面波检测技术在地基加固效果评价中的应用

梁鸿军 苏东涛

(1.广西水利电力勘测设计研究院 南宁 530023;2.广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 前言

瑞雷面波勘探技术经过十多年的发展,在岩土工程勘察中得到了广泛的应用,原因在于工程勘察中传统的原位测试需要对场地进行钻孔,耗时多且成本高。瑞雷面波勘探能较为快速地对场地进行分层,并给出每层的剪切波速度,作为一种新兴的岩土工程原位测试方法,瑞雷面波法大量应用于地基处理 (尤其是地基加固处理)效果的检测、评价中。

1.1 面波检测原理

面波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征进行工程质量检测及工程地质勘察的地球物理勘探方法。

在自由界面 (如地面)上进行竖向激振时,会在其表面附近产生瑞雷波。瑞雷波的主要特征为:在分层介质中,瑞雷波具有频散特性;瑞雷波的波长不同,所能穿过的深度也不同;瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。

研究证明,瑞雷波能量约占整个地震波能量的67%,且主要集中在地表下—个波长范围内,而传播速度代表着半个波长(λY/2)范围内介质震动的平均传播速度。因此一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长,而波长与速率及频度有如下关系。

设瑞雷波的传播速度为Vr,频率为 f K,则波长=Vr/f K。当传播速度不变时,频率越低,测试深度就越大。

1.2 面波速度与横波速度的关系

面波速度与介质的密度和力学性质有关,而波速是反映介质性质的重要参数。由介质的弹性模量和泊松比之间的关系,可得到纵波和横波的波速比:

其中:

Vs为横波速度;

Vp为纵波速度;

ν为泊松比。

将此关系代入含有面波速度的瑞雷方程,可得到下式:

其中VR为面波速度。对此式求解,得到面波波速与横波波速近似的关系式:

在工程勘察中,一般土层的泊松比为0.45～0.49,则面波速度约为横波速度的0.95倍。影响横波速度的主要因素是介质的密度及其弹性力学参数。

软土地基被加固之后,地基土体的压缩比减小,承载力、波速随介质密度增大而增加,加固前后面波速度的变化,即反映了岩土力学性质的变化。因此,可直接用测量面波速度的方法检测强夯或灌浆效果。

2 应用实例

亚江变电站10k V配电室即将建成投产。该配电室位于高填土区 (填土厚度3m～13m),近期发现地面沉降、电缆沟A和B处开裂等病害,最大沉降达50mm。为加固地基软弱土体,防止配电室地面和电缆沟继续产生不均匀沉降,某化学灌浆有限责任公司采用 “DCG工法”在配电室电缆沟底进行化学灌浆处理。根据现场情况,在灌浆时尽可能抬升下沉部位,减少沉降差,恢复其正常使用功能。为了不破坏已建成的配电室场地,宜采用面波法对化学灌浆加固效果进行检测。

2.1 地质简况及地球物理条件

10k V配电室位于场地西侧斜坡上,地面高程22.0m～33.0m。场地平整后,该地段全部为开挖区,开挖厚度0.0m～7.6m,开挖区内出露的地层主要为全～强风化页岩、砂岩。检测区上部地层以填土层为主,部分为粘土层;下部地层为页岩、砂岩。

配电室处在新近填土区上,固结度低,压缩性高,易产生不均匀沉降,面波速度较低。与灌浆前夯实的地基土相比,经过灌浆加固后的地基土的介质密度和力学性质均发生了较大变化,面波速度较高。可用面波速度的变化来反映地基土体的灌浆加固效果。

2.2 工作方法

现场数据采集采用纵排列接收瑞雷面波,首先做现场试验,根据场地情况,选择合适的工作参数,如偏移距、道间距、记录长度、采集间隔等。本次作业仅在灌浆段内选择部分点进行检测,检测仪器采用SWS-3型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪。经现场试验确定的主要技术指标为:4Hz检波器,24P铁锤作为激发震源,12道接收,偏移距5m,道间距1m,采样间隔0.20ms,记录长度1024ms,通频带宽0～4000HZ。

2.3 资料处理

多道瞬态面波资料处理:一般分为两阶段,一是野外处理,即在现场对所采集的记录进行预处理(检查物探资料是否达到勘察精度),如发现物探资料不满足勘察要求,应进行补测,保证现场资料的质量。二是对所采集的资料进行内业整理、解释。在此主要介绍内业整理、解释,其主要步骤可归纳如下。

①对原始资料进行整理、核对、编录;②通过专用软件分析纵波与面波以及基阶面波的时空域分布特征;③根据基阶面波在时间～空间域中的分布特征确定面波时间～空间窗口;④根据时间～空间窗口,在频率～波数域内提取面波;⑤对面波进行频散分析,形成频散曲线;⑥根据频散曲线进行分层和各层速度计算并做出定性解释;⑦在定性解释的基础上,进行定量解释,确定各层的厚度,计算各层的剪切波传播速度,并对获得结果进行反演拟合处理。

2.4 面波点灌前与灌后波速对比分析

根据场地地形特征和地基土的地质条件,设计了 15个面波勘探点:其中 W1、W6、W11、W12、W13、W14、W15为灌浆前面波点编号,W2、W3、W4、W5、W7、W8、W9、W10为灌浆后面波点编号。

