瞬態瑞利波法在檢驗地基加固效果中的應用研究

費 晗，李志俊，蔡德鉤

(1.中鐵七局 武漢公司，武昌 430063;2.廣深港客運專線有限責任公司，廣州 510623;3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

工程物探作為一項輕便快捷工程地質勘探手段已被國內外工程界所共識，并逐步出現了電法、彈性波法、電磁法、重力法、磁法、放射性法、聲波法、地質雷達法和多種物理測井技術等。瞬態瑞利波法(瞬態R波)是彈性波法中應用較多的一種，自從 1887年Rayleigh首次發現了瑞利波的存在并揭示了瑞利波在彈性半空間介質中的傳播特性后，瑞利波作為一種有效的物探方法和檢測手段得到迅速發展［1-2］。本文主要采用瞬態瑞利波法測試加固前后的波速變化來檢驗加固效果，分析其檢驗整體質量的效果。

1 測試原理

當在介質表面施加一瞬態激振力時，產生不同頻率的瑞利波，利用測試得到的瑞利波波速與頻率曲線轉換為瑞利波波速與深度曲線，該曲線的變化規律反映了該點介質隨深度變化的規律，拐點、突變點等特征點反映了地層的地質力學特性。

瑞利波法工作原理主要是以下三條［3］:瑞利波的傳播速度與土層介質的物理力學性質密切相關;在分層介質中，瑞利波具有頻散特性;瑞利波在傳播過程中波長不同，穿透深度也不同。

2 軟土地基處理效果評價

某地基處理試驗段，地基屬第四系全新統沖湖積層，表層為黏土，軟～硬塑，層厚0.76～3.60 m;其下為淤泥質粉質黏土，流塑，含少量腐植物，局部夾有薄層粉砂，具高壓縮性、低強度、高觸變性的特點，厚3.2～16.5 m;下臥層為黏土、粉土及粉質黏土，軟～硬塑。試驗段主要由黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土及粉砂等組成。其中淤泥質粉質黏土的含水量和孔隙比平均值達到44.4%和1.23，屬于典型軟土。地基處理措施如表1所示。

表1 軟土地基處理措施

2.1 漿噴樁處理

漿噴樁處理K0+042和K0+115斷面測試結果如圖1所示。結果表明，R波波速對軟基經過漿噴樁處理和路基填筑影響的改善程度反應相當靈敏。三次測試結果變化明顯，R波頻散曲線均出現較大幅度的平移，路基填筑后5個月平移幅度仍然較大。路基填筑后5個月，漿噴樁處理斷面原地面下深10 m瑞利波平均波速分別從原來的107.2 m/s和108.0 m/s提高至 142.4 m/s和 146.2 m/s。

漿噴樁處理軟基在高壓噴漿破壞、壓密土體同時，產生了大量水泥水化的結晶物，形成了包裹著土顆粒的水泥—土結構，地基土體變密，成分發生變化，土體強度改善，致使彈性波傳播速度明顯加快。水泥—土結構的強度隨時間持續增長，硬化過程繼續耗用土中水，并隨著路基填筑導致地基土附加應力的部分增長發生固結，因而地基土性隨著時間繼續改善，彈性波速度繼續提高。

圖1 處理斷面R波頻散曲線

2.2 粉噴樁處理

粉噴樁處理K0+200斷面測試結果如圖2所示。地基處理后2個月和路基填筑后5個月波速增幅較大。路基填筑后5個月，原地面下深10 m瑞利波平均波速從原來的112.2 m/s提高至174.8 m/s。水泥粉噴樁是以粉體水泥作固化劑，經強制攪拌發生一系列水解、水化、凝硬等反應，消耗大量土中水同時，水泥水化物的膠結作用使水泥和軟土形成水泥土，形成承載力高、沉降量小的水泥土樁復合地基。與漿噴樁不同之處在于，粉體水泥的水化硬化反應耗用的土中水將會更多，粉噴樁處理后2個月，瑞利波波速迅速增長，同漿噴樁處理地基情況相同，路基填筑完后5個月，波速仍有較大幅度的增長。

圖2 K0+200粉噴樁處理斷面R波頻散曲線

3 濕陷性黃土地基處理

新建客運專線濕陷性黃土地基處理試驗段，自重濕陷性黃土厚度較大(20 m以上)，0～23 m深度范圍內，地層主要為砂質黃土、細砂、粉質黏土，自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為IV級(很嚴重)。場地長180 m，地基處理分柱錘沖擴樁(DDC樁)、擠密樁和強夯三種類型，各類型試驗段長度40 m，不同類型間設10 m寬的過渡段。路堤高度5 m，堆載預壓土3 m，見表2。

表2 濕陷性黃土地基處理措施

三個測試斷面典型的瑞利波頻散曲線見圖3，地基處理前波速較為一致，經過三種方案處理后波速提高的幅度有較大差別。在處理深度范圍內波速變化由大到小分別是柱錘沖擴樁區、擠密樁區和強夯區，波速得到了較大提高。變化幅度從大到小依次為柱錘沖擴樁、擠密樁和強夯，在處理深度范圍內平均變化為126.5 m/s，50.0 m/s，13.9 m/s。

4 既有線過渡段路基加固

既有線路橋過渡段存在豎向剛度突變和道砟槽等問題，對路橋過渡段路基狀況的檢測和加固是既有線提速改造的重要內容。既有線路路基在運營的條件下，因為場地和時間的限制，對于路基面的承載力及質量狀況等指標直接采用常規方法較難全面測試，且一般的物探方法無法給出路基的力學指標。試驗結果表明，直接在道砟上采用多道瞬態瑞利波法測試路基的頻散特性，得出路基的力學參數分布，為既有線路橋過渡段路基的檢測評估提供一種較為有效的方法。

膠濟線白沙河橋和K165+083框構橋過渡段路基分別采用注漿和水泥土擠密樁方法進行加固，測試結果如圖4和圖5所示。加固后一周、加固后4個月波速均有不同程度的提高，通過連續測試，獲得了過渡段路基的面波波速等值線圖，如圖6所示，可直觀反應加固區均勻性。

圖3 濕陷性黃土地基處理前后瑞利波典型頻散曲線

圖4 白沙河橋過渡段頻散曲線

圖5 K165+083框構橋過渡段頻散曲線

圖6 框構橋過渡段面波波速等值線圖

瑞利波速度與地基土的容許承載力和壓縮模量之間具有較好的相關關系［4］，在現場試驗過程中對輕型動力觸探測試的擊數N10與瑞利波波速進行了統計，如圖7所示，相關性較好。根據該關系，可對該線路相同填料路基進行力學評估。

5 結論

對軟土地基處理、濕陷性黃土地基處理和既有線路橋過渡段路基加固前后的瞬態瑞利波波速測試表明，瞬態瑞利波法是一種較為有效的物探無損檢測方法，可實現加固效果的整體質量檢測評估，具有快速、經濟、有效等特點。

［1］方謙光，李志華.利用瑞利波進行鐵路路基穩定性檢測的理論基礎及應用［J］.鐵道學報，1999，21(4):55-59.

［2］李杰生，錢春宇，廖紅建.多道瞬態面波法在鐵路路基測試中的應用［J］.巖土力學，2003(S2):611-615.

［3］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地質出版社，1993.

［4］張寶山，胡景坤.應用瑞利波檢驗評價碎石樁復合地基［C］//中國建筑學會地基基礎學術委員會年會論文集，1990:378-383.