基于瑞雷面波法的强夯地基质量评估方法

师欢欢，张 兴

(北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100043)

0 引 言

在软土地基或者松散地质土层中修建的建筑物，在使用一定的年限后将产生不均匀沉降，造成建筑物的开裂、变形和结构破坏，因此为了满足基础的承载力和建筑物的沉降变形要求，需要对软弱地基进行加固处理[1-2]。在目前的地基加固方法中，强夯法通过对地基的强行夯击改变地基土体颗粒排列并排除土体内孔隙水达到压实地基、降低孔隙比，实现提高地基承载力、土体压缩模量的目的。强夯法由于具有高效率、设备简单和低成本的优势，在地基加固处理工程中得到越来越广泛的应用。然而，由于地基的锤击加固质量受到地形条件、夯击能量等各方面的影响，在修建上部建筑物之前正确评估地基加固质量显得尤为重要。

1 强夯地基质量评估方法及其适用性分析

为了更直接地了解强夯地基的加固效果，需要对地基采取不同的检测手段以评估其是否能够满足上部建筑物的承载要求。目前，能够监测、检测强夯地基加固质量的可靠方法主要集中在两个方面，分别为室内试验法、原位测试法。

1.1 室内试验法检测加固质量效果

在室内试验检测强夯地基的加固效果时，主要是通过对强夯前后的地基土进行取样、试验，测定其物理力学参数，比如黏聚力、内摩擦角等抗剪强度指标，以及密度、含水量等物理指标，观测强夯前后参数的变化，以评估地基加固的质量提升效果。目前针对强夯质量的评估的试验方法中，可以通过室内动三轴试验，观测土体在动荷载作用下的应力应变过程，或者在室内建立小比例尺的强夯模型，通过对土体内部的应力和孔隙水压力的监测，分析强夯加固过程中土体的强度增长规律、土体颗粒的排列发展等。相对于野外原位测试技术而言，室内试验可以很好地对测试土样进行试验边界条件控制，同时能够保证对试验过程进行全方位的参数测量，但是也存在一定的局限性，即在土样的获取与制备过程中不可避免地对土体造成扰动，使得土体原本加固形成的加固结构、加固强度受到损伤，进而影响测试精度。

1.2 原位测试法检测加固质量效果

在原位测试法中，目前检测地基强夯加固质量的方法较多，主要为十字板剪切法、平板载荷试验法、静力触探法和瑞雷面波法。

十字板剪切法是通过将带有十字叶片的探头贯入土层中，施加均匀旋转的扭矩直到土体破坏，测试其土层的天然不排水抗剪强度，并对破坏后的土层进行进一步的重塑扰动，测试其重塑样不排水抗剪强度，由此可以计算出地基土的抗剪强度指标和灵敏度。十字板的板厚一般为2～3 mm，板高与板宽度的比值约为2.0，刃角为60°，为保证对土体的扰动，贯入的深度应大于5倍的孔径。十字板剪切试验的适用范围较小，一般只适用于饱和黏土和淤泥质土，强夯地基中若是含有块石或者砾石等土层，容易将叶片扭断，因此适应能力较差，导致其测试范围受限。

平板载荷试验方法是通过对一定面积的方形(一般为2.0 m2，试坑宽度大于板宽的3倍)承载板施加竖向荷载，承载板将荷载均匀地施加于地基土上，通过模拟建筑物对地基的作用，并获取荷载-沉降曲线，计算地基土的变形模量和极限承载力，并与强夯前的变形模量和极限承载力进行对比，分析其是否满足建筑载荷的要求。由于平板载荷试验需要搭设重力荷载，试验准备和测试的时间较长，测试的流程也较复杂，需要耗费较多的人力物力，因此其在强夯地基加固检测中应用时逐步被其他原位测试方法替代。

静力触探方法是借助贯入设备将静力触探探头贯入土层中，通过记录土层的力学行为参数来反映土层加固前后的变化，主要的参数有锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，以这个现场测试参数可以计算出地基土的模量、抗剪强度指标、静止侧压力系数和基床系数等。静力触探由于测试数据较多，同时具有勘探和测试的功能，在测试时具有自动化，不受数据采集人员操作水平的限制，可以采集近乎连续的测试数据剖面，同时具有成熟的理论，可适用于包括软土、黏土、粉质黏土和砂土在内的各类土层。典型的静力触探测试数据如图1所示。

图1 侧摩阻力测试成果

瑞雷面波法是一种无损的测试方法，也是地球物理学中发展较新、研究较热门的方法，它是通过在地表激发人工地震波振动，地震波会在空气与土体的界面产生面波，它是剪切波与压缩波在地表的一种复合运动，面波的速度比剪切波慢，土体的颗粒呈现椭圆形的质点运动，面波在不同深度的地层中进行传播，遇到密实度不同的土层介质时发生频散现象，其检测的本质还是利用土层的波阻抗差异。由于面波的速度直接反映出土体的密实度，也直接与土体的承载力相互对应，建立面波速度与地基承载力的相互关系，由此可以比较强夯前后的地基处理效果。瑞雷面波的探测的时间短、重复性好，而且有专业的设备和处理软件，可以大范围地进行强夯地基质量的检测和评估。

2 瑞雷面波法检测地基加固质量的基本原理

瑞雷面波分为稳态瑞雷面波和瞬态瑞雷面波，前者主要是在频率域进行数据的采集，而后者则是在时间域进行数据采集。稳态瑞雷面波受激振方式的影响，其设备较为笨重，因此数据采集的效率较低；瞬态法则具有较快的测试速度，在地基加固检测中应用较为广泛。瑞雷面波法检测强夯加固质量时，按照一定的测试断面布置测线，在测线上布置地震波排列，排列由震源和面波检波器组成，震源由人工敲击枕木产生，震源与第一个检波器之间的距离为偏移距，各个检波器之间的距离为道间距，通过计算两个检波器之间采集的面波到达时间，即可以计算出面波的速度。

