；

di——計算深度范圍第i層土厚度；

Vsi——計算深度范圍第i土層橫波波速。

6　干密度、固體體積率及地基承載力試驗檢測

根據(jù)施工工藝、設計要求進行分區(qū)檢測。強夯區(qū)用探坑法+灌水法測定干密、固體體積率、載荷法測定地基承載力，瑞雷波法測定剪切波速。采用坑探法進行固體體積率、干密度、壓實度檢測過程中應特別注意，由于探坑檢測部位為強夯處理區(qū)，每層填料虛鋪厚度約4m，強夯試驗表明，強夯能對地基進行有效的密實，但其密實效果隨深度的增加而下降。因此為充分檢測強夯質量，建議探坑進行分層開挖，單層開挖厚度約1m，而后分層檢測（即頂層、中層、底層），見圖3。3層均合格則總體合格，若其中一層不合格則總體為不合格。

在波速檢測區(qū)同步開展干密度、固體體積率、地基承載力試驗，結果見表3。

7　檢測成果探討

7.1波速測試成果分析

表3　波速、干密度、固體體積率、地基承載力檢測成果

干密度、壓實度、固體體積率、地基承載力等幾種檢測方法在細粒土中運用效果較好，但在粗巨粒土中會出現(xiàn)了較大的離散性。其原因主要是由于檢測過程中“以點代面”，也就是說檢測時都是在一個點或幾個點上進行的。在粗巨粒土中的檢測點容易遇到超粒徑塊石，這將對檢測的結果產(chǎn)生較大的誤差。而用波動的方法就可以避免這類現(xiàn)，因為波在傳播過程中速度是測線范圍內(nèi)的平均值，如果碰到粒徑較大的塊石，波就可能沿著旁邊被壓實的填土繞射傳播，其速度主要還是反映檢測區(qū)域內(nèi)的波速，最終超粒徑塊石的作用會被消除或被平均掉［11］。也就是說，用波的傳播速度評價粗粒土的壓實度是比較客觀的。

圖3　探坑法測定固體體積率圖

在溶洞、落水洞、漏斗地基處理區(qū)及道槽填筑區(qū)，同步進行了27組現(xiàn)場試驗，較為全面地獲取了檢測區(qū)域的密實度指標。試驗結果表明波速合格區(qū)，固體體積率、干密度、地基承載力檢測結果基本都達到設計要求。說明運用瑞雷波法開展粗巨粒土地基處理、填筑質量檢測是客觀、科學、可行的。

現(xiàn)在問題的關鍵是分析巖溶山區(qū)粗巨粒土波速與密實度的關系，從而優(yōu)化巖溶山區(qū)粗粒土密實度的無損檢測。

7.2固體體積率與地基承載力的關系

地基承載力試驗采用邊長1m×1m的方形板，以堆載的方式分級加載。采用灌水法測定濕密度。由于固體體積率是由干密度和綜合毛體積密度經(jīng)公式轉換而來，是2個等效變量，因此只需要研究其中的一個變量即可，此處以固體體積率為研究變量。

整理試驗數(shù)據(jù)，剔除異常值，采用最小二乘法回歸分析。圖4線顯示兩變量成非線性的正相關關系，在一定范圍內(nèi)固體體積率越大則承載力越高。相關性對比分析可知多項式關系相關性最好，見式（5）。

圖4　固體體積率—地基承載力關系曲線

7.3波速與固體體積率、地基承載力關系

整理分析數(shù)據(jù)得出剪切波速與固體體積率均呈非線性的正相關關系，見圖5、圖6。存在這種關系的理論基礎在于，波在無限介質中主要以縱波和橫波2種形式傳播，它們的傳播速度與介質的特性有密切的關系，其中包括了介質的模量和密度，與此同時土中應力波速與彈性模量和密度相關。

圖5　波速—固體體積率關系曲線

圖6　地基承載力—固體體積率關系曲線

當土的組成不變時，土的壓實過程實際上是土側限應力增加的過程，側限應力增加使土的彈性模量E和密度ρ同步增大。隨著土的孔隙比e的減少，一方面土的密度增加會導致波速下降，另一方面又會使土的模量增加而使波速增大，但這2個量的增幅不一樣。試驗證明，彈性模量E增加的影響大于密度ρ增加的影響，最后將導致波速V的增加。反過來，剪切波速越大則反映出土的彈性模量E和密度ρ越大，則填方地基承載力越高，壓實效果越好。為進一步探究波速與各變量的關系，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲取了三者的關系式，具體見表4。

