强夯地基的面波检测效果分析

许 岳，张长飞，刘 勇

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003)

某电厂场地位于海边。圆形煤场所在场地为海陆交互相沉积地貌单元，表层为深厚海积淤泥，后经回填整平，填料来源为大规模的开山土石。现场地标高为2.0～8.0 m，地形起伏较小。

圆形煤场拟采用冲孔灌注桩，为提高桩基水平承载力，降低后期沉降，拟采用强夯法对填土层进行处理。为确定强夯法处理的适用性及相关的施工参数，对填土层进行了强夯试验并检测。

本次试夯检测根据检测的时间，可分为夯期检测和夯后检测。夯期检测主要手段为夯坑及周围地面的变形监测；夯后检测主要是为了检测试夯区处理后的效果。

根据《电力工程地基处理技术规定》有关规定要求、试夯区岩土工程条件及本次强夯的处理深度要求综合考虑，本次针对试夯效果的夯后检测试验主要有：分层夯沉量观测、大体积原位密度试验、浅层平板载荷试验、面波检测。

本文将着重讨论面波检测成果与其它成果的对比，论证面波法检测夯实填土的可行性。

1 地形地貌及地层岩性

拟建的圆形煤场处于海湾内滩涂地带，经前期开山回填抬高、整平，现阶段为平地。场址区内岩体岩性单一，残丘出露基岩为燕山期第三次侵入岩肉红色钾长花岗岩。

根据岩土工程勘察报告，试夯场地内地基土层分布由上至下一般为：

①抛石(回填土)：抛石主要为爆破开山整平场地所填，回填土骨架颗粒主要由中—微风化花岗岩组成，少量为辉绿岩，粒径200～800 mm，最大≥2000 mm，充填比例不等的黏性土、砂土，岩性、结构杂乱，场地不同部位及深度，其物质组成及密实度均有较大差异，未经严格碾压、夯实，结构较松散—稍密，极不均匀，回填时间约6年，层厚4.5～7.9 m。

②淤泥：海相沉积，淤积成因，主要分布于沿蛇山东、西、北三面的滩涂和海域。灰黑色、深灰色，流塑、饱和状态，可搓成细泥条、切面光滑，含少量有机物和贝壳。层厚11.0～19.0 m。

④泥质中粗砂：海陆交互相沉积，冲洪积—海积成因，主要分布于滩涂区和海域。褐灰—褐黄、灰黄色、深灰色，饱和、松散—稍密，主要成分为石英中粗砂，局部含少量砾石，呈透镜状分布。层厚0.70～11.30 m。

⑤含碎石黏性土：海陆交互相沉积，冲洪积成因。深灰—灰黄色，湿、可塑，以黏性土为主，碎石含量10%～15%，碎石呈次棱角—亚圆状。层厚2.0～3.0 m。

⑦黏土：海陆交互相沉积，冲积—海积成因，为第二沉积旋回的地层。浅灰—褐黄色、褐红色、灰绿色，湿、可塑状，主要成分为以高岭土为主的黏土矿物，黏性强，刀切面很光滑，韧性高，局部夹粉质黏土。层厚0～7.20 m。

⑩1砂土状强风化花岗岩：花斑杂色、褐黄夹灰白色，主要由不同风化程度的长石、石英及暗色矿物等组成，岩芯呈土状，原岩结构基本破坏，裂隙极发育。层厚0.50～6.20 m。

