瑞利波在高填方深厚填土地基特性评价中的应用

石灿峰，王林强，孔凡林，李昕，倪良位（重庆隆鑫隆骏房地产开发有限公司，重庆4000；重庆市建筑科学研究院，重庆40006；重庆轻工天丰岩土工程有限公司，重庆4047）

瑞利波在高填方深厚填土地基特性评价中的应用

石灿峰1，王林强1，孔凡林2，李昕2，倪良位3
（1重庆隆鑫隆骏房地产开发有限公司，重庆400023；2重庆市建筑科学研究院，重庆400016；3重庆轻工天丰岩土工程有限公司，重庆401147）

1 概述

某小高层住宅项目位于重庆市渝北区，大部分房屋及地下车库均坐落于高填方回填区域，地质剖面呈渐变沟槽状，沟底最大回填达52m，须对此高填方地基进行处理，以满足上部结构对地基承载力和变形的要求。该深厚回填土数十年间历经多次回填，由于自重固结及外力作用，土层的内部密实度随深度变化的情况从基本概念上存在不同性质须明确具体程度，且回填土在平面分布上的均匀性情况也是地基处理需要明确的前提，通过常用的传统地质勘探技术手段尚不能解决上述问题，对地基特性的定性定量评价须引入新的勘察技术手段。

许多学者[1-7]对瑞利波在地基中的传播特性研究表明：瑞利波能够反演地基土的剪切波速度，而剪切波速度跟地基土特性又有联系，因此，可以利用瑞利波法来反演地基土的特性。该技术手段是一种无损、快速、经济的检测方法，利用瑞利波在地基土层中的弥散特性，可以逐层的反分析出地基土特性，也可以了解深层地基土的特性。

2 基本原理

瞬态瑞利波技术是利用锤击生成震源瞬间激发地面产生一个所需频率范围的瞬态激励。在离震源一定距离A处进行观测，采集记录瑞利波f(t)，根据傅里叶变换，其频谱为：

在波的前进方向上与A点相距为△x的观测点B同样也记录到信号F2(t)，其频谱是：

波从A点传播到B点，其变化完全是由频散引起的，相应的关系为：

上式中VR(ω)为圆频率为ω的瑞利波相速度，上式可变换为：

式中φ为F2(ω)和F1(ω)之间的相位差，由（3）和（4）式可得：

根据上式，只要A、B之间的距离△x和每一个频率的相位差φ可知，就可以求得每一个频率的相速度VR(ω)。在已知频率为f的瑞利波速度为VR后，其相应的波长λR为：

瑞利波的能量主要集中于介质的自由表面附近，其深度大致在一个波长范围内，由半波长理论：所测量的瑞利波平均速度VR可以看作半波长深度处介质的平均弹性性质，同一波长的瑞利波传播特征反映了地质土体水平方向的变化情况，不同波长的瑞利波传播特征反映了不同深度介质的变化。

根据（6）式可将VR-f曲线转换为VR-λR曲线，可反映测点介质沿剖面方向上的地质特征。

3 工程应用

采用瞬态瑞利波面波技术勘探目标场地地基，系通过铁锤、放炮等措施激发产生一定频率范围的瑞利波，在地表沿瑞利波的传播方向上，以一定的道间距△x设置N个检波器，即可检测到瑞利波在（N-1）△x长度范围内的传播情况。将地震仪记录的信号经过频谱分析，相位谱分析，把各个频率的瑞利波分离开来，从而得到一条VR-f曲线，即频谱曲线，通过以上基本原理分析及研究频散曲线的变化规律，即可达到探测地质特征的目的。

现使用该技术应用于重庆市渝北区某项目深厚高填方填土地基特性评价中作为地基处理的前提，其主要评价两个方面：水平方向的回填地基均匀性；剖面方向的回填地基随深度变化的密实度特征。

瑞利波技术在该项目中为最后应用的原位勘察手段，在此之前使用了一些传统常规地质勘探技术，主要包含：根据资料收集及前期工作成果，通过机械岩芯钻探、工程地质调查与测绘为主，结合室内岩、土、水试验等综合勘察手段，并辅以现场原位测试（包括大容重、N63.5重型动力触探、剪切波等），以揭露场地工程地质条件，且可与瑞利波数据及土层密实度结论进行综合比较印证。

