強夯地基的面波檢測效果分析

許 岳，張長飛，劉 勇

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003)

某電廠場地位于海邊。圓形煤場所在場地為海陸交互相沉積地貌單元，表層為深厚海積淤泥，后經回填整平，填料來源為大規模的開山土石。現場地標高為2.0～8.0 m，地形起伏較小。

圓形煤場擬采用沖孔灌注樁，為提高樁基水平承載力，降低后期沉降，擬采用強夯法對填土層進行處理。為確定強夯法處理的適用性及相關的施工參數，對填土層進行了強夯試驗并檢測。

本次試夯檢測根據檢測的時間，可分為夯期檢測和夯后檢測。夯期檢測主要手段為夯坑及周圍地面的變形監測；夯后檢測主要是為了檢測試夯區處理后的效果。

根據《電力工程地基處理技術規定》有關規定要求、試夯區巖土工程條件及本次強夯的處理深度要求綜合考慮，本次針對試夯效果的夯后檢測試驗主要有：分層夯沉量觀測、大體積原位密度試驗、淺層平板載荷試驗、面波檢測。

本文將著重討論面波檢測成果與其它成果的對比，論證面波法檢測夯實填土的可行性。

1 地形地貌及地層巖性

擬建的圓形煤場處于海灣內灘涂地帶，經前期開山回填抬高、整平，現階段為平地。場址區內巖體巖性單一，殘丘出露基巖為燕山期第三次侵入巖肉紅色鉀長花崗巖。

根據巖土工程勘察報告，試夯場地內地基土層分布由上至下一般為：

①拋石(回填土)：拋石主要為爆破開山整平場地所填，回填土骨架顆粒主要由中—微風化花崗巖組成，少量為輝綠巖，粒徑200～800 mm，最大≥2000 mm，充填比例不等的黏性土、砂土，巖性、結構雜亂，場地不同部位及深度，其物質組成及密實度均有較大差異，未經嚴格碾壓、夯實，結構較松散—稍密，極不均勻，回填時間約6年，層厚4.5～7.9 m。

②淤泥：海相沉積，淤積成因，主要分布于沿蛇山東、西、北三面的灘涂和海域。灰黑色、深灰色，流塑、飽和狀態，可搓成細泥條、切面光滑，含少量有機物和貝殼。層厚11.0～19.0 m。

④泥質中粗砂：海陸交互相沉積，沖洪積—海積成因，主要分布于灘涂區和海域。褐灰—褐黃、灰黃色、深灰色，飽和、松散—稍密，主要成分為石英中粗砂，局部含少量礫石，呈透鏡狀分布。層厚0.70～11.30 m。

⑤含碎石黏性土：海陸交互相沉積，沖洪積成因。深灰—灰黃色，濕、可塑，以黏性土為主，碎石含量10%～15%，碎石呈次棱角—亞圓狀。層厚2.0～3.0 m。

⑦黏土：海陸交互相沉積，沖積—海積成因，為第二沉積旋回的地層。淺灰—褐黃色、褐紅色、灰綠色，濕、可塑狀，主要成分為以高嶺土為主的黏土礦物，黏性強，刀切面很光滑，韌性高，局部夾粉質黏土。層厚0～7.20 m。

⑩1砂土狀強風化花崗巖：花斑雜色、褐黃夾灰白色，主要由不同風化程度的長石、石英及暗色礦物等組成，巖芯呈土狀，原巖結構基本破壞，裂隙極發育。層厚0.50～6.20 m。