⑩2碎块状强风化花岗岩：灰黄色—褐黄色、灰白色，中粗粒花岗结构尚清晰，长石多数已风化，裂隙发育，岩芯呈砂砾状、碎块状。层厚0 ～10 m，局部缺失。

⑩3中等风化花岗岩：灰白色、灰黄色，中粗粒花岗结构，块状构造，矿物成分有钾长石、斜长石、石英及黑云母，节理裂隙发育，岩质坚硬，层底未揭穿。

本段典型的地层断面见图1。

图1 试夯地段典型的地层剖面

2 试夯区试验方案设计及施工

2.1 试夯区工程概况

试强夯区面积30×30 m，试夯区要求平整后标高为5.0 m，考虑到本场地填料粒径较大，强夯后下沉量预估为0.3～0.4 m，故考虑虚铺高度按0.35 m考虑。

试夯区回填料与回填区域一致，直接使用开山得到的微—中风化花岗岩进行堆填，且未进行分层碾压堆填，直接采用一步堆填至5.35 m(黄海高程)的方法进行堆填。

2.2 处理厚度与夯点分布

煤场基础标高约在5.0 m，拟采用冲孔灌注桩基础，由于煤场内桩基础受水平作用较大，拟对表层5 m范围内的填石进行处理，提高密实度，因此试夯区强夯处理厚度宜为5.0 m。

试夯有效影响深度可以采用《建筑地基处理技术规范》表6.3.3－1中值，亦可采用修正梅那公式进行计算。不过考虑到本次强夯填土为块石，且粒径普遍大于0.8 m，因此按规范中表格进行估计不一定准确，下面辅以梅那公式计算结果进行估计，试夯有效影响深度估算参数表见表2。按《建筑地基处理技术规范》表6.3.3－1估计，则强夯影响深度在3000 kN·m和4000 kN·m时，可分别按6 m、7 m考虑。

为了考察不同夯击能的夯击效果，将整个强夯区分为两半，西南侧采用点夯能量4000 kN·m进行强夯，东北侧采用点夯能量3000 kN·m进行强夯，二者的满夯能量分别为3000 kN·m及2000 kN·m。考虑到处理目的主要是为增加表面5 m的密实度，处理要求不高，强夯遍数定为点夯两遍，满夯一遍。试夯区夯点分布示意图见图2。

表2 试夯有效影响深度估算参数表

图2 试夯位置与夯点布置示意图

2.3 强夯设计参数

本次试夯使用QUY50型履带式起重机，配有自动脱钩装置和门架。夯锤选用锤重283 kN，直径2.3 m，底面形状为圆形的强夯锤。锤底设有四个的对称排气孔，孔径为300 mm。整个试夯区分成对称的东南和西北两个夯区，东南夯区点夯夯能3000 kN·m，满夯夯能2000 kN·m。西北部夯区点夯夯能4000 kN·m，满夯夯能3000 kN·m。

采用两次点夯，一次满夯，以点夯能量4000 kN的一半区域为例，则试夯设计参数见表3。

表3 试夯设计参数

当主夯点夯坑夯沉量大于1.5 m，或夯坑过深造成提锤困难时，进行局部补夯，补夯前向夯坑中回填与原填料相同的填料并找平后进行补夯。

每遍点夯之后，挖取爆破开山堆填于试夯场地附近的填石，将夯坑填平，整个场地整平后可进行下遍点夯。第三遍满夯时，夯印搭接锤径的1/3，每点2击。

2.4 强夯试验施工进度概况

场地的试夯前准备工作进行了3天，包括分层夯沉量所需标的物制作、密度试验使用的仪器准备及其它试验的仪器准备。紧接着进行夯前密度试验、分层沉降量标的物埋设、场地整平、面波测试等，共历时20天。

试夯施工约7天完成；夯后地基土的平板载荷试验、夯后面波测试、夯后密度试验、夯后分层沉降观测等共历时20天。

3 各项测试成果

3.1 试验成果概述

(1)地表夯沉量

3000 kN·m能级，场地平均夯沉量：第一遍点夯夯沉量119.4 mm；第二遍点夯夯沉量 102.2 mm，累计 221.6 mm。4000 kN·m能级，场地平均夯沉量：第一遍点夯夯沉量134.3 mm；第二遍点夯夯沉量112.5 mm，累计246.8 mm。

(2)分层夯沉量

从分层沉降观测情况来看，满夯的影响范围主要集中在地表以下1 m的范围，而点夯的处理主要影响了地表下1～3 m的范围，整个处理区内，强夯的影响范围都达到了地表下5 m。