3.1 常规地质勘察技术应用

3.1.1 历史回填资料收集

深厚回填土是该场地的主要土层，其下为薄层粉质粘土或直接为岩石地基，地质剖面呈渐变沟槽状，沟底最大回填达52m，有资料可考的填土年限最早回填始于1985年修建210国道（机场路），2000年左右农业园区成立时该地块已基本回填完成，2005年修建场地东侧金石大道时为最近一次回填时期，回填时间超过10年。由于自重应力及回填固结时间的差异，土层的内部密实度及强度从岩土概念上随时间及土层深度呈正比例增长。

3.1.2 大容重试验

为查明填土的质量，地质勘察时在填土区内挖掘了3个探坑（TK1-TK3）作大容重（灌水法）试验，以确定其天然密度。并采集了样品进行室内击实试验，以确定其压实系数。野外大容重试验及室内击实试验结果表明：试验深度范围内填土压实系数0.81～0.90。根据现场大容重试验以及室内击实试验结果，上部填土（0～0.5m）的压实系数为0.81～0.90，根据重庆地区经验，随深度的增加压实系数逐渐变大，下部填土的压实系数值应更高。

3.1.3 剪切波波速试验

为了解场地内深厚回填土层的剪切波速，为建筑抗震设计提供动力学参数，在覆盖层分布厚度较大的区域，地质勘察共选取8个钻孔采用面波法进行了岩土剪切波波速测试。测试情况根据2种不同土层深度进行数据采集及数值统计分析，分别为：

第1组：测试土层深度0～20m；

第2组：测试土层深度＞20m。

场地回填土层等效剪切波波速测试结果如下：

第1组：剪切波速标准值为187～398m/s，属中软土-中硬土；

第2组：剪切波速标准值为371～569m/s，属中硬土。

3.2 瑞利波波速试验应用

该次勘察在地质平面上选取ZK6、ZK13、ZK23、ZK55、ZK93、ZK97、ZK125、ZK131及ZK177共9个钻孔采用瞬态瑞利波进行了土层测试，测试情况进一步细分剪切波速测试的土层，从3种不同土层深度进行数据采集及数值统计分析：

表1 第1组瑞利波波速情况(m/s)

第1组：测试土层深度4～10m；

第2组：测试土层深度10～16m；

第3组：测试土层深度＞16m。

该期项目高填方回填土瑞利波面波测试由重庆市渝碚实验检测中心在项目现场进行。为确保检测结果的准确性，另由重庆市建筑科学研究院对渝碚实验检测中心上述瑞利波面波测试成果进行现场独立第三方校核检测。

从瑞利波测试上述成果资料及统计结果可见：

第1组：瑞利波波速标准值为281.4m/s；

第2组：使用表1相同方法采集及数值处理，可得瑞利波波速标准值为314.2m/s；

第3组：使用表1相同方法采集及数值处理，可得瑞利波波速标准值505.8m/s。

3.3 瑞利波波速结果分析

鉴于填土未经分层、未进行填料成分控制、具有离散性特点等原因，结合重庆市建筑科学研究院对相邻1.1、1.2期建筑地基强夯处理前对填土的瑞利波测试成果比对，项目场地瑞利波波速系数按0.6折减，其折减后瑞利波速标准值如下：

第1组：168.8m/s；

第2组：188.5m/s；

第3组：303.5m/s。

上述瑞利波波速数据与剪切波速的结论基本吻合：经过多年来填土平面均匀性较好，且在内部自重固结及外部应力作用下填土内部密实度较好，其中填土表层呈现松散-稍密状态，随着深度的增加，深层填土呈现稍密-中密状态，16m深度以下的填土性状更为紧密，多呈中密-密实状。

3.4 瑞利波波速换算地基特征参数

重庆市建筑科学研究院多年来对众多工程填土地基进行测试，从大量统计数据中得到素填土（碎石土）瑞雷波速与承载力、变形模量之间存在一定的函数关系，相关经验公式如下：

式中：VR表示瑞利波波速(m/s)；fak表示地基承载特征值(kPa)；E0表示地基变形模量(MPa)。

将3.3条折减后瑞利波波速代入上述经验公式，可得本文所述的渝北某项目高填方素填土地基土的换算承载特征值及变形模量，详见表2所示。

3.5 基于瑞利波结果的地基处理设计

根据3.4条表2可见：填土10m以内变形模量为11.5MPa，未达到设计要求，故拟对该范围内填土采用旋喷注浆地基处理方式增强其变形模量，而16m以下填土的变形模量已基本达到设计要求，故不作地基处理。

