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(shè)計院，四川成都610041；2.四川中奧建設(shè)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(shè)計院，四川成都610041；2.四川中奧建設(shè)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(shù)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(zhì)量（包括溶洞、漏斗、落水洞、軟基置換等地基處理質(zhì)量和填筑體壓實質(zhì)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(jié)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(shù)作為一種新型的淺層工程物探手段，目前已經(jīng)在許多領(lǐng)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(shù)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(shè)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(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(zhì)灰?guī)r，局部為鮞狀灰?guī)r、巖溶角礫灰?guī)r，具縫合線構(gòu)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(shù)理論基礎(chǔ)

瑞雷波檢測技術(shù)主要利用其2種特性：一是在分層介質(zhì)中瑞雷面波的頻散特性；二是瑞雷面波傳播速度與介質(zhì)密度的相關(guān)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(guān)關(guān)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(guān)系表達式及瑞雷波與一般體波（壓縮波Vs及剪切波Vp）間關(guān)系的理論表達式。彈性體波波速與材料力學參數(shù)間的關(guān)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(guān)系，如式（3）所示。

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

在層狀介質(zhì)中瑞雷波與彈性體波之間的關(guān)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(shù)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(shè)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(zhì)量指標，并對波速測試進行驗證。

（4）檢測結(jié)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(guān)關(guān)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(zhì)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(jié)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(guān)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(shè)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(jié)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(shè)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(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果基本都達到設(shè)計要求。說明運用瑞雷波法開展粗巨粒土地基處理、填筑質(zhì)量檢測是客觀、科學、可行的。

現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是分析巖溶山區(qū)粗巨粒土波速與密實度的關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)固體體積率越大則承載力越高。相關(guān)性對比分析可知多項式關(guān)系相關(guān)性最好，見式（5）。

圖4　固體體積率—地基承載力關(guān)系曲線

7.3波速與固體體積率、地基承載力關(guān)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(guān)關(guān)系，見圖5、圖6。存在這種關(guān)系的理論基礎(chǔ)在于，波在無限介質(zhì)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(zhì)的特性有密切的關(guān)系，其中包括了介質(zhì)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(guān)。

圖5　波速—固體體積率關(guān)系曲線

圖6　地基承載力—固體體積率關(guān)系曲線

當土的組成不變時，土的壓實過程實際上是土側(cè)限應力增加的過程，側(cè)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(guān)系，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲取了三者的關(guān)系式，具體見表4。

表4　固體體積率、地基承載力、波速關(guān)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(guān)系是一種近似的多項式關(guān)系，有著相對較好的相關(guān)性。但這種關(guān)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(zhì)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(guān)系曲線，然后根據(jù)現(xiàn)場檢測的波速數(shù)據(jù)，由關(guān)系曲線和關(guān)系式推算出其他壓實質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)果不可作為結(jié)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(guān)系式相關(guān)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。

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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(shè)計與研究工作。