瑞雷波法在风成砂土强夯地基检测中的应用研究

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摘要：通过瑞雷波法在内蒙、新疆等区域风成砂土强夯地基检验验收实例，且经静载试验、标贯/动探、室内土工试验对比验证，得出区域性强夯地基施工效果检验、工程分析评价方面的经济适用、技术可靠检验应用方法。

关键词：瞬态瑞雷波大面积强夯处理静载试验标贯/动探介质反映点面结合

1．前言

随着国家在新疆、内蒙区域经济振兴规划，该区域经济建设有跨越性发展，相应的工程建设相当多，区域地层多以风成黄土、风成砂土为主，处理面积超大（多为50~150万m2以上），广泛采用的地基处理方式为强夯法，选择一种经济适用、技术可靠并成功实践应用的强夯地基检验手段是十分必要的。本文主要通过瑞雷波法的理论探讨以及多个工程检测应用实例，验证瑞雷波法在超大面积强夯检验（加固深度、均匀性、密实度）中的技术可靠、经济适用性，以及瑞雷法在工程性质评价（地基承载力、变形模量、推算横波、地震液化）中的应用研究。

2．瑞雷波检测原理

瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的地球物理勘探方法，瑞雷面波沿地表传播时，穿透深度相当于它波长，均匀介质中瑞雷波传播速度与频率无关，非均质介质中传播速度随频率改变而变化，根据不同振动频率的震源产生不同波长的瑞雷波，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速值，借此评价地质体或进行地质分层，瑞雷波检测方法分为瞬态法和稳态法两种。这两种方法的区别在于震源不同。瞬态法采用锤击法，产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；而稳态法是在激震时产生相对单一频率的瑞雷波，并以单一频率波的形式传播。

2.1瑞雷波与工程质量检测

在自由界面(如地面)上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞雷波，研究证明，瑞雷波能量约占整个地震波能量的67%，振幅随深度按指数衰减 影响深为一个波长，能量主要集中在半个波长范围，故某个波长相速度基本上等于半个波长范围内各地层横波相速度加权平均值，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fK，则波长为 =Vr/ fK,当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。现场数据采集采用纵排列接收瑞雷波。首先进行试验检测，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。

2.2室内资料处理

(1) 对道间波形进行互相关

(2) 对r21做Fourier变换，得

R21(f)＝|R21(f)|

(3) 由R21(f)得Δφ(f)。

(4) 用Vr=2πfΔX/Δφ，计算不同频率的瑞雷波速。

(5) 绘制瑞雷波频散曲线。

(6) 根据频散曲线计算分层速度与深度。

2.3瑞雷波检测推广

将测试深度范围内瑞雷波速值与同条件下静载试验、标贯/动探指标、土工试验指标进行对比分析，得出其相关性，然后再整个工程建设场地检测中应用推广。

3．工程应用实例

3.1基本概况

在内蒙、新疆区域风成砂土地层上进行了多项强夯地基检测工作，检测总面积达260余万m2。强夯的主要目的是调整地基土不均匀性、增强密实度、提高地基土（风成砂土）的承载力及变形模量，主要为甲醇、二甲醚、煤制油、烯烃等工业项目相关厂房、设备基础、生活服务设施等，地层条件主要以分成砂土为主，厚度7~10m，中间夹有粉土、粉粘等，地基强夯能级为4000kN・m～6000kN・m，夯点间距6m，正方形布置，夯锤直径2.5m，两遍主夯，第二遍主夯在第一遍主夯四个点中心，满夯一遍，能级2000KN.M，每点3击，搭接1/4夯锤直径，整平后直接作为地基持力层，设计承载力要求为200～250kPa，压缩模量Es要求为8.0～10.0MPa。

