基于瞬态瑞雷波法的岩溶山区粗巨粒土填方地基检测研究

2016-09-15谢春庆

西部探矿工程 2016年2期

关键词：雷波填方波速

潘　凯，谢春庆，罗　鹏，赵　犁

（1.成都军区空军勘察设计院，四川成都610041；2.四川中奥建设工程试验检测有限责任公司，四川成都610200）

基于瞬态瑞雷波法的岩溶山区粗巨粒土填方地基检测研究

潘凯*1，谢春庆1，罗鹏2，赵犁2

（1.成都军区空军勘察设计院，四川成都610041；2.四川中奥建设工程试验检测有限责任公司，四川成都610200）

依托西南某大型工程，系统开展了基于瞬态瑞雷波法的岩溶山区粗巨粒土填方地基检测研究。通过理论分析、室内试验、现场试验、拟合回归等技术手段，得出运用瞬态瑞雷波来检测岩溶山区粗巨粒土填方地基压实质量（包括溶洞、漏斗、落水洞、软基置换等地基处理质量和填筑体压实质量），是一种切实可行的无损检测方法。获得的一些经验性的结果，可以作为岩溶地区的工程经验参考。

瞬态瑞雷波法；岩溶山区；粗巨粒土；地基处理；无损检测

瞬态瑞雷波测试技术作为一种新型的浅层工程物探手段，目前已经在许多领域得到广泛的应用［1-2］。我国从20世纪80年代起就有许多学者和科研单位相继开展了瞬态瑞雷波勘探技术的研究，取得了大量的研究成果［3-4］。瑞雷波检测压实度的方法与传统方法相比具有仪器设备轻便、可操作性强、节约检测费用、对填方体无损害、检测速度快、当场即可显示结果等优势，更适合现场快速检测。由于岩溶山区具有独特的地形、地貌、岩性特征，使得土石方施工、地基处理、检测手段明显不同于其他地区。结合岩溶山区工程深入研究采用瑞雷波法检测该区域填方地基，特别是粗巨粒土填方地基施工质量及地基处理效果的可行性、可靠性是非常必要的。本文依托西南山区某大型工程，对瞬态瑞雷波法在岩溶山区粗巨粒土填方地基检测中的运用开展深入探讨，结合干密度试验、固体体积率试验、载荷试验等对瑞雷波法进行了修正完善。工程实践证明，本文研究成果对岩溶山区填方地基进行快速、无损检测具有实际应用价值。

1　工程概况

1.1地形地貌

工程区海拔1633～1890m之间，地形复杂，起伏大，沟谷纵横，高差达257m。场区属中等起伏的侵蚀—溶蚀残丘—溶蚀—侵蚀峰丛地貌。场区地表岩溶发育形式有峰丛、石芽、溶脊、溶沟、漏斗和洼地，地下发育形式有石芽、溶沟、溶槽、溶洞等，见图1。第四纪以来，受区域地壳间歇性抬升和溶蚀、剥蚀的耦合作用的影响，场地共形成多级剥夷面。场区最大垂直填方高度98.63m，最大挖方深度52m。

图1　工程区岩溶地貌特征（隐伏石芽、溶沟）

1.2地层岩性

场区出露地层较单一，主要为上古生界石炭系中上统（C2+3）及第四系（Q4）。场区第四系覆盖层主要由耕植土（Q4pd）和残坡积（Q4el+dl）红粘土、次生红粘土组成，局部地段有少量残坡积（Q4el+dl）粉质粘土、冲洪积（Q4al+pl）粉土和素填土（Q4ml）等，覆盖层在斜坡部位较薄，在沟谷地带较厚。场区基岩为浅灰—灰白色致密块状白云质灰岩，局部为鲕状灰岩、岩溶角砾灰岩，具缝合线构造，发育刀砍纹。土石方工程总挖方量1907× 104m3，总填方量2319×104m3。

2　瑞雷波检测技术理论基础

瑞雷波检测技术主要利用其2种特性：一是在分层介质中瑞雷面波的频散特性；二是瑞雷面波传播速度与介质密度的相关性。前者可根据实测频散曲线划分层位，并计算出各层的速度值；后者则是用已求得的各层的瑞雷波速度值与密度值的相关关系计算各层的压实度［5］。

下面列出弹性波速与岩土在弹性阶段物理、力学参数之间理论关系表达式及瑞雷波与一般体波（压缩波Vs及剪切波Vp）间关系的理论表达式。弹性体波波速与材料力学参数间的关系如式（1）、式（2）所示。