⑩2碎塊狀強風化花崗巖：灰黃色—褐黃色、灰白色，中粗粒花崗結構尚清晰，長石多數已風化，裂隙發育，巖芯呈砂礫狀、碎塊狀。層厚0 ～10 m，局部缺失。

⑩3中等風化花崗巖：灰白色、灰黃色，中粗粒花崗結構，塊狀構造，礦物成分有鉀長石、斜長石、石英及黑云母，節理裂隙發育，巖質堅硬，層底未揭穿。

本段典型的地層斷面見圖1。

圖1 試夯地段典型的地層剖面

2 試夯區試驗方案設計及施工

2.1 試夯區工程概況

試強夯區面積30×30 m，試夯區要求平整后標高為5.0 m，考慮到本場地填料粒徑較大，強夯后下沉量預估為0.3～0.4 m，故考慮虛鋪高度按0.35 m考慮。

試夯區回填料與回填區域一致，直接使用開山得到的微—中風化花崗巖進行堆填，且未進行分層碾壓堆填，直接采用一步堆填至5.35 m(黃海高程)的方法進行堆填。

2.2 處理厚度與夯點分布

煤場基礎標高約在5.0 m，擬采用沖孔灌注樁基礎，由于煤場內樁基礎受水平作用較大，擬對表層5 m范圍內的填石進行處理，提高密實度，因此試夯區強夯處理厚度宜為5.0 m。

試夯有效影響深度可以采用《建筑地基處理技術規范》表6.3.3－1中值，亦可采用修正梅那公式進行計算。不過考慮到本次強夯填土為塊石，且粒徑普遍大于0.8 m，因此按規范中表格進行估計不一定準確，下面輔以梅那公式計算結果進行估計，試夯有效影響深度估算參數表見表2。按《建筑地基處理技術規范》表6.3.3－1估計，則強夯影響深度在3000 kN·m和4000 kN·m時，可分別按6 m、7 m考慮。

為了考察不同夯擊能的夯擊效果，將整個強夯區分為兩半，西南側采用點夯能量4000 kN·m進行強夯，東北側采用點夯能量3000 kN·m進行強夯，二者的滿夯能量分別為3000 kN·m及2000 kN·m。考慮到處理目的主要是為增加表面5 m的密實度，處理要求不高，強夯遍數定為點夯兩遍，滿夯一遍。試夯區夯點分布示意圖見圖2。

表2 試夯有效影響深度估算參數表

圖2 試夯位置與夯點布置示意圖

2.3 強夯設計參數

本次試夯使用QUY50型履帶式起重機，配有自動脫鉤裝置和門架。夯錘選用錘重283 kN，直徑2.3 m，底面形狀為圓形的強夯錘。錘底設有四個的對稱排氣孔，孔徑為300 mm。整個試夯區分成對稱的東南和西北兩個夯區，東南夯區點夯夯能3000 kN·m，滿夯夯能2000 kN·m。西北部夯區點夯夯能4000 kN·m，滿夯夯能3000 kN·m。

采用兩次點夯，一次滿夯，以點夯能量4000 kN的一半區域為例，則試夯設計參數見表3。

表3 試夯設計參數

當主夯點夯坑夯沉量大于1.5 m，或夯坑過深造成提錘困難時，進行局部補夯，補夯前向夯坑中回填與原填料相同的填料并找平后進行補夯。

每遍點夯之后，挖取爆破開山堆填于試夯場地附近的填石，將夯坑填平，整個場地整平后可進行下遍點夯。第三遍滿夯時，夯印搭接錘徑的1/3，每點2擊。

2.4 強夯試驗施工進度概況

場地的試夯前準備工作進行了3天，包括分層夯沉量所需標的物制作、密度試驗使用的儀器準備及其它試驗的儀器準備。緊接著進行夯前密度試驗、分層沉降量標的物埋設、場地整平、面波測試等，共歷時20天。

試夯施工約7天完成；夯后地基土的平板載荷試驗、夯后面波測試、夯后密度試驗、夯后分層沉降觀測等共歷時20天。

3 各項測試成果

3.1 試驗成果概述

(1)地表夯沉量

3000 kN·m能級，場地平均夯沉量：第一遍點夯夯沉量119.4 mm；第二遍點夯夯沉量 102.2 mm，累計 221.6 mm。4000 kN·m能級，場地平均夯沉量：第一遍點夯夯沉量134.3 mm；第二遍點夯夯沉量112.5 mm，累計246.8 mm。

(2)分層夯沉量

從分層沉降觀測情況來看，滿夯的影響范圍主要集中在地表以下1 m的范圍，而點夯的處理主要影響了地表下1～3 m的范圍，整個處理區內，強夯的影響范圍都達到了地表下5 m。

