瞬态瑞利波法在检验地基加固效果中的应用研究

费 晗，李志俊，蔡德钩

(1.中铁七局 武汉公司，武昌 430063;2.广深港客运专线有限责任公司，广州 510623;3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

工程物探作为一项轻便快捷工程地质勘探手段已被国内外工程界所共识，并逐步出现了电法、弹性波法、电磁法、重力法、磁法、放射性法、声波法、地质雷达法和多种物理测井技术等。瞬态瑞利波法(瞬态R波)是弹性波法中应用较多的一种，自从 1887年Rayleigh首次发现了瑞利波的存在并揭示了瑞利波在弹性半空间介质中的传播特性后，瑞利波作为一种有效的物探方法和检测手段得到迅速发展［1-2］。本文主要采用瞬态瑞利波法测试加固前后的波速变化来检验加固效果，分析其检验整体质量的效果。

1 测试原理

当在介质表面施加一瞬态激振力时，产生不同频率的瑞利波，利用测试得到的瑞利波波速与频率曲线转换为瑞利波波速与深度曲线，该曲线的变化规律反映了该点介质随深度变化的规律，拐点、突变点等特征点反映了地层的地质力学特性。

瑞利波法工作原理主要是以下三条［3］:瑞利波的传播速度与土层介质的物理力学性质密切相关;在分层介质中，瑞利波具有频散特性;瑞利波在传播过程中波长不同，穿透深度也不同。

2 软土地基处理效果评价

某地基处理试验段，地基属第四系全新统冲湖积层，表层为黏土，软～硬塑，层厚0.76～3.60 m;其下为淤泥质粉质黏土，流塑，含少量腐植物，局部夹有薄层粉砂，具高压缩性、低强度、高触变性的特点，厚3.2～16.5 m;下卧层为黏土、粉土及粉质黏土，软～硬塑。试验段主要由黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土及粉砂等组成。其中淤泥质粉质黏土的含水量和孔隙比平均值达到44.4%和1.23，属于典型软土。地基处理措施如表1所示。

表1 软土地基处理措施

2.1 浆喷桩处理

浆喷桩处理K0+042和K0+115断面测试结果如图1所示。结果表明，R波波速对软基经过浆喷桩处理和路基填筑影响的改善程度反应相当灵敏。三次测试结果变化明显，R波频散曲线均出现较大幅度的平移，路基填筑后5个月平移幅度仍然较大。路基填筑后5个月，浆喷桩处理断面原地面下深10 m瑞利波平均波速分别从原来的107.2 m/s和108.0 m/s提高至 142.4 m/s和 146.2 m/s。

浆喷桩处理软基在高压喷浆破坏、压密土体同时，产生了大量水泥水化的结晶物，形成了包裹着土颗粒的水泥—土结构，地基土体变密，成分发生变化，土体强度改善，致使弹性波传播速度明显加快。水泥—土结构的强度随时间持续增长，硬化过程继续耗用土中水，并随着路基填筑导致地基土附加应力的部分增长发生固结，因而地基土性随着时间继续改善，弹性波速度继续提高。

图1 处理断面R波频散曲线

2.2 粉喷桩处理

粉喷桩处理K0+200断面测试结果如图2所示。地基处理后2个月和路基填筑后5个月波速增幅较大。路基填筑后5个月，原地面下深10 m瑞利波平均波速从原来的112.2 m/s提高至174.8 m/s。水泥粉喷桩是以粉体水泥作固化剂，经强制搅拌发生一系列水解、水化、凝硬等反应，消耗大量土中水同时，水泥水化物的胶结作用使水泥和软土形成水泥土，形成承载力高、沉降量小的水泥土桩复合地基。与浆喷桩不同之处在于，粉体水泥的水化硬化反应耗用的土中水将会更多，粉喷桩处理后2个月，瑞利波波速迅速增长，同浆喷桩处理地基情况相同，路基填筑完后5个月，波速仍有较大幅度的增长。

图2 K0+200粉喷桩处理断面R波频散曲线

3 湿陷性黄土地基处理

新建客运专线湿陷性黄土地基处理试验段，自重湿陷性黄土厚度较大(20 m以上)，0～23 m深度范围内，地层主要为砂质黄土、细砂、粉质黏土，自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为IV级(很严重)。场地长180 m，地基处理分柱锤冲扩桩(DDC桩)、挤密桩和强夯三种类型，各类型试验段长度40 m，不同类型间设10 m宽的过渡段。路堤高度5 m，堆载预压土3 m，见表2。

表2 湿陷性黄土地基处理措施

三个测试断面典型的瑞利波频散曲线见图3，地基处理前波速较为一致，经过三种方案处理后波速提高的幅度有较大差别。在处理深度范围内波速变化由大到小分别是柱锤冲扩桩区、挤密桩区和强夯区，波速得到了较大提高。变化幅度从大到小依次为柱锤冲扩桩、挤密桩和强夯，在处理深度范围内平均变化为126.5 m/s，50.0 m/s，13.9 m/s。

4 既有线过渡段路基加固

既有线路桥过渡段存在竖向刚度突变和道砟槽等问题，对路桥过渡段路基状况的检测和加固是既有线提速改造的重要内容。既有线路路基在运营的条件下，因为场地和时间的限制，对于路基面的承载力及质量状况等指标直接采用常规方法较难全面测试，且一般的物探方法无法给出路基的力学指标。试验结果表明，直接在道砟上采用多道瞬态瑞利波法测试路基的频散特性，得出路基的力学参数分布，为既有线路桥过渡段路基的检测评估提供一种较为有效的方法。

胶济线白沙河桥和K165+083框构桥过渡段路基分别采用注浆和水泥土挤密桩方法进行加固，测试结果如图4和图5所示。加固后一周、加固后4个月波速均有不同程度的提高，通过连续测试，获得了过渡段路基的面波波速等值线图，如图6所示，可直观反应加固区均匀性。

图3 湿陷性黄土地基处理前后瑞利波典型频散曲线

图4 白沙河桥过渡段频散曲线

图5 K165+083框构桥过渡段频散曲线

图6 框构桥过渡段面波波速等值线图

瑞利波速度与地基土的容许承载力和压缩模量之间具有较好的相关关系［4］，在现场试验过程中对轻型动力触探测试的击数N10与瑞利波波速进行了统计，如图7所示，相关性较好。根据该关系，可对该线路相同填料路基进行力学评估。

5 结论

对软土地基处理、湿陷性黄土地基处理和既有线路桥过渡段路基加固前后的瞬态瑞利波波速测试表明，瞬态瑞利波法是一种较为有效的物探无损检测方法，可实现加固效果的整体质量检测评估，具有快速、经济、有效等特点。

［1］方谦光，李志华.利用瑞利波进行铁路路基稳定性检测的理论基础及应用［J］.铁道学报，1999，21(4):55-59.

［2］李杰生，钱春宇，廖红建.多道瞬态面波法在铁路路基测试中的应用［J］.岩土力学，2003(S2):611-615.

［3］杨成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地质出版社，1993.

［4］张宝山，胡景坤.应用瑞利波检验评价碎石桩复合地基［C］//中国建筑学会地基基础学术委员会年会论文集，1990:378-383.