面波檢測(cè)技術(shù)在地基加固效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

梁鴻軍 蘇東濤

(1.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 南寧 530023;2.廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 前言

瑞雷面波勘探技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,在巖土工程勘察中得到了廣泛的應(yīng)用,原因在于工程勘察中傳統(tǒng)的原位測(cè)試需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行鉆孔,耗時(shí)多且成本高。瑞雷面波勘探能較為快速地對(duì)場(chǎng)地進(jìn)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(cè)試方法,瑞雷面波法大量應(yīng)用于地基處理 (尤其是地基加固處理)效果的檢測(cè)、評(píng)價(jià)中。

1.1 面波檢測(cè)原理

面波法是一種利用瑞雷波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行工程質(zhì)量檢測(cè)及工程地質(zhì)勘察的地球物理勘探方法。

在自由界面 (如地面)上進(jìn)行豎向激振時(shí),會(huì)在其表面附近產(chǎn)生瑞雷波。瑞雷波的主要特征為:在分層介質(zhì)中,瑞雷波具有頻散特性;瑞雷波的波長(zhǎng)不同,所能穿過(guò)的深度也不同;瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

研究證明,瑞雷波能量約占整個(gè)地震波能量的67%,且主要集中在地表下—個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi),而傳播速度代表著半個(gè)波長(zhǎng)(λY/2)范圍內(nèi)介質(zhì)震動(dòng)的平均傳播速度。因此一般認(rèn)為瑞雷波法的測(cè)試深度為半個(gè)波長(zhǎng),而波長(zhǎng)與速率及頻度有如下關(guān)系。

設(shè)瑞雷波的傳播速度為Vr,頻率為 f K,則波長(zhǎng)=Vr/f K。當(dāng)傳播速度不變時(shí),頻率越低,測(cè)試深度就越大。

1.2 面波速度與橫波速度的關(guān)系

面波速度與介質(zhì)的密度和力學(xué)性質(zhì)有關(guān),而波速是反映介質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)。由介質(zhì)的彈性模量和泊松比之間的關(guān)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(guān)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(duì)此式求解,得到面波波速與橫波波速近似的關(guān)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(zhì)的密度及其彈性力學(xué)參數(shù)。

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(zhì)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(xué)性質(zhì)的變化。因此,可直接用測(cè)量面波速度的方法檢測(cè)強(qiáng)夯或灌漿效果。

2 應(yīng)用實(shí)例

亞江變電站10k V配電室即將建成投產(chǎn)。該配電室位于高填土區(qū) (填土厚度3m～13m),近期發(fā)現(xiàn)地面沉降、電纜溝A和B處開(kāi)裂等病害,最大沉降達(dá)50mm。為加固地基軟弱土體,防止配電室地面和電纜溝繼續(xù)產(chǎn)生不均勻沉降,某化學(xué)灌漿有限責(zé)任公司采用 “DCG工法”在配電室電纜溝底進(jìn)行化學(xué)灌漿處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,在灌漿時(shí)盡可能抬升下沉部位,減少沉降差,恢復(fù)其正常使用功能。為了不破壞已建成的配電室場(chǎng)地,宜采用面波法對(duì)化學(xué)灌漿加固效果進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 地質(zhì)簡(jiǎn)況及地球物理?xiàng)l件

10k V配電室位于場(chǎng)地西側(cè)斜坡上,地面高程22.0m～33.0m。場(chǎng)地平整后,該地段全部為開(kāi)挖區(qū),開(kāi)挖厚度0.0m～7.6m,開(kāi)挖區(qū)內(nèi)出露的地層主要為全～強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、砂巖。檢測(cè)區(qū)上部地層以填土層為主,部分為粘土層;下部地層為頁(yè)巖、砂巖。

配電室處在新近填土區(qū)上,固結(jié)度低,壓縮性高,易產(chǎn)生不均勻沉降,面波速度較低。與灌漿前夯實(shí)的地基土相比,經(jīng)過(guò)灌漿加固后的地基土的介質(zhì)密度和力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生了較大變化,面波速度較高?？捎妹娌ㄋ俣鹊淖兓瘉?lái)反映地基土體的灌漿加固效果。

2.2 工作方法

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集采用縱排列接收瑞雷面波,首先做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),根據(jù)場(chǎng)地情況,選擇合適的工作參數(shù),如偏移距、道間距、記錄長(zhǎng)度、采集間隔等。本次作業(yè)僅在灌漿段內(nèi)選擇部分點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)儀器采用SWS-3型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測(cè)儀。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的主要技術(shù)指標(biāo)為:4Hz檢波器,24P鐵錘作為激發(fā)震源,12道接收,偏移距5m,道間距1m,采樣間隔0.20ms,記錄長(zhǎng)度1024ms,通頻帶寬0～4000HZ。

2.3 資料處理

多道瞬態(tài)面波資料處理:一般分為兩階段,一是野外處理,即在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所采集的記錄進(jìn)行預(yù)處理(檢查物探資料是否達(dá)到勘察精度),如發(fā)現(xiàn)物探資料不滿足勘察要求,應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè),保證現(xiàn)場(chǎng)資料的質(zhì)量。二是對(duì)所采集的資料進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理、解釋。在此主要介紹內(nèi)業(yè)整理、解釋,其主要步驟可歸納如下。