另一方面4 000 kN·m夯能區較3000 kN·m夯能區無論是地表夯沉量，還是深部的影響都要明顯大，以夯沉量為衡量指標的話，綜合來看，4000 kN·m的處理效果較3000 kN·m的處理效果要好10%～20%。

(3)密度試驗

夯前密度平均值：2.010 g/cm3；夯后密度平均值2.325 g/cm3，提高幅度15.7%。

(4)淺層平板靜載試驗

三個測點在實際試驗加荷至設計要求荷載值的2倍(300 kPa)時沉降仍趨于穩定，p－s，slgt曲線上沒有明顯的拐點，因此強夯地基承載力特征值取最大加荷值的一半，即150 kPa。

3.2 面波測試

3.2.1 基本原理

面波測試(勘探)能較為快速、經濟地對場地進行分層，并算出每層的剪切波速度，對于估算巖土層的模量、地基承載力、評價地基土加固效果、評價液化以及地震區劃等方面，都能夠提供一定的數據幫助。

圖3 強夯前測線1測點1頻散曲線及深度－速度圖

地震面波勘探是利用地震波在地層中的傳播原理進行工作的。瑞雷波勘探主要利用了瑞雷波的兩種特性：一是瑞雷波在分層介質中傳播時的頻散特性；二是瑞雷波傳播速度與介質的物理力學性質的密切相關性。瑞雷波沿表層傳播，傳播深度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了該地質條件下在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映了該地質條件下在縱向的變化情況。

3.2.2 本次面波測試排列參數及工作量

采用WZG－24A工程地震儀進行勘測，震源為人工錘擊，利用12道檢波器排列進行接收，偏移距為10～25 m，道間距為1 m。

結合地形條件，夯前布置6條地震面波剖面測線，強夯試驗后再在原位置布置6條測線；每條測線共布置5～6個測點，布置時將勘探點分布在測線的中點處，各測點的目標勘探深度范圍為4～8 m。

3.2.3 主要成果

面波勘探數據處理解釋采用專用軟件處理，包括濾波去除隨機噪聲，多炮疊加提高面波能量，FK頻波譜分析，頻散曲線提取，最后獲得面波速度剖面。

見圖3、圖4，測線1測點1的正演的頻散曲線(紅點)跟原始數據(藍點)擬合度為85%～98%。

對各測線強夯前后數據反演，得出橫波速度，列成表4。

圖4 強夯后測線1測點1頻散曲線及深度－速度圖

表4 強夯前后反演出的橫波速度 單位：m/s

3.2.4 成果分析

從上述成果圖表中可看出，在強夯前后，由面波測試反演出的橫波速度變化明顯，主要表現是在淺部約3 m深度范圍內，波速明顯變大，增大幅度多為10%～30%；而在3～7 m深度范圍，波速變化則比較零亂，多數速度變小，少量變大。

綜合波速的變化與其它測試成果，可看出，強夯使約0～5 m深度的填土層得到了壓實，壓實的幅度與淺部3 m內波速提高的幅度大致相當；3 m以下波速的變化則不宜作為填土密實度變化的反應指標，利用面波勘探來評價填土夯實效果時應注意到這一點。

由于5 m以下深部的填土層和下伏的淤泥層波速更低，在強夯后，5 m深度范圍內填土層得到了壓實，使波的傳播深度更大，故在反演時，下部松散層波速的“加權值”變大，這就造成了夯實后深部波速的反演值反而可能變低。反言之，當利用面波勘探評價夯實效果時，不能簡單因為深部波速變低或變高來判斷密實度變高或變低。

4 結論

綜上分析，在強夯填土地基場地采用物探面波測試方法，將物探成果與載荷試驗、夯沉量觀測、密度試驗等數據進行對比，結果表明面波測試可以檢測出強夯作用影響的深度和范圍，能夠較為快速、經濟地評價場地地基的加固效果，作為強夯試驗的一種檢測手段具有一定的經濟和參考價值。

面波勘探可以作為評價填土夯實效果的一種手段，但應注意相對深部的波速變化可能與密實度變化不同步，不能簡單因為深部波速變低或變高來判斷密實度變高或變低。