碳酸鹽巖塊石填方地基處理質(zhì)量檢測對比研究

孫秀東，楊振杰，沈志平，付君宜

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴陽 550012）

1 引言

我國西部碳酸鹽巖分布廣泛， 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)， 在西部山區(qū)碳酸鹽巖塊石填方地基上的建設(shè)工程越來越多。 強夯法作為一種有效的地基處理加固手段廣泛應(yīng)用于此類項目， 進(jìn)而對碳酸鹽巖塊石填方地基強夯處理質(zhì)量檢測方法的研究將會更受關(guān)注[1]。

2 碳酸鹽巖塊石填方地基檢測方法

目前，常規(guī)的檢測手段多用于淺層碎石填方地基，如平板載荷試驗用于測試地基承載力及變形模量， 動力觸探試驗用于測試地基土密實度及均勻性[2]。但對碳酸鹽巖塊石填方地基的密實度、承載力測試及強夯加固效果的評價，載荷試驗、動力觸探試驗因自身檢測方法的要求及特點， 在實際應(yīng)用中具有局限性及操作困難性，耗時費力。 與此相比，瞬態(tài)瑞利波檢測，可以利用瑞利波在地基土層中的彌散特性，逐層反分析出地基土的工程特性，是一種快速、無損、經(jīng)濟的檢測方法[3]。

3 瑞利波檢測的工作原理及方法

3.1 基本原理

面波勘探也稱彈性波頻率測深， 是國內(nèi)外近年來發(fā)展起來的一種新興淺層地震巖土工程勘探方法。 而瑞利波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易測量，因此面波勘探通常指的是瑞利波勘探。

瑞利波是一種特殊的地震波，其低頻、低速、能量強和頻散特性，與地震勘探中常用的P 波和S 波不同，它是一種地滾波。 瑞利波沿地表傳播，波陣面為圓柱體，質(zhì)點振動的軌跡為橢圓，質(zhì)點振動的振幅隨深度增加而衰減。 理論計算表明，當(dāng)深度超過1 個波長λR時，振幅趨于零。 一般認(rèn)為波的影響深度不超過1 個λR， 即某一頻率的瑞利波傳播特征反映了1 個λR深度范圍內(nèi)的地層變化情況，不同λR的瑞利波特征則反映了不同深度內(nèi)的地層情況。

彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，瑞利波是由SV 波與P 波干涉形成， 且瑞利波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2（r 表示距震源距離）成正比，比體波的衰減要慢很多。 相對速度VR與橫波速度Vs 具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為VR=VS×（0.87+1.12υ）/（1+υ），υ 為泊松比，此關(guān)系奠定了瑞利波在測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用[4]。

由以上特性可知，通過測定不同頻率的瑞利波速度VR，就可方便地了解地層的構(gòu)成并計算相應(yīng)地層的物理力學(xué)參數(shù)，為工程設(shè)計提供資料。

3.2 測試方法

本次檢測采用瞬態(tài)法激振方式， 其激振器激發(fā)的是一定頻率范圍內(nèi)瑞利波的疊加波， 測得的信號為這疊加波的綜合信息，經(jīng)過頻譜分析、相位譜分析等將頻率和信號分離成各個單頻及與其相應(yīng)的波速， 進(jìn)而求出在一定頻率范圍內(nèi)的頻散曲線[5]。如圖1 所示，人工錘擊來激發(fā)瑞利波，以一定的道間距x 設(shè)置N 個檢波器， 距它一定遠(yuǎn)處的檢波器所接收的基本上是瑞利波的豎向分量信號A（t）。

圖1 瑞利波測試原理圖

信號的傅里葉變換為：

相應(yīng)的自功率譜定義為：

式中，S（f）、S*（f）為共軛復(fù)數(shù)。

信號1 和信號2 的互功率譜為：

C（f）是復(fù)數(shù)，其相位代表兩信號由于在波傳播過程中的時間滯后所產(chǎn)生的相位差Δφ。 因此，波在檢波器間傳播所需時間Δt 為：

相鄰兩檢波器距離為x，則與f 相應(yīng)的瑞利波速度為：

4 工程實例

貴州三江項目位于貴陽市烏當(dāng)區(qū)，西側(cè)鄰北京東路，東側(cè)鄰貴陽繞城高速，整個項目用地面積約156.87 hm2，主要內(nèi)容包含“七通一平”。 填方面積約74.6 hm2，填方最大深度約30 m，平均回填深度約12 m。場平工程回填區(qū)采用強夯加固施工，原地面清表之后進(jìn)行土石混合填筑（土石比為2∶8～0.5∶9.5）。在項目范圍內(nèi)劃定10 000 m2試驗區(qū)進(jìn)行填方地基處理質(zhì)量檢測對比研究。

4.1 常規(guī)檢測試驗結(jié)果統(tǒng)計

4.1.1 平板載荷試驗

試驗采用壓重平臺反力裝置，采用相對穩(wěn)定法，總加載量1 200 kN，分8 級加載，卸載4 級。 依據(jù)各等級加載量（p）觀測的沉降量（s）繪制p-s 曲線，確定地基承載力。 按2 倍分級加載值，觀測地基的回彈量。 平板載荷試驗平板載荷試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表1 所示。