根据面波点波速分层结果,可确定各组的地基土层厚度,由于灌浆仅限于地基土,对比分析过程中,只提取灌后面波点地基土层的波速与灌前的波速进行对比。

图1 灌前面波点H-Vr曲线一致性曲线图

对灌浆前面波点地基土层进行波速一致性分析:从下图可以看出,曲线1反映地基土层较厚且分为两层,曲线形态以及波速大小基本一致;曲线2反映地基土层较薄且为一层,地基浅部曲线形态基本一致,深部差异较大,说明基岩风化程度差异较大。比较曲线1和曲线2可知,曲线1在0～8m深度段与曲线2在0～2.5m深度段,面波波速近240m/s左右,为一层;曲线1在8～12m深度段,面波波速近400m/s左右,为另一层。由此可见,配电室场地内外地基土的特性基本一致,灌前与灌后面波波速具有可比性,可利用灌浆后波速的提高率来对地基土体的灌浆加固效果进行评价。

对灌浆后面波点地基土层进行波速频度分析:从下图可以看出,波速随深度增加而变大,灌浆效果较优的面波点的波速分布集中度较好,由浅到深波速值近呈线性变化,斜率较小,波速值随深度增加明显变大;灌浆效果一般的面波点的波速分布集中度较差,斜率较大,波速值随深度增加变化不大。由此可见,从波速分布频度图可区分灌浆效果优、劣点。显然,W2、W5号点的灌浆效果不如其它点。

经统计,地基土经化学灌浆处理后,面波波速得到较大提高,提高率在2%～493%之间,平均值在21%～261%之间,各点灌后面波波速提高率总体平均值为132%;对应深度在8m～12m的地基土层波速提高率在46%～209%之间,平均值为139%;对应深度在0～8m的地基土层波速提高率在2%～493%之间,平均值在21%～261%之间;地基土体的力学性质得到了明显改善。

图2 灌后面波点H-Vr曲线波速分布频度图

对比分析各组的H-Vr曲线,未灌浆段与已灌浆段面波波速具有如下特点:

1)灌浆段内面波点相应深度段波速值均比未灌浆段的高,说明灌浆效果较明显;

2)灌浆段内面波点波速值均随深度增加而明显变大,而未灌浆段面波点波速值随深度增加变化不大,说明灌浆均从底部灌起往上抬升,浆液从灌浆孔底部往上渗;

3)灌浆段内面波点浅部波速值明显比深部小,说明浆液主要集中在灌浆段的深部;

4)同电缆沟A的面波点波速值相比,电缆沟B的面波点总体波速值略高,说明电缆沟B灌浆效果优于电缆沟A,电缆沟A灌浆段内W2、W5号面波点的波速值偏小。

2.5 灌浆前、后土层剪切 (横)波速分析

经统计分析,填土层较薄处,部分点的剪切波速VS＞250m/s,如W1和W11号点处,根据 《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)表4.1.3可知,两点处的填土属中硬土;W6号点处的剪切波速VS∈(140,250]m/s,该点处的填土属中软土。由此可知,填土层厚度介于0～3.0m范围内的场地,地基土体由中软土与中硬土组合而成。填土层较厚处,灌浆前各点的剪切波速VS∈ (140,250]/m/s,对应土体的类型属中软土。灌浆前地基土体的剪切波速平均值为231m/s,灌浆后地基土体的剪切波速值在214m/s～1084m/s之间,平均值为483m/s,波速提高率平均值为109%。

按土的类型划分,以中软土与中硬土的剪切波速临界值Vc=250m/s作为评价标准。

灌浆后波速点共有29个,其中3个点的剪切波速小于250m/s,大于250m/s的点占90%。其中,填土层厚度0～3.0m的检测段灌浆后剪切波速大于250m/s的点占75%,填土层厚度3.0m～12.0m的检测段灌浆后波速大于250m/s点占95%。显然,填土层深部灌浆效果明显优于浅部。

灌浆前地基土体的剪切波速值VS∈(140,250]m/s,属中软土;灌浆后检测段内地基土体的剪切波速值VS＞250m/s,属中硬土。通过对地基土体进行化学灌浆处理,可使土的类型发生改变,灌浆效果明显。

3 结语

面波勘探是岩土工程勘察中一种有效的技术手段。在土层波速测试、场地类别划分、土层划分、不良地质体的探查等方面,面波勘探具有快速、灵活、准确的优点,地质分层的准确度较高。

利用面波法进行地基土加固效果检测,可缩短检测周期,不破坏场地,便于连续、大面积地检测。这种勘探方法还可以进行现场监督,对施工质量进行全程监控。

在勘探时,应选择恰当的工作布置和参数采集方法,选择合适的仪器设备,并注意避开地面振动干扰,这样才能得到较准确的频散曲线。

1 杨成林.瑞利波勘探.地质出版社,[M].1993年.

2 肖柏勋.我国瑞利波勘探方法研究现状分析[J].2000年.

3 程志平,单娜琳.瑞雷面波法评价公路路基质量[J].桂林工学院学报,1997年.