瑞雷波在地基测试中的应用

瑞雷波在地基测试中的应用耿光旭摘要本文介绍了瑞雷波法的基本原理以及笔者近年在地基测试方面的综合应用。主要内容有：1、地层探测，包括天然地基分层、人工处理地基（如填石层）探测，水库大坝探测，地下洞穴的探测等；2、地基处理效果的检测，包括强夯地基、强夯置换块石墩、碎石桩、搅拌桩检验等，主要是评价其承载力、模量、加固深度、判别砂土液化等；3、边坡挡墙的检测，包括挡墙的厚度、砂浆的饱满度、填土的密实度、地基承载力的检验等，配合其它方法对挡墙进行验算。前言瑞雷波法作为一种工程地球物理新技术在地基勘察设计中具有较传统原位测试更快捷、形象直观的特点，甚至在特定条件下可以弥补钻探的不足，通过类比提供地基承载特性的参数，评价地基处理的效果。本文在介绍了该方法原理的基础上，通过笔者在深圳及周边地区的应用实例说明该方法的应用效果。方法原理瑞雷波是一种面波，最早由英国数学家瑞雷(Rayleigh)于1887年提出，它在介质的自由界面附近传播，其形成与传播直接与介质的物理特性有关。在二维空间中，瑞雷波传播时，其介质的质点振动图象是逆时针的椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍，在三维空间有同样的情形。瑞雷波就是靠这种形式的质点振动及质点与质点间的相互影响传播的。由弹性力学，在假定没有外力的情况下，各质点位移分量所满足的一般运动方程以下式表示：可得纵波方程：及横波方程：自由表面处，满足边界（z=0）应力为零的条件。此时有瑞雷波的位移解：瑞雷波传播的速度与横波波速的关系（μ为泊松比，当μ=0.2～0.4时）：研究证明：瑞雷波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长范围内介质震动的平均传播速度。因此，一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长。设瑞雷波的传播速度为Vr，频率为fr，则瑞雷波的波长λr为λr＝Vr/fr当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。瑞雷波法是利用瑞雷波的上述运动学特征和动力学特征来进行工程地质测试的物探方法。瑞雷波有三个与被测地层有关的主要特征：在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。测试方法瑞雷波测试方法一般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。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；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。工作原理图:应用介绍1、地层探测，包括天然地基分层、人工处理地基（如填石层）分层，水库大坝探测，地下洞穴的探测等；2、地基处理效果的检测，包括强夯地基、强夯置换块石墩、碎石桩、搅拌桩检验等，评价其承载力、模量、加固深度、判别砂土液化等。3、边坡挡墙的检测，包括挡墙的厚度、砂浆的饱满度、填土的密实度、地基承载力的检验等，配合其它方法对挡墙进行验算。3.1.1道路勘察（1）由于道路勘察中通常详勘钻孔间距50～80m，对于地处丘陵地貌的深圳，往往两孔之间存在软弱填土层，为控制填土层的处理范围，我们对多条道路的软弱填土层厚度进行了瑞雷波探测。根据钻探已发现有软弱填土的区段进行布点测试，通过波速分析整理确定道路区域内需要换填的软弱填土层厚度。某路基的实测频散曲线钻孔地质柱状图探测结果图1为该路基的实测频散曲线，图2为该点附近的钻孔柱状图。根据钻探已知资料，我们判定该点1.6米以上为回填土，其下界面对应波速180m/s，故我们已180m/s为控制标准，若所测土层波速＜180m/s，则该层应作处理。根据以往经验及工程载荷试验对比资料，若波速≥180m/s，其地基承载力在160kPa以上，即可作为道路路基使用，不需作开挖换填或其他方式处理。3.1.2填石厚度探测由于深圳填海软基处理工程的需要，我们必须对填海区的填堤围堰工程进行了瑞雷波法探测。其目的是了解围堰填石层厚度及其下伏软弱层厚度。根据填石及下伏软弱淤泥的波速传播规律，我们确定填石层波速随深度逐渐增大，如果下伏有软弱淤泥层，则在波速频散曲线图中会出现波速变小的拐点。下伏软弱淤泥层底面为下伏基岩，此界面处波速又会增大。