基于瑞雷面波法的強(qiáng)夯地基質(zhì)量評(píng)估方法

師歡歡，張 興

(北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100043)

0 引 言

在軟土地基或者松散地質(zhì)土層中修建的建筑物，在使用一定的年限后將產(chǎn)生不均勻沉降，造成建筑物的開裂、變形和結(jié)構(gòu)破壞，因此為了滿足基礎(chǔ)的承載力和建筑物的沉降變形要求，需要對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固處理[1-2]。在目前的地基加固方法中，強(qiáng)夯法通過(guò)對(duì)地基的強(qiáng)行夯擊改變地基土體顆粒排列并排除土體內(nèi)孔隙水達(dá)到壓實(shí)地基、降低孔隙比，實(shí)現(xiàn)提高地基承載力、土體壓縮模量的目的。強(qiáng)夯法由于具有高效率、設(shè)備簡(jiǎn)單和低成本的優(yōu)勢(shì)，在地基加固處理工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，由于地基的錘擊加固質(zhì)量受到地形條件、夯擊能量等各方面的影響，在修建上部建筑物之前正確評(píng)估地基加固質(zhì)量顯得尤為重要。

1 強(qiáng)夯地基質(zhì)量評(píng)估方法及其適用性分析

為了更直接地了解強(qiáng)夯地基的加固效果，需要對(duì)地基采取不同的檢測(cè)手段以評(píng)估其是否能夠滿足上部建筑物的承載要求。目前，能夠監(jiān)測(cè)、檢測(cè)強(qiáng)夯地基加固質(zhì)量的可靠方法主要集中在兩個(gè)方面，分別為室內(nèi)試驗(yàn)法、原位測(cè)試法。

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)法檢測(cè)加固質(zhì)量效果

在室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)強(qiáng)夯地基的加固效果時(shí)，主要是通過(guò)對(duì)強(qiáng)夯前后的地基土進(jìn)行取樣、試驗(yàn)，測(cè)定其物理力學(xué)參數(shù)，比如黏聚力、內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，以及密度、含水量等物理指標(biāo)，觀測(cè)強(qiáng)夯前后參數(shù)的變化，以評(píng)估地基加固的質(zhì)量提升效果。目前針對(duì)強(qiáng)夯質(zhì)量的評(píng)估的試驗(yàn)方法中，可以通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，觀測(cè)土體在動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程，或者在室內(nèi)建立小比例尺的強(qiáng)夯模型，通過(guò)對(duì)土體內(nèi)部的應(yīng)力和孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)，分析強(qiáng)夯加固過(guò)程中土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律、土體顆粒的排列發(fā)展等。相對(duì)于野外原位測(cè)試技術(shù)而言，室內(nèi)試驗(yàn)可以很好地對(duì)測(cè)試土樣進(jìn)行試驗(yàn)邊界條件控制，同時(shí)能夠保證對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全方位的參數(shù)測(cè)量，但是也存在一定的局限性，即在土樣的獲取與制備過(guò)程中不可避免地對(duì)土體造成擾動(dòng)，使得土體原本加固形成的加固結(jié)構(gòu)、加固強(qiáng)度受到損傷，進(jìn)而影響測(cè)試精度。

1.2 原位測(cè)試法檢測(cè)加固質(zhì)量效果

在原位測(cè)試法中，目前檢測(cè)地基強(qiáng)夯加固質(zhì)量的方法較多，主要為十字板剪切法、平板載荷試驗(yàn)法、靜力觸探法和瑞雷面波法。

十字板剪切法是通過(guò)將帶有十字葉片的探頭貫入土層中，施加均勻旋轉(zhuǎn)的扭矩直到土體破壞，測(cè)試其土層的天然不排水抗剪強(qiáng)度，并對(duì)破壞后的土層進(jìn)行進(jìn)一步的重塑擾動(dòng)，測(cè)試其重塑樣不排水抗剪強(qiáng)度，由此可以計(jì)算出地基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和靈敏度。十字板的板厚一般為2～3 mm，板高與板寬度的比值約為2.0，刃角為60°，為保證對(duì)土體的擾動(dòng)，貫入的深度應(yīng)大于5倍的孔徑。十字板剪切試驗(yàn)的適用范圍較小，一般只適用于飽和黏土和淤泥質(zhì)土，強(qiáng)夯地基中若是含有塊石或者礫石等土層，容易將葉片扭斷，因此適應(yīng)能力較差，導(dǎo)致其測(cè)試范圍受限。

平板載荷試驗(yàn)方法是通過(guò)對(duì)一定面積的方形(一般為2.0 m2，試坑寬度大于板寬的3倍)承載板施加豎向荷載，承載板將荷載均勻地施加于地基土上，通過(guò)模擬建筑物對(duì)地基的作用，并獲取荷載-沉降曲線，計(jì)算地基土的變形模量和極限承載力，并與強(qiáng)夯前的變形模量和極限承載力進(jìn)行對(duì)比，分析其是否滿足建筑載荷的要求。由于平板載荷試驗(yàn)需要搭設(shè)重力荷載，試驗(yàn)準(zhǔn)備和測(cè)試的時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)試的流程也較復(fù)雜，需要耗費(fèi)較多的人力物力，因此其在強(qiáng)夯地基加固檢測(cè)中應(yīng)用時(shí)逐步被其他原位測(cè)試方法替代。

