碳酸盐岩块石填方地基处理质量检测对比研究

孙秀东，杨振杰，沈志平，付君宜

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵阳 550012）

1 引言

我国西部碳酸盐岩分布广泛， 随着西部大开发战略的深入推进， 在西部山区碳酸盐岩块石填方地基上的建设工程越来越多。 强夯法作为一种有效的地基处理加固手段广泛应用于此类项目， 进而对碳酸盐岩块石填方地基强夯处理质量检测方法的研究将会更受关注[1]。

2 碳酸盐岩块石填方地基检测方法

目前，常规的检测手段多用于浅层碎石填方地基，如平板载荷试验用于测试地基承载力及变形模量， 动力触探试验用于测试地基土密实度及均匀性[2]。但对碳酸盐岩块石填方地基的密实度、承载力测试及强夯加固效果的评价，载荷试验、动力触探试验因自身检测方法的要求及特点， 在实际应用中具有局限性及操作困难性，耗时费力。 与此相比，瞬态瑞利波检测，可以利用瑞利波在地基土层中的弥散特性，逐层反分析出地基土的工程特性，是一种快速、无损、经济的检测方法[3]。

3 瑞利波检测的工作原理及方法

3.1 基本原理

面波勘探也称弹性波频率测深， 是国内外近年来发展起来的一种新兴浅层地震岩土工程勘探方法。 而瑞利波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易测量，因此面波勘探通常指的是瑞利波勘探。

瑞利波是一种特殊的地震波，其低频、低速、能量强和频散特性，与地震勘探中常用的P 波和S 波不同，它是一种地滚波。 瑞利波沿地表传播，波阵面为圆柱体，质点振动的轨迹为椭圆，质点振动的振幅随深度增加而衰减。 理论计算表明，当深度超过1 个波长λR时，振幅趋于零。 一般认为波的影响深度不超过1 个λR， 即某一频率的瑞利波传播特征反映了1 个λR深度范围内的地层变化情况，不同λR的瑞利波特征则反映了不同深度内的地层情况。

弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞利波是由SV 波与P 波干涉形成， 且瑞利波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2（r 表示距震源距离）成正比，比体波的衰减要慢很多。 相对速度VR与横波速度Vs 具有很好的相关性，其相关式为VR=VS×（0.87+1.12υ）/（1+υ），υ 为泊松比，此关系奠定了瑞利波在测定岩土体物理力学参数中的应用[4]。

由以上特性可知，通过测定不同频率的瑞利波速度VR，就可方便地了解地层的构成并计算相应地层的物理力学参数，为工程设计提供资料。

3.2 测试方法

本次检测采用瞬态法激振方式， 其激振器激发的是一定频率范围内瑞利波的叠加波， 测得的信号为这叠加波的综合信息，经过频谱分析、相位谱分析等将频率和信号分离成各个单频及与其相应的波速， 进而求出在一定频率范围内的频散曲线[5]。如图1 所示，人工锤击来激发瑞利波，以一定的道间距x 设置N 个检波器， 距它一定远处的检波器所接收的基本上是瑞利波的竖向分量信号A（t）。

图1 瑞利波测试原理图

信号的傅里叶变换为：

相应的自功率谱定义为：

式中，S（f）、S*（f）为共轭复数。

信号1 和信号2 的互功率谱为：

C（f）是复数，其相位代表两信号由于在波传播过程中的时间滞后所产生的相位差Δφ。 因此，波在检波器间传播所需时间Δt 为：

相邻两检波器距离为x，则与f 相应的瑞利波速度为：

4 工程实例

贵州三江项目位于贵阳市乌当区，西侧邻北京东路，东侧邻贵阳绕城高速，整个项目用地面积约156.87 hm2，主要内容包含“七通一平”。 填方面积约74.6 hm2，填方最大深度约30 m，平均回填深度约12 m。场平工程回填区采用强夯加固施工，原地面清表之后进行土石混合填筑（土石比为2∶8～0.5∶9.5）。在项目范围内划定10 000 m2试验区进行填方地基处理质量检测对比研究。

4.1 常规检测试验结果统计

4.1.1 平板载荷试验

试验采用压重平台反力装置，采用相对稳定法，总加载量1 200 kN，分8 级加载，卸载4 级。 依据各等级加载量（p）观测的沉降量（s）绘制p-s 曲线，确定地基承载力。 按2 倍分级加载值，观测地基的回弹量。 平板载荷试验平板载荷试验数据统计表如表1 所示。

