面波技术评价扩建工程地基均匀性应用研究

邢 斐，李建华，段毅文，周立新

（1.中国航空港建设第十工程总队，河北 保定 071051；2.北京泰斯特工程检测有限公司，北京 102600；3.中基北方国际工程技术有限公司，北京 102442；4.中航空港场道工程技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引 言

扩建工程中，由于在已有建筑附近建造新的建筑，造成地基应力重叠［1］，使得地基在新旧结构附加应力场作用下，地基应力状态存在空间上的差异。已有建筑在上部荷载作用下，沉降已基本处于稳定状态，而扩建结构地基为原状土，二者土层结构、分布和物理力学性质存在较大差异，在新的结构荷载作用下，地基会产生不均匀沉降变形，形成沉降差，导致结构开裂、倾斜，甚至倒塌。工程实践表明［2］，地基不均匀沉降导致的裂缝在混凝土结构开裂事故中占很高比例，地基不均匀沉降对结构的影响已引起众多学者的关注。如李哲等［3］对特殊土地基环境下大型建筑物不均匀沉降机理进行深入分析，研究了地基产生不均匀沉降的成因；刘畅等［4］及赵学东［5］均从地基土的成因年代，特殊土的勘测、承载力评定、基础选型方面，分析总结了由于地基基础不均匀沉降引起的事故原因。这些研究表明，扩建工程地基不均匀沉降的主要原因在于设计阶段，由于对土层状况调查和勘测不详细和不准确，造成地基处理方法选择存在问题。可见，如何快速准确评价地基均匀性，以作出合理的地基处理，对工程扩建至关重要［6-7］。

常规的触探、钻探等手段仅能揭示勘探点附近的地层情况［8］，对于地基均匀性较差的扩建工程，难以查明其地层分布情况，且过程复杂，时间较慢。而瑞雷波作为一种面波［9］，对地层软硬变化较敏感，在层状非均匀土质中传播时具有频散特性，波长可以反映不同深度土层性质情况，故可以利用其频散特性测得频散曲线，进而反演不同深度土层的面波速度，实现对地下土层情况的探测。本文针对扩建工程地基均匀性问题，以唐山 LNG 接收站应急调峰保障工程为例，采用理论结合实践的方法，对面波技术评价扩建工程地基均匀性展开应用研究，现场测定地基土的面波频散曲线，计算反演土层剪切波速，研究不同地层条件下的面波波速变化规律，探索波速与土层密实度的关系，定量评价地基土的密实程度，评价扩建 LNG 接收站地基均匀性，对地基处理设计提供参考。

1 面波技术原理

面波技术［10-12］是利用其频散特性反演波速，进而通过土层物理力学性质与波速的相关性来解决工程地质问题的一种无损检测技术。面波作为一种沿地表传播的地震波，包括瑞雷波及勒夫波，其中瑞雷波在层状非均质土质中传播时，具有频散效应，传播速度随面波频率变化，且振幅随着深度增加而逐渐衰减，但其能量仍在一个波长范围内变化，可以穿透相当于一个波长的地层深度，且波速大小与土质的物理力学特性有关，能较好地表征地层的岩土指标特性。故地层水平方向上变化情况可以通过同一波长面波的传播特性表现出来，而不同深度的地层情况则由不同波长的面波传播特性反映，频散曲线某些拐点与地层具有对应关系。

实践中可以通过重锤下落激发，产生频率在一定范围内的瑞雷波，再由垂向检波器接受瑞雷波竖向分量，根据频谱分析，得到两信号的自功率谱及互功率谱、传递函数和相干函数，再进行相位谱和振幅谱的相关分析，把频率不同的瑞雷波从频散曲线记录中分离出来，从而求得实测的频散曲线，即 Vr-λ曲线，再经过地基动力学理论和反分析法的解释，可获得面波速度随地层深度的分布情况。而当瑞雷波是由不同振动频率的震源激发时，可以产生不同波长的面波，进而获得不同穿透深度面波的速度值，根据土层物理力学性质与波速值Vr 密切的相关关系，以及波速与频率的相关性（即面波的频散特性），来评价土层或进行地质分层，判定地基密实度和强度的变化，从而达到探测土体的目的。原理示意如图1所示。

图1 面波原理示意图

工程实践表明，面波测试结论与勘察结果数据较为吻合，准确性与可信度较高，且检测速度快、效率高、检测过程不破坏地质体结构，值得广泛推广。米素婷等［13］通过瑞雷波法对地基处理前后的频谱曲线进行测试分析，对湿陷性黄土进行评价，得出了加固深度及加固效果，其结果与土的干密度测试及经验分析结果相吻合；张瑾等［14］通过不同测试方法检测强夯地基加固效果，证明了瑞雷波波速与标贯击数、承载力、压缩模量、密实度有较好的相关性，地基土越密实，承载力越高，标贯击数值越高，波速也越高。