旋喷注浆复合地基承载力确定方式按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012公式7.1.5-2确定：

其中：fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa），参照表2及地区经验取为160kPa；

m为面积置换率，设计采用边长2m的等边三角形布桩，故de=1.05s=2.1m，得到m=(d/de)2=0.145；

Ra为单桩竖向承载力特征值（kN），预估水泥土单轴抗压强度为5.0MPa＞4λRa/Ap=4.8MPa满足要求。

将上述数据代入（9）式，可得复合地基承载力：

fspk=242kPa＞220 kPa（满足设计要求）。

旋喷桩复合地基压缩模量按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第7.1.7条确定：

其中：Es、fak分别为天然地基变形模量及特征值，参照表2取为11.5MPa、160kPa，可得：

表2 渝北某项目瑞利波波速换算地基特征参数

3.6 基于瑞利波的地基处理检测评估

该渝北项目的旋喷桩复合地基承载力、压缩模量、基准机床系数检测：采用复合地基浅层平板荷载试验[8-11]，检测数量为38个点，其中住宅楼26个，其它区域12个，现有相关复合地基检测结果数据表明均能满足设计所提要求。

现已完成主体结构施工的A1、A2栋住宅楼及邻近车库经地基处理已历时半年，当前监测到的最大总沉降位移值均小于20mm，可见沉降量尚偏于安全可控。

4 结语

对于数十年间历经多次回填的高填方地基，其回填土层内部密实情况随着竖向深度不同存在较大差异， 水平向的地基均匀性情况也难以明确，通过瑞利波面波测试的应用，相关地基特性（均匀性、密实度）得到定性评价，相关地基参数（承载力、变形模量）得到定量评估，相关资料为后续地基处理提供了重大技术支撑和可行性保证。

瑞利波测试在该项目工程地质勘察中的应用取得了很好的效果，解决了工程地质勘察中其它勘探方法难以解决的问题，且不受场地限制，价格低廉，实施效率高，可在类似工程地质勘察中借鉴应用，为地基处理提供技术支撑。

[1]胡家富,段永康,胡毅力,等.利用Rayleigh波反演浅土层的剪切波速度结构[J].地球物理学报，1999，42（3）.

[2]高印立,阎澍旺,王金英.剪切波速与土性指标间的统计关系[J].建筑科学，1998（5）.

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[7]涂忠仁、汤柯、张山金.瑞利面波理论及其在地基处理中的应用研究[J].西部探矿工程，2010（10）.

[8]陈勇军，胡亚龙.瑞利波技术在强夯地基检测中的应用[J].西部探矿工程,2006（12）.

[9]肖先波.瑞利波检测技术在地基强夯加固中的应用[J].低温建筑技术,2010（4）.

[10]姚成华，曾建华.地基强夯中的瑞利波研究及检测应用[J].西部探矿工程，2008（12）.

[11]重庆市建筑科学研究院.DBJ50/T-136-2012建筑地基基础检测技术规范[S].重庆：重庆市城乡建设委员会，2012.

责任编辑：孙苏，李红

Application of RayleighWave in Feature Assessmentof Deep High-fill Foundation

某小高层住宅项目坐落于深厚高填方地基，该地基过去30年间历经多次回填，回填土层内部密实情况随着竖向深度不同存在较大差异，水平向的地基均匀性情况尚不明。该文通过瑞利波的应用相关地基特性得到定性定量评价，相关指标为后续地基处理提供了重大技术支撑和可行性保证。

瑞利波；面波检测；小高层住宅；高填方；地基处理

A smallhigh-rise residentialproject is located on the deep high-fill foundation,which hasbeen repeated backfillover the past30 years,and the compactness of the backfill soil variesgreatly with the vertical depth while the horizontal homogeneity is unknown.This paper adopts Rayleigh wave to perform a qualitativeand quantitativeevaluation and get relevant foundation characteristics,and the relevant indexes provide significant technical support and feasibility guarantee for subsequent foundation treatment.

rayleighwave;surfacewave test;smallhigh-rise residence;high fill;foundation treatment

TU 473

A

1671-9107（2017）07-0047-04

基金论文：该论文为重庆市建筑科学研究院(项目编号：城建字2014第调11号)资助项目论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.07.047

2017-04-11

石灿峰(1981-)，男，重庆人，研究生，工程师，主要从事岩土、结构工程等领域的设计及管理工作。