如图2所示，当地震波激发后，面波在地表层中传播，并被检波器电子元件检测到，通过机械振动引发电压波动，将面波模拟信号转化为电信号，传输到电脑数据采集卡中进而被采集，在随后的内业数据处理和分析中，可以对面波信号进行滤波、数学计算等信号分析，并计算两个信号的时间差和相位差，得到土层的频散曲线和面波速度。

图2 瑞雷面波的现场采集原理图

在地震波排列中，任意取2个检波器的信号进行分析，它们在时间域的信号分用X1(t)和X2(t)表示，分别对两个信号进行傅里叶变换得到以下公式：

(1)

(2)

由此从公式(2)中可知两面波信号的相位差，

Δφ=φ1-Φ2=wt0=2πft0

(3)

对于两种地层中的瑞雷面波速度的计算，假设上层土的瑞雷面波平均速度为Cn-1，深度为Hn-1，下层土的瑞雷面波平均速度为Cn，深度为Hn，由此可得剪切波的波速为：

(4)

3 强夯法地基加固的质量评估对比分析

结合北京市某建筑工程地基加固为例，研究区域分为A地块和B地块，分别对两个地块进行强夯法施工，并在强夯施工前后采用瑞雷面波法进行跟踪检测，分析地基的强夯效果。测试采用的GEOPEN地震仪，可以采集36道面波数据，采用的检波器由重庆地质仪器厂生产，其固有振动频率为4 Hz，为了测试更大的深度，将偏移距设置为10 m，道间距设置为1.5 m。地震面波的激发采用10磅大锤敲击地表的橡胶铁板产生，为提高数据的信噪比，在同一个激发点同时敲击约4次，多次采集数据进行面波信号叠加。

典型的场区采集瑞雷面波时域波形图如图3所示。

从图3中可以看出，瑞雷面波36道之间的波形清晰，初至时间可以读取容易，振幅明朗，可以容易对波组进行追踪，道与道之间的能量均衡，没有明显坏道或者缺道，数据采集质量优良，为瑞雷面波的数据处理和数据解译提供了良好的基础。

图3 工程场区地基强夯加固后采集瑞雷面波时域波形图

在试验区内采集了不少于80个瑞雷面波的原始数据，对所有数据进行预处理，发现数据采集的质量均较高，每个试验区域均抽取3个典型的测点，对测点处强夯加固前后的瑞雷面波时域信号变换为频域信号，并进行频散曲线的拾取，对瑞雷面波的波速、地基承载力和变形模量进行解译，结果见表1、表2。

表1 地基强夯加固前瑞雷面波测试成果

从表1中可以看出，在A区域，深度0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度较小，变化范围为143～170 m/s，相应的地基承载力特征值范围为103～135 kPa，变形模量变化范围为7.3～9.1 MPa；深度3.0～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度与0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为157～185 m/s，相应的地基承载力特征值范围为112～156 kPa，变形模量变化范围为8.3～9.9 MPa。

表2 地基强夯加固后瑞雷面波测试成果

在B区域，深度0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度与A区域0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为130～170 m/s，相应的地基承载力特征值范围为89～130 kPa，变形模量变化范围为6.9～9.0 MPa；深度3.0～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度与A区域3.0～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为143～180 m/s，相应的地基承载力特征值范围为102～156 kPa，变形模量变化范围为7.1～9.4 MPa。

综合分析表明，无论是在A区域还是在B区域，6.0 m深度范围内的地基承载力均较小，不能满足设计要求中地基承载力大于350 kPa的要求。

从表2中可以看出，在A区域，深度0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度相比于地基强夯加固前提升显著，增幅近50%，变化范围为243～255 m/s，相应的地基承载力特征值范围为390～440 kPa，变形模量变化范围为30.0～36.0 MPa；深度3.0 m～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度与0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为265～275 m/s，相应的地基承载力特征值范围为480～508 kPa，变形模量变化范围为38.5～42.8 MPa。

在B区域，深度0.0～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度与A区域0.0 ～3.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为265～276 m/s，相应的地基承载力特征值范围为465～530 kPa，变形模量变化范围为36.0～41.3 MPa；深度3.0～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度与A区域3.0～6.0 m地层的瑞雷面波平均速度相近，变化范围为245～292 m/s，相应的地基承载力特征值范围为390～550 kPa，变形模量变化范围为33.0～45.3 MPa。

综合分析表明，无论是在A区域还是B区域，6.0 m深度范围内的地基承载力均明显提高，地基承载力大小分布均匀，表明强夯地基加固的效果明显，地基强度得到明显提升，地基变形模量与强夯加固前增幅明显，地基土质均匀，满足设计要求中地基承载力大于350 kPa的要求。

4 结 论

在现有的强夯地基质量评估方法中，瑞雷面波法具有快速检测、成本较低、无损且环境友好等特点，应用于强夯地基质量评估具有良好的经济效益。本文结合具体的工程实例，在分析目前常用的强夯地基质量评估方法及其适用性的基础上，研究瑞雷面波的检测强夯地基加固质量的基本原理，并分析了与波速测试方法的对比结果。研究结果表明，强夯地基加固前后，瑞雷面波波速、地基土的地基承载力、变形模量得到显著提升，通过对比强夯前后瑞雷面波波速及可以分析地基土的加固效果、加固深度，达到快速经济地检测地基加固质量。