靜力觸探方法是借助貫入設(shè)備將靜力觸探探頭貫入土層中，通過(guò)記錄土層的力學(xué)行為參數(shù)來(lái)反映土層加固前后的變化，主要的參數(shù)有錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力，以這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)可以計(jì)算出地基土的模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、靜止側(cè)壓力系數(shù)和基床系數(shù)等。靜力觸探由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，同時(shí)具有勘探和測(cè)試的功能，在測(cè)試時(shí)具有自動(dòng)化，不受數(shù)據(jù)采集人員操作水平的限制，可以采集近乎連續(xù)的測(cè)試數(shù)據(jù)剖面，同時(shí)具有成熟的理論，可適用于包括軟土、黏土、粉質(zhì)黏土和砂土在內(nèi)的各類土層。典型的靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 側(cè)摩阻力測(cè)試成果

瑞雷面波法是一種無(wú)損的測(cè)試方法，也是地球物理學(xué)中發(fā)展較新、研究較熱門的方法，它是通過(guò)在地表激發(fā)人工地震波振動(dòng)，地震波會(huì)在空氣與土體的界面產(chǎn)生面波，它是剪切波與壓縮波在地表的一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，面波的速度比剪切波慢，土體的顆粒呈現(xiàn)橢圓形的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，面波在不同深度的地層中進(jìn)行傳播，遇到密實(shí)度不同的土層介質(zhì)時(shí)發(fā)生頻散現(xiàn)象，其檢測(cè)的本質(zhì)還是利用土層的波阻抗差異。由于面波的速度直接反映出土體的密實(shí)度，也直接與土體的承載力相互對(duì)應(yīng)，建立面波速度與地基承載力的相互關(guān)系，由此可以比較強(qiáng)夯前后的地基處理效果。瑞雷面波的探測(cè)的時(shí)間短、重復(fù)性好，而且有專業(yè)的設(shè)備和處理軟件，可以大范圍地進(jìn)行強(qiáng)夯地基質(zhì)量的檢測(cè)和評(píng)估。

2 瑞雷面波法檢測(cè)地基加固質(zhì)量的基本原理

瑞雷面波分為穩(wěn)態(tài)瑞雷面波和瞬態(tài)瑞雷面波，前者主要是在頻率域進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，而后者則是在時(shí)間域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。穩(wěn)態(tài)瑞雷面波受激振方式的影響，其設(shè)備較為笨重，因此數(shù)據(jù)采集的效率較低；瞬態(tài)法則具有較快的測(cè)試速度，在地基加固檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛。瑞雷面波法檢測(cè)強(qiáng)夯加固質(zhì)量時(shí)，按照一定的測(cè)試斷面布置測(cè)線，在測(cè)線上布置地震波排列，排列由震源和面波檢波器組成，震源由人工敲擊枕木產(chǎn)生，震源與第一個(gè)檢波器之間的距離為偏移距，各個(gè)檢波器之間的距離為道間距，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)檢波器之間采集的面波到達(dá)時(shí)間，即可以計(jì)算出面波的速度。

如圖2所示，當(dāng)?shù)卣鸩ぐl(fā)后，面波在地表層中傳播，并被檢波器電子元件檢測(cè)到，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)引發(fā)電壓波動(dòng)，將面波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸?shù)诫娔X數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)而被采集，在隨后的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和分析中，可以對(duì)面波信號(hào)進(jìn)行濾波、數(shù)學(xué)計(jì)算等信號(hào)分析，并計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差和相位差，得到土層的頻散曲線和面波速度。

圖2 瑞雷面波的現(xiàn)場(chǎng)采集原理圖

在地震波排列中，任意取2個(gè)檢波器的信號(hào)進(jìn)行分析，它們?cè)跁r(shí)間域的信號(hào)分用X1(t)和X2(t)表示，分別對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到以下公式：

(1)

(2)

由此從公式(2)中可知兩面波信號(hào)的相位差，

Δφ=φ1-Φ2=wt0=2πft0

(3)

對(duì)于兩種地層中的瑞雷面波速度的計(jì)算，假設(shè)上層土的瑞雷面波平均速度為Cn-1，深度為Hn-1，下層土的瑞雷面波平均速度為Cn，深度為Hn，由此可得剪切波的波速為：

(4)