3.2检测方法

强夯检测在强夯施工结束后7~10天，检测方法主要有瑞雷波法、静载试验法、以及标贯和动探原位测试方法。首先进行瑞雷波法，在界区选择4~5个代表点进行控制性测试，掌握地基处理后工程性质的总体分布特征，在此基础上，选择代表区域用两种或以上的传统方法进行验证。其一为静载荷试验，底板面积为2×2m2~3×3m2，以便了解较深范围内地基土的承载力和变形模量，静载荷试验压板面积再大，不易施工且造价过高；其二为标贯/动探原位测试，基底下5M深度范围内每M标贯并取原状样，5米以下每1.5m进行一次标准贯入试验，以掌握垂直方向的地基承载力分布情况，强夯加固深度和影响深度;动探试验为连续贯入，采用N63.5或N120进行连续贯入。后二种方法主要是对前一种方法进行验证，对比分析该场地的瑞雷波速和地基承载力的相关关系。

获得瑞雷波法检测与静载试验、标贯/动探试验对比验证资料后在界区内布置瑞雷波测点，瑞雷波法按格网式分布，重点穿过拟建建筑物基础的主要特征受力部位，一般测线间距取5～6m，测点间距取2m左右，兼顾夯点和夯间分布，偏移距取2～6m (场地越硬，可取大些；越软，取小些)。震源30～50kg锅底锤，检波器自振频率4～28Hz，仪器记录时间长度取200～2000ms。

3.3应用实例

现以内蒙、新疆风成砂土地基强夯为例说明，该场地地层以粉细砂为主，测试区域要求处理深度约7~10m，强夯能量为4000~6000kNm。本场地先后做了瑞雷波法，钻探标贯试验和3m×3m大压板静载试验。

图2为该场地的瑞雷波测试原始记录。瑞雷波测试偏移距4m，道间距2m，40kg锤1.0 m高自由下落激发，记录波形规则，背景安静。

图3为该记录经计算机处理后所得的频散曲线。由图可见，瑞雷波频散曲线规则，拐点清楚。0~2m深度范围内，波速为260m・s-1，3～6m波速220m・s-1，6～9m波速为200m・s-1，9～16m波速为190～205m・s-1。对比解译加固深度9m，影响深度为16m。

图4为该处所做钻探标贯曲线。由图可见，0～13m范围内修正后的标贯击数为14.8~26.8击。

图5为在该钻探点所作静载试验曲线。该点按设计承载力2.0倍加荷，实测承载力fK＝250kPa。

3.4分析

由图2～图5可见，瑞雷波频散曲线可以直接反映强夯地基的加固深度、影响深度，并与钻探标贯和静载试验结果一致。

从上面的测试结果可以看出：

（1）瑞雷波速与标贯试验具有较好的相关性。以理论上分析，当地基土较密实，较硬时，标贯击数N值较高，波速Vr也较高。反之，N值较低，Vr也较低。

（2）瑞雷波速与地基承载力也有较好的相关性。瑞雷波为面波，横波为体波，瑞雷波与横波之间也有相关性。根据工程地质手册及相关资料，Vs =1.1Vr,通过横波波速值可以间接评价地基土的液化性、工程性质，从而间接性建立瑞雷波、横波与承载力之间的相关性。

4.结论

(1) 瑞雷波法解决强夯加固地基质量的检测问题是十分有效的。其应用方面不仅可以检测强夯法地基加固效果（加固深度、挤密效果），而且可以间接性提供地基的承载力和变形模量。

(2) 瑞雷波法应用于不同区域、各种地层条件下、各种地基加固工艺时应以同条件下的静载荷试验、标贯/动探原位测试、土工试验指标等为基础，获得经验证的基础资料，然后再广泛应用推广。

(3)传统的强夯地基检测方法周期长、造价高，而瑞雷波法可以作为传统检测的辅助手段，尤其适用于大面积地基处理工艺条件，可以显著节约工期、降低造价，工程检测时注重点面结合，重点与一般的辩证统一。

(4)瑞雷波法作为物理勘察手段，通过瑞雷波在不同介质中传播速度、波长等参数来评价媒介质的工程性质，是介质条件的“反映”，当介质条件复杂（不均匀、成份多杂）等，造成瑞雷波法的“复杂反映”，不能直观反映，因此应选择应用。

(5）应用瑞雷波法进行地质勘察及地基处理检测验收，应加强与地质的结合度， 加强岩土体物性参数研究着重于物理概念与工程地质概念的结合，提高解译精确度。

参考文献：

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）

《工程地质学手册》（林宗元主编第四版）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。