另一方面4 000 kN·m夯能区较3000 kN·m夯能区无论是地表夯沉量，还是深部的影响都要明显大，以夯沉量为衡量指标的话，综合来看，4000 kN·m的处理效果较3000 kN·m的处理效果要好10%～20%。

(3)密度试验

夯前密度平均值：2.010 g/cm3；夯后密度平均值2.325 g/cm3，提高幅度15.7%。

(4)浅层平板静载试验

三个测点在实际试验加荷至设计要求荷载值的2倍(300 kPa)时沉降仍趋于稳定，p－s，slgt曲线上没有明显的拐点，因此强夯地基承载力特征值取最大加荷值的一半，即150 kPa。

3.2 面波测试

3.2.1 基本原理

面波测试(勘探)能较为快速、经济地对场地进行分层，并算出每层的剪切波速度，对于估算岩土层的模量、地基承载力、评价地基土加固效果、评价液化以及地震区划等方面，都能够提供一定的数据帮助。

图3 强夯前测线1测点1频散曲线及深度－速度图

地震面波勘探是利用地震波在地层中的传播原理进行工作的。瑞雷波勘探主要利用了瑞雷波的两种特性：一是瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性；二是瑞雷波传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。瑞雷波沿表层传播，传播深度约为一个波长，因此，同一波长的瑞雷波的传播特性反映了该地质条件下在水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映了该地质条件下在纵向的变化情况。

3.2.2 本次面波测试排列参数及工作量

采用WZG－24A工程地震仪进行勘测，震源为人工锤击，利用12道检波器排列进行接收，偏移距为10～25 m，道间距为1 m。

结合地形条件，夯前布置6条地震面波剖面测线，强夯试验后再在原位置布置6条测线；每条测线共布置5～6个测点，布置时将勘探点分布在测线的中点处，各测点的目标勘探深度范围为4～8 m。

3.2.3 主要成果

面波勘探数据处理解释采用专用软件处理，包括滤波去除随机噪声，多炮叠加提高面波能量，FK频波谱分析，频散曲线提取，最后获得面波速度剖面。

见图3、图4，测线1测点1的正演的频散曲线(红点)跟原始数据(蓝点)拟合度为85%～98%。

对各测线强夯前后数据反演，得出横波速度，列成表4。

图4 强夯后测线1测点1频散曲线及深度－速度图

表4 强夯前后反演出的横波速度 单位：m/s

3.2.4 成果分析

从上述成果图表中可看出，在强夯前后，由面波测试反演出的横波速度变化明显，主要表现是在浅部约3 m深度范围内，波速明显变大，增大幅度多为10%～30%；而在3～7 m深度范围，波速变化则比较零乱，多数速度变小，少量变大。

综合波速的变化与其它测试成果，可看出，强夯使约0～5 m深度的填土层得到了压实，压实的幅度与浅部3 m内波速提高的幅度大致相当；3 m以下波速的变化则不宜作为填土密实度变化的反应指标，利用面波勘探来评价填土夯实效果时应注意到这一点。

由于5 m以下深部的填土层和下伏的淤泥层波速更低，在强夯后，5 m深度范围内填土层得到了压实，使波的传播深度更大，故在反演时，下部松散层波速的“加权值”变大，这就造成了夯实后深部波速的反演值反而可能变低。反言之，当利用面波勘探评价夯实效果时，不能简单因为深部波速变低或变高来判断密实度变高或变低。

4 结论

综上分析，在强夯填土地基场地采用物探面波测试方法，将物探成果与载荷试验、夯沉量观测、密度试验等数据进行对比，结果表明面波测试可以检测出强夯作用影响的深度和范围，能够较为快速、经济地评价场地地基的加固效果，作为强夯试验的一种检测手段具有一定的经济和参考价值。

面波勘探可以作为评价填土夯实效果的一种手段，但应注意相对深部的波速变化可能与密实度变化不同步，不能简单因为深部波速变低或变高来判断密实度变高或变低。