表1 平板载荷试验数据统计表

由图2 可知，加荷至300 kPa 时沉降3.63 mm，加荷至最大荷载600 kPa 时沉降7.11 mm，未出现陡降破坏，按相对变形确定承载力实测值为s/b=0.01 对应荷载值（b 为板宽），且承载力值不超过600 kPa 的一半，则确定该点地基土承载力实测值≥300 kPa。 本次试验选用承压板边长为1.415 m、面积为2 m2方板，经计算地基变形模量E0=98.08 MPa。

图2 平板载荷试验p-s 曲线图

4.1.2 动力触探试验

试验采用DJ0034 超重型动力触探仪， 落锤质量120 kg，落距100 cm， 动阻力以探头每贯入地层10 cm 时的实测锤击数经过校正后得到的锤击数如表2 所示。 图3 为动力触探试验锤击数与贯入深度关系曲线图。

表2 动力触探试验数据统计表

图3 动力触探试验锤击数与贯入深度关系曲线图

4.2 瑞利波检测试验结果统计

采用SWSview 瑞利波处理软件从现场采集数据中提取频散曲线数据，根据各测点频散曲线数据显示的最大有效测试深度将成果图深度设置为10 m。 绘制的各测点的频散曲线图以及由各测点合成的瑞利波波速剖面图结果如图4 和图5 所示。

图4 各测点瑞利波波速频散曲线图

图5 各测点组成测线瑞利波波速检剖面图

图4 中各测点频散曲线虽存在区别， 但纵向上波速特点均表现为先较大后变小的特点。 图5 中测线剖面测点下方发现瑞利波波速较低的区域，相对剖面范围内其他区域而言，该低波速区域内碎石回填土较松散，密实度较低。 测线剖面测试范围内浅表横向上波速不均，横向瑞利波波速存在差异，说明浅表横向上加固强度存在不均。

图5 中也显示除了L3-5 测点表面波速相对较低外，该剖面下方3～6 m 深度范围内均表现为低波速， 说明剖面下方3～6 m 的碎石土相对上下碎石土较松散，密实度较低。

4.3 各检测结果对比分析

4.3.1 瑞利波与平板载荷试验结果对比分析

瑞利波波速VR与地基承载力有很好的相关性，可以检测大范围地基加固效果。 利用瑞利波法可以有效地估算强夯地基的承载力，通过与静载试验的对比说明，瑞利波法估算复合地基的承载力有一定的精度。

4.3.2 瑞利波与动力触探试验结果对比分析

动力触探1 号点对应为瑞利波检测L3-2 点，由图3（1 号点）及图4（L3-2 点）对比分析可得，随着检测深度的增加，动力触探击数和瑞利波波速均呈逐渐减小的趋势； 动力触探2号点对应为瑞利波检测L3-4 点，由图3（2 号点）及图4（L3-4点）对比分析可得，在深度范围2～4 m 动力触探击数曲线和瑞利波频散曲线均存在反复波动情况， 共同揭示了该深度范围内地基均匀性较差，填土粒径变化较大；动力触探3 号点对应为瑞利波检测L3-6 点，由图3（3 号点）及图4（L3-6 点）对比分析可得， 在深度5 m 处动力触探击数曲线和瑞利波频散曲线均存在突然增大的情况， 共同揭示了该位置存在粒径较大的孤石，对整体评价地基均匀性及分析沉降规律提供佐证。

综上分析， 瑞利波波速与动力触探锤击数之间存在较强的线性关系，针对碳酸盐岩块石填方地基，两者关联关系需进一步试验验证。

5 结论

1）瑞利波检测适用于碳酸盐岩填方地基处理质量检测，揭示了水平方向的填方地基均匀性变化规律， 并在测线剖面方向准确表达了填方地基随深度的变化特征。

2）从填方地基检测结果统计数据中证实了瑞雷波速与地基承载力之间的关联关系， 但其与变形模量之间的关系需要进一步探索研究。

3） 瑞利波波速与动力触探锤击数具有较强的线性关系，二者随深度变化关系步调一致，针对碳酸盐岩块石填方地基，两者关联关系需进一步试验研究。