式中：Vs——地层剪切波速，m/s；

Vp——地层压缩波速，m/s；

G——地层剪切模量，Pa；

E——地层弹性模量，Pa；

ρ——地层土的密度，kg/m3；

μ——泊松比。

在均匀弹性半空间体表面瑞雷波波速与体波波速之间有如下关系，如式（3）所示。

由式（1）、式（2）可知，G仅与泊松比μ有关，所以VR及Vs间的关系只与泊松比μ值的大小有关。分析求解式（3），可得出：

在层状介质中瑞雷波与弹性体波之间的关系要复杂得多，层与层之间的反射波、折（透）射波及各种波成分的干涉都影响着频散曲线的分布形态［6-8］。

3　试验检测技术路线

（1）开展室内试验：旨在确定填料的物理力学特性，以提供检测、计算所需的参数。包括颗粒分析、含水率、含泥量、最大干密度等试验。

（2）瑞雷波现场测试：根据设计要求及工程实际情况分区进行瑞雷波测试，获得等效剪切波速。

（3）同步开展干密度、固体体积率、地基承载力检测：旨在获取压实质量指标，并对波速测试进行验证。

（4）检测结果分析：对瑞雷波检测的可行性、可靠性、影响因素进行分析，探讨波速与干密度、固体体积率、地基承载力的相关关系。

4　室内试验

（1）颗粒分析试验。该工程碾压粒径按35cm控制，强夯粒径按80cm控制，远远超出了规范筛分粒径上限，为更好代表场区填料的真实粒径，试验中每个标段各区取3组试样，单组质量100kg，烘干称量后进行颗分试验。计算不均匀系数与曲率系数，各标段试验成果见表1，场区典型级配曲线如图2所示。

表1　筛分试验成果统计

图2　工程区填料典型级配曲线

（2）含泥量测试。该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为主。由于岩溶发育，挖方区山体存在溶蚀空腔、管道、裂隙等且部分被红粘土所充填，在挖方区爆破过程中部分土与石料混合，使得石料含泥量并不等于0，为此进行含泥量检测。由于各个标段挖方区土石比不同，因此检测结果存在一定差异。最终获得各标段填石料平均含泥量为：T1/6.432%，T2/8.417%，T3/ 4.768%，T4/5.124%，T5/6.463%，T6/6.297%。

5　瑞雷波现场测试

测试依据《地基动力特性测试规范》及相关规范开展［10］。测试仪采用WZG-12A型多功能面波测试仪；数据处理采用CCSWS面波数据处理软件；激发震源24磅重锤；12道检波器接收，道间距1m，偏移距1m，采样点数4096点/道，采样间隔0.05ms，有效测试深度8m。根据工程的实际情况及设计要求，在原地面处理区及道槽土石方填筑区进行面波检测。分别对T1～T6标段相应部位进行面波测试，按式（4）处理，试验结果见表3。

表2　填料密度试验成果统计

式中：Vse——土层等效剪切波速；

n——计算深度范围内土层数；

d0——计算深度；

di——计算深度范围第i层土厚度；

Vsi——计算深度范围第i土层横波波速。

6　干密度、固体体积率及地基承载力试验检测

根据施工工艺、设计要求进行分区检测。强夯区用探坑法+灌水法测定干密、固体体积率、载荷法测定地基承载力，瑞雷波法测定剪切波速。采用坑探法进行固体体积率、干密度、压实度检测过程中应特别注意，由于探坑检测部位为强夯处理区，每层填料虚铺厚度约4m，强夯试验表明，强夯能对地基进行有效的密实，但其密实效果随深度的增加而下降。因此为充分检测强夯质量，建议探坑进行分层开挖，单层开挖厚度约1m，而后分层检测（即顶层、中层、底层），见图3。3层均合格则总体合格，若其中一层不合格则总体为不合格。

在波速检测区同步开展干密度、固体体积率、地基承载力试验，结果见表3。

7　检测成果探讨

7.1波速测试成果分析

表3　波速、干密度、固体体积率、地基承载力检测成果

干密度、压实度、固体体积率、地基承载力等几种检测方法在细粒土中运用效果较好，但在粗巨粒土中会出现了较大的离散性。其原因主要是由于检测过程中“以点代面”，也就是说检测时都是在一个点或几个点上进行的。在粗巨粒土中的检测点容易遇到超粒径块石，这将对检测的结果产生较大的误差。而用波动的方法就可以避免这类现，因为波在传播过程中速度是测线范围内的平均值，如果碰到粒径较大的块石，波就可能沿着旁边被压实的填土绕射传播，其速度主要还是反映检测区域内的波速，最终超粒径块石的作用会被消除或被平均掉［11］。也就是说，用波的传播速度评价粗粒土的压实度是比较客观的。