表1 平板載荷試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由圖2 可知，加荷至300 kPa 時沉降3.63 mm，加荷至最大荷載600 kPa 時沉降7.11 mm，未出現(xiàn)陡降破壞，按相對變形確定承載力實測值為s/b=0.01 對應(yīng)荷載值（b 為板寬），且承載力值不超過600 kPa 的一半，則確定該點地基土承載力實測值≥300 kPa。 本次試驗選用承壓板邊長為1.415 m、面積為2 m2方板，經(jīng)計算地基變形模量E0=98.08 MPa。

圖2 平板載荷試驗p-s 曲線圖

4.1.2 動力觸探試驗

試驗采用DJ0034 超重型動力觸探儀， 落錘質(zhì)量120 kg，落距100 cm， 動阻力以探頭每貫入地層10 cm 時的實測錘擊數(shù)經(jīng)過校正后得到的錘擊數(shù)如表2 所示。 圖3 為動力觸探試驗錘擊數(shù)與貫入深度關(guān)系曲線圖。

表2 動力觸探試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 動力觸探試驗錘擊數(shù)與貫入深度關(guān)系曲線圖

4.2 瑞利波檢測試驗結(jié)果統(tǒng)計

采用SWSview 瑞利波處理軟件從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)中提取頻散曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)各測點頻散曲線數(shù)據(jù)顯示的最大有效測試深度將成果圖深度設(shè)置為10 m。 繪制的各測點的頻散曲線圖以及由各測點合成的瑞利波波速剖面圖結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 各測點瑞利波波速頻散曲線圖

圖5 各測點組成測線瑞利波波速檢剖面圖

圖4 中各測點頻散曲線雖存在區(qū)別， 但縱向上波速特點均表現(xiàn)為先較大后變小的特點。 圖5 中測線剖面測點下方發(fā)現(xiàn)瑞利波波速較低的區(qū)域，相對剖面范圍內(nèi)其他區(qū)域而言，該低波速區(qū)域內(nèi)碎石回填土較松散，密實度較低。 測線剖面測試范圍內(nèi)淺表橫向上波速不均，橫向瑞利波波速存在差異，說明淺表橫向上加固強度存在不均。

圖5 中也顯示除了L3-5 測點表面波速相對較低外，該剖面下方3～6 m 深度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為低波速， 說明剖面下方3～6 m 的碎石土相對上下碎石土較松散，密實度較低。

4.3 各檢測結(jié)果對比分析

4.3.1 瑞利波與平板載荷試驗結(jié)果對比分析

瑞利波波速VR與地基承載力有很好的相關(guān)性，可以檢測大范圍地基加固效果。 利用瑞利波法可以有效地估算強夯地基的承載力，通過與靜載試驗的對比說明，瑞利波法估算復(fù)合地基的承載力有一定的精度。

4.3.2 瑞利波與動力觸探試驗結(jié)果對比分析

動力觸探1 號點對應(yīng)為瑞利波檢測L3-2 點，由圖3（1 號點）及圖4（L3-2 點）對比分析可得，隨著檢測深度的增加，動力觸探擊數(shù)和瑞利波波速均呈逐漸減小的趨勢； 動力觸探2號點對應(yīng)為瑞利波檢測L3-4 點，由圖3（2 號點）及圖4（L3-4點）對比分析可得，在深度范圍2～4 m 動力觸探擊數(shù)曲線和瑞利波頻散曲線均存在反復(fù)波動情況， 共同揭示了該深度范圍內(nèi)地基均勻性較差，填土粒徑變化較大；動力觸探3 號點對應(yīng)為瑞利波檢測L3-6 點，由圖3（3 號點）及圖4（L3-6 點）對比分析可得， 在深度5 m 處動力觸探擊數(shù)曲線和瑞利波頻散曲線均存在突然增大的情況， 共同揭示了該位置存在粒徑較大的孤石，對整體評價地基均勻性及分析沉降規(guī)律提供佐證。

綜上分析， 瑞利波波速與動力觸探錘擊數(shù)之間存在較強的線性關(guān)系，針對碳酸鹽巖塊石填方地基，兩者關(guān)聯(lián)關(guān)系需進(jìn)一步試驗驗證。

5 結(jié)論

1）瑞利波檢測適用于碳酸鹽巖填方地基處理質(zhì)量檢測，揭示了水平方向的填方地基均勻性變化規(guī)律， 并在測線剖面方向準(zhǔn)確表達(dá)了填方地基隨深度的變化特征。

2）從填方地基檢測結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)中證實了瑞雷波速與地基承載力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 但其與變形模量之間的關(guān)系需要進(jìn)一步探索研究。

3） 瑞利波波速與動力觸探錘擊數(shù)具有較強的線性關(guān)系，二者隨深度變化關(guān)系步調(diào)一致，針對碳酸鹽巖塊石填方地基，兩者關(guān)聯(lián)關(guān)系需進(jìn)一步試驗研究。