而工程扩建中，由于已有建筑地基经过地基处理和长时间的固结沉降，地基土中的压缩模量增大，压缩比减小，面波波速和地基承载力随土体密度的增大而增大，而新建结构地基属于原地基土，承载力和密实度达不到要求，面波波速偏低。因而，面波速度的高低，直接反映了承载力和密实度的大小，反映了岩土力学性质的差异。波速差异越大，土体密实度差别越大，不均匀性越大，因此，可用测量面波速度的方法来检测地基均匀性。

2 工程概况

拟扩建唐山 LNG 接收站应急调峰保障工程位于唐山曹妃甸附近，地处渤海湾北岸，北边距离唐山市 80 km 左右，西边距离天津新港 70 km 左右，东北边距离京唐港 61 km 左右。该扩建工程具体位置位于已建成且运营的唐山 LNG 接收站内，主要包括 4 座已建的LNG 全包容储罐，储存容积为 16 万 m3，另外还包括配套的接收、储存、加压和气化输出设施，以及相关的建构筑物等。

扩建 LNG 储罐基础拟采用高承台桩基，直径1.0～1.5 m，单桩承载力特征值需达到 8 100 kN（不包括负摩阻力的影响）。其中 1 号～4 号为已建成储罐，5 号～8 号为拟扩建储罐，并于前期对 6 号～8 号储罐进行了详细勘察工作。勘察资料显示，场地内覆盖层主要由第三系和第四系地层构成，其中浅层地基土主要由人工冲填细砂构成，在地面以下 12 m 深度范围内主要有人工冲填细砂及一般第四系细砂，具体地层描述如下。

1）细砂冲填土（Q4m）：浅灰～灰褐色，稍湿～饱和，中密～密实，为新近吹填海砂，矿物组成以长石和石英为主，含贝壳及云母碎片，土质较均匀，后经过强夯地基处理，工程性质较好。本层厚度 7.90～12.10 m，层底标高 -8.68～-4.40 m。

2）细砂（Q4m）：浅灰～灰褐色，饱和，密实，矿物组成以长石和石英为主，分选性良好，含贝壳及云母碎片，该层底部局部夹黏性土薄层或透镜体。本层厚度6.00～9.90 m，层底标高 -14.80～-13.09 m。

由于已有建筑地基沉降已基本处于稳定状态，而拟扩建结构地基为原状土，所以需要对已建成及拟扩建场地地基土密实度进行对比，定量评价对场区地基土的不均匀性，以便通过合理的地基处理，改善原有地基的均匀性，降低地基的沉降差，提高地基强度，使地基具有满足承载力和符合对变形沉降量要求的能力。

3 试验方案

结合工程概况，确定本次对浅层地基土的面波勘探深度主要为地表下 12 m 范围。主要采用地球物理勘探中的地震勘探法，具体为瑞雷波瞬态法，采用北京市水电物探研究所研制的 SWS-5 型工程勘探与工程检测仪。

根据设计要求，在已建罐区，仅在 1 号储罐及 4 号储罐周围场地布置勘探点；在拟建 5 号～8 号储罐地基位置均布置勘探点；每个储罐布置 3 个勘探点，共计 18 个勘探点。勘探点位置及布线方向根据场地条件布置，其中 1 号及 4 号已建储罐勘探点根据储罐相对位置布置，5 号～8 号储罐勘探点根据储罐中点坐标位置确定，面波勘探点平面布置图如图2所示。

图2 面波勘探点平面布置图

根据规范要求，为满足探测深度和最佳面波接受窗口的要求，确保激发的地震波频率成分满足此次探测深度要求，需要选择合适的排列方式和测试参数，主要进行偏移距和道间距的控制。由于在检波器数量一定的情况下，道间距（即排列）较小时波速反映的主要是浅层地层信息，道间距较大时则反映深层地层信息，且探测深度与排列长度相当。综合考虑各种因素后，面波技术具体测试参数如表1所示。