图3　探坑法测定固体体积率图

在溶洞、落水洞、漏斗地基处理区及道槽填筑区，同步进行了27组现场试验，较为全面地获取了检测区域的密实度指标。试验结果表明波速合格区，固体体积率、干密度、地基承载力检测结果基本都达到设计要求。说明运用瑞雷波法开展粗巨粒土地基处理、填筑质量检测是客观、科学、可行的。

现在问题的关键是分析岩溶山区粗巨粒土波速与密实度的关系，从而优化岩溶山区粗粒土密实度的无损检测。

7.2固体体积率与地基承载力的关系

地基承载力试验采用边长1m×1m的方形板，以堆载的方式分级加载。采用灌水法测定湿密度。由于固体体积率是由干密度和综合毛体积密度经公式转换而来，是2个等效变量，因此只需要研究其中的一个变量即可，此处以固体体积率为研究变量。

整理试验数据，剔除异常值，采用最小二乘法回归分析。图4线显示两变量成非线性的正相关关系，在一定范围内固体体积率越大则承载力越高。相关性对比分析可知多项式关系相关性最好，见式（5）。

图4　固体体积率—地基承载力关系曲线

7.3波速与固体体积率、地基承载力关系

整理分析数据得出剪切波速与固体体积率均呈非线性的正相关关系，见图5、图6。存在这种关系的理论基础在于，波在无限介质中主要以纵波和横波2种形式传播，它们的传播速度与介质的特性有密切的关系，其中包括了介质的模量和密度，与此同时土中应力波速与弹性模量和密度相关。

图5　波速—固体体积率关系曲线

图6　地基承载力—固体体积率关系曲线

当土的组成不变时，土的压实过程实际上是土侧限应力增加的过程，侧限应力增加使土的弹性模量E和密度ρ同步增大。随着土的孔隙比e的减少，一方面土的密度增加会导致波速下降，另一方面又会使土的模量增加而使波速增大，但这2个量的增幅不一样。试验证明，弹性模量E增加的影响大于密度ρ增加的影响，最后将导致波速V的增加。反过来，剪切波速越大则反映出土的弹性模量E和密度ρ越大，则填方地基承载力越高，压实效果越好。为进一步探究波速与各变量的关系，对试验数据进行回归分析，获取了三者的关系式，具体见表4。

表4　固体体积率、地基承载力、波速关系式

从以上理论分析和试验得出，剪切波速与干密度、固体体积率、地基承载力之间的关系是一种近似的多项式关系，有着相对较好的相关性。但这种关系是基于石料为主的粗巨粒土推到出来的，不同类型的土物理力学性质差异较大，它们之间基本上没有可比性，不能盲目的等价套用。所以在实际应用时，对不同类型的粗粒土应通过试验先做一条波速—固体体积率或波速—地基承载力关系曲线，然后根据现场检测的波速数据，由关系曲线和关系式推算出其他压实质度指标。

无损检测方法与许多物探方法一样，受很多内外因素的影响，测试结果存在多解性，因此波速测试只能作为一种辅助检测手段。为保证工程的安全，应同步进行一定数量的压实度、干密度、固体体积率、地基承载力测试来验证波速检测结果，从而建立科学、可靠、全面的综合评价体系，提高工作效率，最大限度地减少漏检、超检的概率。

8　结论与建议

（1）研究得出瑞雷波法检测岩溶山区粗巨粒填方地基压实质量是一种可行、可靠、高效的方法。本文获得的一些经验性的结果，可以作为岩溶地区的工程经验参考，但此法要得以推广运用，还需进行大量的理论与实践性试验研究。

（2）波速测试结果受很多外在因素的干扰，在现场检测中宜作为一种辅助性检测手段，单纯的波速测试结果不可作为结论性评价指标，应综合检测，综合评价。文中固体体积率、地基承载力、波速回归关系式相关性系数不高，主要由于：①检波器安插稳固性，机械振动、爆破振动干扰等；②地基承载力试验点分布离散性造成。在工程实际中应特别注意这2方面的问题，避免干扰，准确地开展试验。

（3）本文认为有以下2个问题还需要进一步研究：①分层压实的影响问题，分层碾压会造成上下2层填料土密度不一致，从而导致上下2层土的弹性模量不等。理论上可能产生另一种面波——勒夫波，这种波对检测效果的影响有必要进行比较深入的研究。②标准激振方法的问题，常规测试中一般采用人工重锤激振，这种激振方法存在很大的人为因素影响，为减少由于激振力不同造成的计时误差，建议考虑采用固定激振力和激振的方式，研究一套专门的标准激振装置，制造标准的激振信号。

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U412.22