表4　固體體積率、地基承載力、波速關系式

從以上理論分析和試驗得出，剪切波速與干密度、固體體積率、地基承載力之間的關系是一種近似的多項式關系，有著相對較好的相關性。但這種關系是基于石料為主的粗巨粒土推到出來的，不同類型的土物理力學性質差異較大，它們之間基本上沒有可比性，不能盲目的等價套用。所以在實際應用時，對不同類型的粗粒土應通過試驗先做一條波速—固體體積率或波速—地基承載力關系曲線，然后根據(jù)現(xiàn)場檢測的波速數(shù)據(jù)，由關系曲線和關系式推算出其他壓實質度指標。

無損檢測方法與許多物探方法一樣，受很多內(nèi)外因素的影響，測試結果存在多解性，因此波速測試只能作為一種輔助檢測手段。為保證工程的安全，應同步進行一定數(shù)量的壓實度、干密度、固體體積率、地基承載力測試來驗證波速檢測結果，從而建立科學、可靠、全面的綜合評價體系，提高工作效率，最大限度地減少漏檢、超檢的概率。

8　結論與建議

（1）研究得出瑞雷波法檢測巖溶山區(qū)粗巨粒填方地基壓實質量是一種可行、可靠、高效的方法。本文獲得的一些經(jīng)驗性的結果，可以作為巖溶地區(qū)的工程經(jīng)驗參考，但此法要得以推廣運用，還需進行大量的理論與實踐性試驗研究。

（2）波速測試結果受很多外在因素的干擾，在現(xiàn)場檢測中宜作為一種輔助性檢測手段，單純的波速測試結果不可作為結論性評價指標，應綜合檢測，綜合評價。文中固體體積率、地基承載力、波速回歸關系式相關性系數(shù)不高，主要由于：①檢波器安插穩(wěn)固性，機械振動、爆破振動干擾等；②地基承載力試驗點分布離散性造成。在工程實際中應特別注意這2方面的問題，避免干擾，準確地開展試驗。

（3）本文認為有以下2個問題還需要進一步研究：①分層壓實的影響問題，分層碾壓會造成上下2層填料土密度不一致，從而導致上下2層土的彈性模量不等。理論上可能產(chǎn)生另一種面波——勒夫波，這種波對檢測效果的影響有必要進行比較深入的研究。②標準激振方法的問題，常規(guī)測試中一般采用人工重錘激振，這種激振方法存在很大的人為因素影響，為減少由于激振力不同造成的計時誤差，建議考慮采用固定激振力和激振的方式，研究一套專門的標準激振裝置，制造標準的激振信號。

［1］賀會團，張獻民，趙維炳.瞬態(tài)瑞雷面波檢測碎石樁復合地基承載力研究［J］.巖土工程學報，2006，28（8）：1039-1043.

［2］馮請文，等.瑞利波法在土石混填路基壓實度檢測中的應用［J］.路基工程，2009，149（2）：103-105.

［3］楊成林.瑞雷波勘探原理及其應用［J］.物探與化探，1989，13 （6）：465-468.

［4］王敬.土石混填路基壓實質量快速評定方法研究［D］.上海：上海交通大學碩士學位論文，2007.

［5］李青山，張獻民，李紅英.路基壓實度的瞬態(tài)瑞雷波檢測法［J］.河北工業(yè)大學學報，2003，3（5）：27-30.

［6］胡家富，朱雄關，夏靜瑜，陳赟.利用面波和接收函數(shù)聯(lián)合反演滇西地區(qū)殼幔速度結構［J］.地球物理學報，2005，48（5）：1069-1076.

［7］陳祥，孫進忠.改進的等效半空間法及瑞雷波頻散曲線反演［J］.地球物理學報，2006，49（2）：569-576.

［8］白朝旭，劉洋，等.瑞雷波測試技術在巖土工程中的應用研究［J］.地球物理學報，2007，22（6）：1959-1965.

［9］JTGE-2007公路土工試驗規(guī)程［S］.

［10］GB/T50269-97地基動力特性測試規(guī)范［S］.

［11］黃克超，李永輝.用瑞利波波速檢測粗粒土路基壓實方法的研究［J］.公路學報，2004（4）：116-120.

U412.22

A

1004-5716（2016）02-0012-05

2015-03-04

2015-03-17

潘凱（1989-），男（漢族），四川西昌人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察設計與研究工作。