表1 瞬态瑞雷面波现场测试参数

4 试验结果分析

由于扩建 LNG 储罐场地土的不均匀性，每个点的波速值均不相同，所测得典型频散曲线如图3所示。从图3可以看出，已有建筑地基的频散曲线变化较为明显，且测点 4-3 有明显的地层拐点，浅层波速较高，但整体看来，随深度增加，波速呈增大趋势，剪切波速最低 169 m/s，最高 328 m/s，勘测深度范围内波速相差约150 m/s，近 1 倍。而拟扩建建筑地基的频散曲线则较为平缓，无明显软弱夹层，波速一般稳定在 150～200 m/s，波速最低 142 m/s，最高波速只有 240 m/s。可见，已有建筑地基在固结沉降时间效应作用下，表层附加应力小，沉降较小，固结密实作用小，波速较低，深层土层附加应力大，沉降较为明显，且随着深度增加，波速相差增大，而拟扩建建筑地基属于原状土地基，地基应力状态随深度变化较小，且整体波速偏低。

图3 测点的典型频散曲线

通过对以上实测面波反演得出的剪切波速进行统计分析，剔除离散性较大的数值，用统计平均值代表地基土的密实度，并以已建场地地基土剪切波速为基准，对已建及拟建场地地基土剪切波速的平均值进行比较，统计结果如表2所示。

根据表2可以看出，已建场地浅层地基土普遍比拟扩建场地地基土波速值要高，差值最低在 17 m·s-1，最高在 60 m·s-1以上，且由地表往下，差值在逐渐增大。可见，由于地基处理和长时间的固结沉降，已建场地地基密实度较高，承载力偏大，波速较拟扩建场地偏高，且深层土波速增大较快，差值比随深度增加，在 6 m 深度以内，差值比为 10 %～20 %；6 m 深度以下，差值比为约 20 %。

表2 以平均值为代表值的地基土剪切波速比较

5 地基均匀性评价

由于剪切波速大小与地基土密实度具有密切的对应关系，通过利用详勘数据的对比分析可知，对于本项目场地，砂土的标贯击数为 30 击时，剪切波速约为 170 m·s-1。因此，已建场地地基土的密实程度为中密～密实状态，以密实状态为主，而拟建场地密实程度为中密～密实状态，以中密状态为主。

由于面波频散曲线能较好地表征地层的岩土指标特性，面波波速值大小与地基土的物理力学特性有关，地基土越密实，承载力越高，波速也越高，且其结果与原位测试及经验分析结果相吻合。已有建筑地基经过地基处理和长时间的固结沉降，地基土压缩比减小，承载力和面波波速随土基密度的提高而增大，而拟扩建结构地基属于原地基土，密实度和承载力偏低，土层剪切速度较低。因而，速度的高低，直接反映了承载力和密实度的大小，反映了土层物理力学性质的差异。波速差异越大，土体密实度差别越大，不均匀性越大。根据表2的统计结果，在 12 m 深度范围内，已建场地地基土的密实程度普遍比拟建场地地基土的密实程度要高，且由地表向下，2 个场地的地基土密实程度差别逐渐增大，由 6 m 深度以内的 10 %～20 % 逐渐增大到 20 % 以上。

可见，拟建唐山 LNG 接收站应急调峰保障工程的地基均匀性较差，场区内面波波速最大相差 20 % 以上，且拟扩建场地地基土面波波速偏低，为 150～200 m·s-1，密实度和承载力较低，需要通过合理的地基处理，改善原有地基的均匀性，降低地基的沉降差，提高地基强度，使地基具有满足承载力和符合对变形沉降量要求的能力。

综合面波波速测试结果，并考虑大量群桩、高配筋桩、高承台桩等特点，根据规范要求，建议拟建场地5 号储罐～8 号储罐地基土在目前状况下水平抗力比例系数 m 值按 1.0～1.3 MN·m-4估算，并以此对桩基的水平承载力进行设计。

6 结 论

在工程扩建过程中，由于新老结构下地基应力状态差异，往往存在地基不均匀沉降问题。本文结合唐山LNG 接收站应急调峰保障工程，现场测定地基土的面波频散曲线，通过对面波技术评价扩建工程地基均匀性展开应用研究，得到以下结论。

1）面波波速与岩土物理力学性质有较好的相关性，地基土越密实，承载力越高，波速也越高，可以通过测定面波波速频散曲线，来评价扩建工程地基均匀性。

2）拟扩建和已建场地地基面波波速差值比约为10 %～20 %，局部超过 20 %，地基土均匀性较差，建议拟扩建场地地基土水平抗力比例系数 m 值按1.0～1.3 MN·m-4估算，以此对桩基的水平承载力进行估算。

3）拟扩建场地地基土面波波速偏低，为 150～200 m·s-1，密实度和承载力较低，可采用换填方法或振冲碎石桩法处理地基，以提高地基土的整体密实度。

4）地基处理后，建议重新进行地基面波波速测试，以评价地基处理加固效果。