深圳某填海工程瑞雷波频散曲线之一深圳某填海工程瑞雷波频散曲线之二该工程围堰瑞雷波探测断面图深圳某海堤施工现场该海堤滑塌的现场对该堤进行瑞雷波检测的实况检测的成果之一-9-13-14-15-10-11-129.8(4.4)-5-6-7-8-5-2-3-4-14321087651211109151413-8-7-65.7高程（m）-4-3-2-10123456填堤前进方向路堤高程-97810.6(3.6)11.7(2.5)9.1(5.1)8.5(5.7)0高程线淤泥底界限桂庙路南堤0+700断面珠海某填海工程检测实况山边薄填土地段的代表性瑞雷波曲线海边厚填土地段的代表性瑞雷波曲线填石厚度分布图淤泥厚度分布图由于该场地主要为海边的开山填石（个别地段有淤泥），钻探取样及其困难，采用瑞雷波法行之有效。我们在此基础上对场地进行分区强夯，并用推算模量按地基基础规范进行沉降预测。香港某边坡检测情况香港边坡检测现场瑞雷波勘探成果842480.00842485.00842490.00842495.00842500.00842505.00842510.00811630.00811635.00811640.00811645.00811650.00811655.00811660.00香港某边坡检测验证图3.1.3大坝检测深圳是现有大小水库几百个，其中相当一部分为早期建设的碾压式土石坝水库。由于历史原因，水库坝体常常有漏水现象。为消除这种隐患，我们对深圳市多个水库大坝进行了瑞雷波物探勘察，其目的是了解坝体密实度分布情况，为坝体稳定性评价及加固处理提供参考依据。大坝瑞雷波探测速度剖面0m5m10m15m20m25m30m35m40m45m50m55m60m65m70m75m80m85m90m95m100m105m110m115m120m125m130m135m140m145m150m155m160m165m170m175m180mNorth----------South-25m-20m-15m-10m-5m0mDepth150m/s200m/s250m/s300m/s350m/s400m/s450m/s500m/s灯杆3.2地基处理效果的检测近几年来，我们对强夯地基、强夯块石墩、碎石桩、搅拌桩等复合地基进行了检测。检测中通过与静载、钻探、标贯试验等的对比，不仅提供了复合地基承载力，而且提供了墩（桩）长、软弱下卧层的分布情况；对于砂土液化土层，我们还进行了消除砂土液化的判别。深圳前海某工程强夯块石墩频散曲线检测结果深圳前海某工程的强夯块石墩频散曲线（夯击能7000kNm），由该图可见，该墩体墩长约为14.2m；根据静载试验类比资料，该墩点复合地基承载力为180kPa。3.2.2强夯地基检测该工程位于深圳东部海边，为修筑一个发电厂，需对填土层进行强夯处理。该工程填土层厚度6～15m，采用5000kNm～10000kNm能量点夯，满夯采用1000kNm，设计加固深度要求达到8～12m。检测时，要求对其下卧的砂土层进行消除液化判别。强夯地基瑞雷波频散曲线经验公式：瑞雷波测试承载力分布图消除液化判别：消除液化影响深度平面分布图3.3挡土墙的检测毛石挡墙是最常用的挡墙，也是最容易出问题的挡墙。采用瑞雷波法主要检验其挡墙厚度、砌筑砂浆饱满度、以及地基承载力情况。配合回弹试验、泄水孔检验、土工试验，进行抗倾、抗滑、及承载力验算。用瑞雷波法测试挡墙的工作照该工程的瑞雷波曲线测试成果：从曲线能明显看出其挡墙厚度为1.5m，毛石墙砌筑体波速较高，约300～500m/s；表层0.7m内砂浆饱满，0.7m～1.5m为砌筑块石；1.5m后为填土、填土密实度不均匀。4.结论与建议1、瑞雷波法作为工程勘察的一种物理勘探技术，可服务于天然地基、人工地基的各个阶段，通过一定量的钻探对比，可以较准确地揭示地质体分布情况。2、瑞雷波法作为一种现代原位测试技术，可以服务于地基处理检测的各个阶段，通过一定量的静载对比，可以较准确地提供地基的物理力学参数，并可揭示其处理的深度情况。参考文献[1]中华人民共和国行业标准，《多道瞬态面波勘察技术规程》（JGJ/T143-2004,J370-2004）[2]中华人民共和国国家标准，《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）[3]中华人民共和国国家标准，《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）[4]杨成林，瑞雷波勘探原理及其应用[J]，《物探与化探》，1989，13（6）[5]耿光旭，强夯地基检测的有效方法—瑞雷波法，《勘察科学技术》，2001.5