①對(duì)原始資料進(jìn)行整理、核對(duì)、編錄;②通過(guò)專用軟件分析縱波與面波以及基階面波的時(shí)空域分布特征;③根據(jù)基階面波在時(shí)間～空間域中的分布特征確定面波時(shí)間～空間窗口;④根據(jù)時(shí)間～空間窗口,在頻率～波數(shù)域內(nèi)提取面波;⑤對(duì)面波進(jìn)行頻散分析,形成頻散曲線;⑥根據(jù)頻散曲線進(jìn)行分層和各層速度計(jì)算并做出定性解釋;⑦在定性解釋的基礎(chǔ)上,進(jìn)行定量解釋,確定各層的厚度,計(jì)算各層的剪切波傳播速度,并對(duì)獲得結(jié)果進(jìn)行反演擬合處理。

2.4 面波點(diǎn)灌前與灌后波速對(duì)比分析

根據(jù)場(chǎng)地地形特征和地基土的地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)了 15個(gè)面波勘探點(diǎn):其中 W1、W6、W11、W12、W13、W14、W15為灌漿前面波點(diǎn)編號(hào),W2、W3、W4、W5、W7、W8、W9、W10為灌漿后面波點(diǎn)編號(hào)。

根據(jù)面波點(diǎn)波速分層結(jié)果,可確定各組的地基土層厚度,由于灌漿僅限于地基土,對(duì)比分析過(guò)程中,只提取灌后面波點(diǎn)地基土層的波速與灌前的波速進(jìn)行對(duì)比。

圖1 灌前面波點(diǎn)H-Vr曲線一致性曲線圖

對(duì)灌漿前面波點(diǎn)地基土層進(jìn)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(tài)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(tài)基本一致,深部差異較大,說(shuō)明基巖風(fēng)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(jiàn),配電室場(chǎng)地內(nèi)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(lái)對(duì)地基土體的灌漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)灌漿后面波點(diǎn)地基土層進(jìn)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(yōu)的面波點(diǎn)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(diǎn)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(jiàn),從波速分布頻度圖可區(qū)分灌漿效果優(yōu)、劣點(diǎn)。顯然,W2、W5號(hào)點(diǎn)的灌漿效果不如其它點(diǎn)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),地基土經(jīng)化學(xué)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(diǎn)灌后面波波速提高率總體平均值為132%;對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(xué)性質(zhì)得到了明顯改善。

圖2 灌后面波點(diǎn)H-Vr曲線波速分布頻度圖

對(duì)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(diǎn):

1)灌漿段內(nèi)面波點(diǎn)相應(yīng)深度段波速值均比未灌漿段的高,說(shuō)明灌漿效果較明顯;

2)灌漿段內(nèi)面波點(diǎn)波速值均隨深度增加而明顯變大,而未灌漿段面波點(diǎn)波速值隨深度增加變化不大,說(shuō)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(nèi)面波點(diǎn)淺部波速值明顯比深部小,說(shuō)明漿液主要集中在灌漿段的深部;

4)同電纜溝A的面波點(diǎn)波速值相比,電纜溝B的面波點(diǎn)總體波速值略高,說(shuō)明電纜溝B灌漿效果優(yōu)于電纜溝A,電纜溝A灌漿段內(nèi)W2、W5號(hào)面波點(diǎn)的波速值偏小。

2.5 灌漿前、后土層剪切 (橫)波速分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,填土層較薄處,部分點(diǎn)的剪切波速VS＞250m/s,如W1和W11號(hào)點(diǎn)處,根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)表4.1.3可知,兩點(diǎn)處的填土屬中硬土;W6號(hào)點(diǎn)處的剪切波速VS∈(140,250]m/s,該點(diǎn)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(nèi)的場(chǎng)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(diǎn)的剪切波速VS∈ (140,250]/m/s,對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

灌漿后波速點(diǎn)共有29個(gè),其中3個(gè)點(diǎn)的剪切波速小于250m/s,大于250m/s的點(diǎn)占90%。其中,填土層厚度0～3.0m的檢測(cè)段灌漿后剪切波速大于250m/s的點(diǎn)占75%,填土層厚度3.0m～12.0m的檢測(cè)段灌漿后波速大于250m/s點(diǎn)占95%。顯然,填土層深部灌漿效果明顯優(yōu)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(cè)段內(nèi)地基土體的剪切波速值VS＞250m/s,屬中硬土。通過(guò)對(duì)地基土體進(jìn)行化學(xué)灌漿處理,可使土的類型發(fā)生改變,灌漿效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

面波勘探是巖土工程勘察中一種有效的技術(shù)手段。在土層波速測(cè)試、場(chǎng)地類別劃分、土層劃分、不良地質(zhì)體的探查等方面,面波勘探具有快速、靈活、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),地質(zhì)分層的準(zhǔn)確度較高。

利用面波法進(jìn)行地基土加固效果檢測(cè),可縮短檢測(cè)周期,不破壞場(chǎng)地,便于連續(xù)、大面積地檢測(cè)。這種勘探方法還可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督,對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行全程監(jiān)控。

在勘探時(shí),應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞑贾煤蛥?shù)采集方法,選擇合適的儀器設(shè)備,并注意避開(kāi)地面振動(dòng)干擾,這樣才能得到較準(zhǔn)確的頻散曲線。

1 楊成林.瑞利波勘探.地質(zhì)出版社,[M].1993年.

2 肖柏勛.我國(guó)瑞利波勘探方法研究現(xiàn)狀分析[J].2000年.

3 程志平,單娜琳.瑞雷面波法評(píng)價(jià)公路路基質(zhì)量[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),1997年.