3 強(qiáng)夯法地基加固的質(zhì)量評(píng)估對(duì)比分析

結(jié)合北京市某建筑工程地基加固為例，研究區(qū)域分為A地塊和B地塊，分別對(duì)兩個(gè)地塊進(jìn)行強(qiáng)夯法施工，并在強(qiáng)夯施工前后采用瑞雷面波法進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，分析地基的強(qiáng)夯效果。測(cè)試采用的GEOPEN地震儀，可以采集36道面波數(shù)據(jù)，采用的檢波器由重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)，其固有振動(dòng)頻率為4 Hz，為了測(cè)試更大的深度，將偏移距設(shè)置為10 m，道間距設(shè)置為1.5 m。地震面波的激發(fā)采用10磅大錘敲擊地表的橡膠鐵板產(chǎn)生，為提高數(shù)據(jù)的信噪比，在同一個(gè)激發(fā)點(diǎn)同時(shí)敲擊約4次，多次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行面波信號(hào)疊加。

典型的場(chǎng)區(qū)采集瑞雷面波時(shí)域波形圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，瑞雷面波36道之間的波形清晰，初至?xí)r間可以讀取容易，振幅明朗，可以容易對(duì)波組進(jìn)行追蹤，道與道之間的能量均衡，沒有明顯壞道或者缺道，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量?jī)?yōu)良，為瑞雷面波的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解譯提供了良好的基礎(chǔ)。

圖3 工程場(chǎng)區(qū)地基強(qiáng)夯加固后采集瑞雷面波時(shí)域波形圖

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)采集了不少于80個(gè)瑞雷面波的原始數(shù)據(jù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量均較高，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域均抽取3個(gè)典型的測(cè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)處強(qiáng)夯加固前后的瑞雷面波時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，并進(jìn)行頻散曲線的拾取，對(duì)瑞雷面波的波速、地基承載力和變形模量進(jìn)行解譯，結(jié)果見表1、表2。

表1 地基強(qiáng)夯加固前瑞雷面波測(cè)試成果

從表1中可以看出，在A區(qū)域，深度0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度較小，變化范圍為143～170 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為103～135 kPa，變形模量變化范圍為7.3～9.1 MPa；深度3.0～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度與0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為157～185 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為112～156 kPa，變形模量變化范圍為8.3～9.9 MPa。

表2 地基強(qiáng)夯加固后瑞雷面波測(cè)試成果

在B區(qū)域，深度0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度與A區(qū)域0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為130～170 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為89～130 kPa，變形模量變化范圍為6.9～9.0 MPa；深度3.0～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度與A區(qū)域3.0～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為143～180 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為102～156 kPa，變形模量變化范圍為7.1～9.4 MPa。

綜合分析表明，無(wú)論是在A區(qū)域還是在B區(qū)域，6.0 m深度范圍內(nèi)的地基承載力均較小，不能滿足設(shè)計(jì)要求中地基承載力大于350 kPa的要求。

從表2中可以看出，在A區(qū)域，深度0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度相比于地基強(qiáng)夯加固前提升顯著，增幅近50%，變化范圍為243～255 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為390～440 kPa，變形模量變化范圍為30.0～36.0 MPa；深度3.0 m～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度與0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為265～275 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為480～508 kPa，變形模量變化范圍為38.5～42.8 MPa。

在B區(qū)域，深度0.0～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度與A區(qū)域0.0 ～3.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為265～276 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為465～530 kPa，變形模量變化范圍為36.0～41.3 MPa；深度3.0～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度與A區(qū)域3.0～6.0 m地層的瑞雷面波平均速度相近，變化范圍為245～292 m/s，相應(yīng)的地基承載力特征值范圍為390～550 kPa，變形模量變化范圍為33.0～45.3 MPa。

綜合分析表明，無(wú)論是在A區(qū)域還是B區(qū)域，6.0 m深度范圍內(nèi)的地基承載力均明顯提高，地基承載力大小分布均勻，表明強(qiáng)夯地基加固的效果明顯，地基強(qiáng)度得到明顯提升，地基變形模量與強(qiáng)夯加固前增幅明顯，地基土質(zhì)均勻，滿足設(shè)計(jì)要求中地基承載力大于350 kPa的要求。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有的強(qiáng)夯地基質(zhì)量評(píng)估方法中，瑞雷面波法具有快速檢測(cè)、成本較低、無(wú)損且環(huán)境友好等特點(diǎn)，應(yīng)用于強(qiáng)夯地基質(zhì)量評(píng)估具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，在分析目前常用的強(qiáng)夯地基質(zhì)量評(píng)估方法及其適用性的基礎(chǔ)上，研究瑞雷面波的檢測(cè)強(qiáng)夯地基加固質(zhì)量的基本原理，并分析了與波速測(cè)試方法的對(duì)比結(jié)果。研究結(jié)果表明，強(qiáng)夯地基加固前后，瑞雷面波波速、地基土的地基承載力、變形模量得到顯著提升，通過(guò)對(duì)比強(qiáng)夯前后瑞雷面波波速及可以分析地基土的加固效果、加固深度，達(dá)到快速經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)地基加固質(zhì)量。